Оценка влияния параметров теплообменного контура на характеристики двигателя Стирлинга

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛООБМЕННОГО КОНТУРА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

© Иванов Д.А.*, Шустров Ф.А.*

Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ),

г. Москва

В настоящей работе дана оценка влияния параметров теплообменно-го контура на характеристики двигателей с внешним подводом теплоты, работающих по циклу Стирлинга.

При расчете мощности двигателя учтены потери давления рабочего тела вследствие внутреннего гидравлического сопротивления элементов теплообменного контура.

Проведен анализ потерь тепловой энергии в теплообменном контуре во время работы регенератора.

Ключевые слова: двигатель Стирлинга, теплообменный контур, тепловые потери, гидравлические потери, пористость.

Экономичность автономных энергоустановок во многом зависит от типа используемого теплового двигателя и конструкции электрогенератора. Применительно к двигателю возможно использование альтернативных видов топлива, а также реализация эффективных термодинамических циклов и конструктивных схем с высоким механическим КПД.

По оценке многих специалистов высоким потенциалом развития обладают двигатели с внешним подводом теплоты, работающие по циклу Стирлинга (ДВПТ), что подтверждается большим объемом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых во многих странах и направленных на создание опытных и серийных образцов двигателей этого типа.

Наибольшее влияние на эффективные показатели двигателей данного типа оказывает теплообменный контур, входящий в состав двигателя и состоящий из нагревателя, охладителя и регенератора. Для достижения высоких показателей двигателя теплообменный контур должен обладать рядом свойств. Поскольку подвод и отвод теплоты термодинамического цикла ДВПТ осуществляется в нагревателе и охладителе, то площадь теплооб-менной поверхности и внутренний объем имеют первостепенное значение. С одной стороны, для увеличения тепловой мощности нагревателя и охладителя необходимо увеличения их внутреннего объема. Это предположение верно и для регенератора, который во время цикла выступает в роли теплового аккумулятора. С другой стороны, увеличение объемов элементов теп-

* Ведущий инженер-исследователь научно-технического центра «Силовые агрегаты».

* Заместитель директора научно-технического центра «Силовые агрегаты».

лообменного контура приводит к росту гидравлических потерь во внутреннем контуре и увеличению мертвого объема, не участвующего в цикле.

Таким образом, оптимизация теплообменного контура для поиска наиболее выгодного сочетания его параметров является важной задачей, решаемой в данной работе.

Целью данной работы является анализ влияния параметров внутреннего теплообменного контура на эффективную мощность двигателя и определение значений переменных параметров, которые позволят достичь требуемых характеристик теплообменного контура.

Полученные результаты могут использоваться при проектировании ДВПТ и для уточнения параметров двигателей в процессе испытаний и доводочных работ.

В качестве основы для проведения анализа параметров теплообменного контура взят свободнопоршневой двигатель Стирлинга (СПДС) эффективной мощностью 17,5 кВт при частоте колебаний 50 Гц, в котором в качестве рабочего тела использован гелий под давлением 7 МПа, при этом средняя температура в горячей и холодной полостях составляет 550 °С и 50 °С соответственно.

Элементы теплообменного контура двигателя характеризуются рядом параметров. Для нагревателя и охладителя решающее значение имеют геометрические размеры трубок, площадь проходного сечения теплообменников, а также свойства материала, из которого изготовлены трубки. Для регенератора, основным элементом которого является пористая насадка, к определяющим параметрам относятся геометрические размеры насадки, пористость и материал насадки.

Целевыми параметрами для анализа теплообменного контура являются внутреннее гидравлическое сопротивление элементов теплообменного контура и величина тепловых потерь в регенераторе, оказывающих непосредственное влияние на эффективную мощность и КПД двигателя.

Двигатель данного типа состоит из горячей и холодной полостей, соединенных между собой теплообменным контуром. На основе статистических данных значение мертвого объема составляет от 1,2 до 1,5 от величины рабочего объема, описываемого поршнем, а мертвые объемы нагревателя, регенератора и охладителя, как правило, составляют в среднем 40, 40 и 20 % от величины общего мертвого объема двигателя [1]. Несмотря на то, что данные зависимости являются ориентировочными и зависящими от особенностей конструкции отдельных ДВПТ, они могут быть использованы для определения предварительных значений внутренних объемов элементов теп-лообменного контура.

Рассмотрим влияние отдельных параметров теплообменного контура на характеристики двигателя в целом, а также работу отдельных элементов контура.

Температура рабочего тела в горячей полости расширения

С повышением температуры в горячей полости увеличивается динамическая вязкость рабочего тела, что приводит к росту гидравлических потерь во время циклического движения газа из полости сжатия в полость расширения и обратно. Поскольку газ проходит через все элементы теплообмен-ного контура, то важна гидравлическая характеристика каждого элемента контура.

Негативным эффектом повышения температуры в горячей полости является снижение температурной прочности конструкционных материалов, что ограничивает возможности по форсированию двигателя за счет повышения давления рабочего тела.

С другой стороны, согласно изотермической модели цикла двигателя Стирлинга термический КПД равен КПД цикла Карно, который определяется следующей зависимостью: г/( = 1 - Те / Тс, где Те - температура горячей полости расширения, Тс - температура холодной полости сжатия.

