Материал: 2471

В действительности не удается осуществить в точности указанный цикл, и индикаторная диаграмма имеет вид эллипса.

16.2. Основные формулы, описывающие протекание процессов цикла двигателя Стирлинга

Для исследования процессов, происходящих в двигателе Стирлинга, используем уравнение состояния, первый закон термодинамики, изменение внутренней энергии, работы и энтропии.

Для описания процессов, происходящих в двигателе внешнего сгорания, введем следующие безразмерные параметры:

2 3 min );

3)из характеристического уравнения состояния идеального газа для единицы массы рабочего тела следует [17], что удельный объем 1, газовая постоянная воздуха R, температура Т1 и давление Р1 связаны выражением

Каждый из четырех процессов цикла характеризуется параметрами и функциями состояния.

Изометрический процесс сжатия (1 2) (см. рис. 16.1). В этом процессе теплота отводится от рабочего тела при минимальной температуре цикла. Работа, затраченная на сжатие рабочего тела, эквивалентна теплоте, отводимой из цикла. При этом внутренняя энергия не изменяется, а энтропия уменьшается. При изотермическом сжатии давление обратно пропорционально объему.

Отводимая теплота q равна затраченной работе l и составляет

Регенеративный процесс теплоотдачи при постоянном объе-

ме (2 3) (нагревание). В рассматриваемом процессе теплота передается от регенератора к рабочему телу; температура рабочего тела увеличивается от Tmin доTmax. Работа в этом процессе не производится. Внутренняя энергия и энтропия рабочего тела возрастают. При изохорном процессе давление газа прямо пропорционально его температуре.

Количество теплоты, получаемое рабочим телом, составит

где C – массовая теплоемкость рабочего тела при постоянном объеме.

Затраченная работа l 0. Изменение энтропии

Изотермический процесс расширения (3 4). В этом процессе теплота подводится к рабочему телу во время процесса расширения при температуре Tmax. Работа, получаемая при расширении рабочего тела, эквивалентна количеству подводимой теплоты. Внутренняя энергия рабочего тела не изменяется, а энтропия увеличивается. При этом

Подводимая теплота q равна полученной работе l и составляет

Изменение энтропии

Регенеративный процесс теплоотдачи при постоянном объе-

ме (4-1) (охлаждение). В рассматриваемом процессе теплота передается от рабочего тела к насадке регенератора. Температура рабочего тела уменьшается от Tmax до Tmin . Работа в этом процессе не производится. При этом

лу в процессе (4 1). Внешнего притока теплоты к рабочему телу нет.

Это выражение аналогично выражению для КПД цикла Карно, который состоит из двух изотерм и двух адиабат. Совершенство двигателя Стирлинга, его КПД зависят от значений максимальных и минимальных температур рабочего тела, совершающего работу.

16.3. Принцип действия двигателя Стирлинга

Принцип действия двигателя Стирлинга рассмотрим на примере одноцилиндрового варианта с двумя поршнями (рис. 16.3).

Двигатель состоит из цилиндра 13, в котором совершают воз- вратно-поступательное движение два поршня, условно называемые

вытеснителем 1 и рабочим 2. Взаимное перемещение поршней и передача крутящего момента на кривошипные валы 9 осуществляются с помощью ромбовидного шатунного механизма 10 и штока 12,

поршня-вытеснителя и штока 11 рабочего поршня.

Рабочее тело находится в полости А между верхним рабочим поршнем и головкой цилиндра и в полости Б между поршнями, а в процессе перемещения поршней оно проходит холодильник 3, регенератор 4 и теплообменник-нагреватель 6, где воспринимает теплоту продуктов сгорания топлива, подаваемого в зону горения форсункой 5. Отходящие газы 8 подогревают воздух, подводимый по каналу 7 к горелке.

Рис. 16.3. Принцип действия двигателя Стирлинга:

а, б, в, г – такты двигателя; д – индикаторная диаграмма; I – сжатие (а–б в полости Б); II – подвод теплоты из регенератора; III – расширение (б–в в полости А; в–г в полости Б); IV − отвод теплоты

В положении (рис. 16.3, а) рабочий поршень 2 подходит к ВМТ, а поршень-вытеснитель 1 сжимает рабочее тело в полости Б (процесс изображен на нижней ветви I индикаторной диаграммы, рис. 16.3, д), откуда оно поступает через холодильник в регенератор и к нагревателю (ветвь 11). В регенераторе рабочее тело частично нагревается, используя для этого оставшуюся теплоту от предыдущего рабочего цикла. При повороте кривошипов вала в направлении стрелок поршни взаимно сближаются (рис.16.3, б) и объем полости Б дополнительно уменьшается, но к тому времени происходит уже рабочий ход расширение нагретого рабочего тела в полости А (верхняя ветвь III инди-