Таким образом, увеличение температуры рабочего тела в горячей полости двигателя можно рассматривать как один из инструментов повышения КПД.

Давление рабочего тела

С увеличением давления повышается плотность рабочего тела, что приводит к росту массового расхода рабочего тела через теплообменный контур и увеличению гидравлических потерь.

Повышение давления рабочего тела также приводит к росту тепловой нагрузки на охладитель, поскольку увеличивается масса рабочего тела, участвующего в теплообмене.

Следовательно, повышение давления рабочего тела с одной стороны позволяет увеличить мощность двигателя, а с другой стороны способно ухудшить условия протекания термодинамических процессов.

Параметры регенератора

Пористость к насадки регенератора, представляющая собой отношение объема насадки, занятой воздухом, к полному объему, является важным параметром, определяющим характер протекания теплообменных процессов и применительно к регенераторам двигателей Стирлинга обычно находится в диапазоне от 0,7 до 0,9 [2].

С увеличением пористости к снижается гидравлическое сопротивление насадки регенератора ДРГ, но повышаются тепловые потери при Qrh во время циклической регенерации теплоты насадкой регенератора. Высокая пористость насадки также приводит к снижению интенсивности теплообмена. Обратные процессы наблюдаются при снижении пористости насадки регенератора.

На рис. 1 представлено изменение величины ДРГ, рассчитанной согласно принятым рекомендациям [3].

Рис. 1. Зависимость гидравлического сопротивления ДРГ насадки регенератора от температуры Те и пористости к

При определении тепловых потерь Qrh во время циклической регенерации теплоты в насадке регенератора учитывается комплекс параметров теп-лообменного контура [4]. Наибольшее влияние оказывает пористость регенератора, увеличение которой приводит к росту тепловых потерь.

Рис. 2. Зависимость тепловых потерь Qrh регенератора от температуры Те и пористости к

Изменение соотношения между фронтальной площадью насадки регенератора и ее длиной также влияет на параметры теплообменного контура. Рассматриваемая в работе насадка регенератора пористостью к = 0,7 имеет кольцевую форму с внешним и внутренним диаметром 165 мм и 145 мм соответственно и длину 26 мм. Увеличение длины насадки до 35 мм при сохранении прежнего объема насадки приводит к снижению тепловых потерь при регенерации на 22 % при одновременном повышении гидравлического сопротивления на 45 %.

Однако уменьшение линейного размера насадки приводит к сокращению времени прохождения рабочего тела через насадку, что может привести к ухудшению протекания теплообмена.

Изменение рабочей частоты колебаний двигателя

Увеличение частоты приводит к росту числа рабочих циклов в единицу времени, но при этом неизбежно повышается массовый расход рабочего тела через теплобменный контур. Например, изменение рабочей частоты колебаний до 60 Гц приводит к увеличению гидравлического сопротивления регенератора на 16,6 %.

Изменение эффективных показателей двигателя в зависимости от параметров теплообменного контура

Внутренние гидравлические потери в теплообменном контуре двигателя вызывают увеличение насосных потерь двигателя и снижение среднего давления цикла, приводящих к снижению эффективных показателей двигателя.

Рис. 3. Зависимость эффективной мощности двигателя от параметров теплообменного контура

Тепловые потери при циклической регенерации теплоты в насадке регенератора приводят к необходимости вводить дополнительную тепловую энергию в термодинамический цикл двигателя, что сокращает эффективный КПД двигателя.

На рис. 3 представлен график изменения эффективной мощности N двигателя, по которому можно утверждать, что величина гидравлического сопротивления насадки регенератора APr оказывает существенное влияние на характер изменения мощности.

Заключение

Оценка влияния параметров теплообменного контура позволяет сделать вывод, что для обеспечения оптимальных характеристик контура необходимо сбалансированное и компромиссное решение при выборе характеристик отдельных элементов контура.

Для получения оптимальных параметров элементов теплообмен-ного контура необходимо проведение комплексной оптимизация элементов теплообменного контура с применением программных средств, реализуемых на ЭВМ. Оптимизация заключается в расчете параметров контура с сочетанием всех переменных величин, изменяемых в установленных пределах.

Целью оптимизации является поиск такого сочетания параметров, которое обеспечит получение наивыгоднейших характеристик дви -гателя.

Настоящий доклад подготовлен в рамках гранта от 5 июня 2014 г. № 14.577.21.0071 (Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) RFMEFI57714X0071) при финансовой поддержке Министерства Образования и Науки Российской Федерации.

Список литературы:

1. Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга: пер. с англ. - М.: Мир, 1986. -464 с.: ил.

2. Abdulrahman S. Abduljalil, Zhibin Yu and Artur J. Jaworski, Selection and experimental evaluation of low-cost porous materials for regenerator applications in thermoacoustic engines / School of Mechanical, Aerospace and Civil Engineering, University of Manchester. - 2011.

3. Timoumi Y., Tlili I., Ben S. Nasrallah. Design and performance optimization of GPU-3 Stirling engines // Energy. - 2008. - № 33. - Р. 1100-1114.

4. Martini W.R. Stirling Engine Design Manual / W.R. Martini. - The Office, 1983. - 409 р.