Preview

Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова

Расширенный поиск

Оценка условий работы теплообменников двигателя Стирлинга

https://doi.org/10.21821/2309-5180-2023-15-4-658-665

Аннотация

Темой исследования является развитие современной энергетики, неразрывно связанное с дальнейшим совершенствованием тепловых двигателей, которые по-прежнему остаются единственными первичными источниками механической энергии в промышленных масштабах. Отмечается, что с учетом существующих экологических проблем альтернативой двигателям внутреннего сгорания и турбинам могут стать двигатели Стирлинга. Из множества проблем создания такого достаточно мощного и экономичного двигателя принято рассматривать основные, а именно: эффективную передачу больших тепловых потоков в нагревателе, регенераторе и холодильнике; создание надежных и долговечных уплотнений для удержания рабочего тела в цилиндре; обеспечение минимального трения в подшипниках и уплотнениях. Обращается внимание на то, что первой проблеме следует уделить большее внимание, прежде всего ввиду уникальных условий непрерывно меняющихся термомеханических нагрузок. Непостоянство нагрузок дополнительно усложняется резко отличающимися на наружных и внутренних поверхностях теплообмена коэффициента теплоотдачи. То есть возникают факторы, противоречащие требованиям к величине поверхности теплообмена, сопротивлению трения рабочего тела и мертвому объему двигателя в целом. В связи с этим представляет интерес поиск возможных путей снижения действия негативных факторов нестационарного теплообмена при расчете теплообменников. Отсутствие в настоящее время подходящих теоретических методов расчета вынуждает использовать полуэмпирические, основанные на достаточно ограниченном объеме экспериментальных исследований и требующие дальнейшей корреляции с помощью аналитических методик. Целью статьи является попытка оценить значимость уникального, свойственного двигателям Стирлинга, негативного явления задержки потока рабочего тела в теплообменниках. Для этого использовалась реальная кинематическая схема движения поршней двигателя с ромбическим приводом Р. Мейера, построенная с помощью конструкторской программы. Аналогом являлся реальный двигатель фирмы «Филипс» типа 4–235. Использовалась пошаговая процедура расчета изменяющихся по времени параметров рабочего тела. Необходимость такого решения обусловлена тем, что в ромбическом приводе Р. Мейера движение поршней и, соответственно, изменение вытесняемых объемов полостей сжатия и расширения сложно зависит от угла поворота вала двигателя, а практически точное значение реального изменения объема возможно лишь при разложении в ряд Фурье членов рассматриваемого аналитического уравнения.

Об авторе

А. И. Петров
ФГАОУ ВО «Мурманский государственный технический университет»
Россия

кандидат технических наук
183010, Мурманск, ул. Спортивная, 13



Список литературы

1. Ридер Г. Двигатели Стирлинга / Г. Ридер, Ч. Хупер. — М.: Мир, 1986. — 464 с.

2. Уокер Г. Двигатели Стирлинга / Г. Уокер. — М.: Машиностроение, 1985. — 408 с.

3. Хаузен Х. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе / Х. Хаузен. — М.: Энергоиздат, 1981. — 383 с.

4. Tanaka M. Flow and heat transfer characteristics of the Stirling engine regenerator in an oscillating flow / M. Tanaka, I. Yamashita, F. Chisaka // JSME international journal. Ser. 2, Fluids engineering, heat transfer, power, combustion, thermophysical properties. — 1990. — Vol. 33. — Is. 2. — Pp. 283–289. DOI: 10.1299/jsmeb1988.33.2_283.

5. Столяров С. П. К вопросу о расчетных соотношениях для регенераторов машин Стирлинга / С. П. Столяров, А. С. Столяров // Естественные и технические науки. — 2013. — № 5 (67). — С. 212–217.

6. Столяров С. П. Анализ конструктивных параметров насадок регенераторов регенераторов машин Стирлинга / С. П. Столяров, А. С. Столяров // Естественные и технические науки. — 2013. — № 5 (67). — С. 206–211.

7. Савченко В. А. Повышение эффективности двигателя Стирлинга путем совершенствования элементов конструкции внутреннего контура: автореферат дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук / В. А. Савченко. — СПб.: СПбГМТУ, 2016. — 22 с.

8. Bitsikas P. CFD study of heat transfer in Stirling engine regenerator / P. Bitsikas, E. Rogdakis, G. Dogkas // Thermal Science and Engineering Progress. — 2020. — Vol. 17. — Pp. 100492. DOI: 10.1016/j.tsep.2020.100492.

9. Xiao G. Design optimization with computational fluid dynamic analysis of β-type Stirling engine / G. Xiao, U. Sultan, M. Ni, H. Peng, X. Zhou, S. Wang, Z. Luo // Applied Thermal Engineering. — 2017. — Vol. 113. — Pp. 87–102. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.10.063.

10. Harness J. B. Digital Computer Simulation of Voidage in a Regenerator / J. B. Harness, P. E. L. Neumann // Advances in Cryogenic Engineering. — New York: Springer Science+Business Media, 1980. — Vol. 35 A. — Pp. 438–445. DOI: 10.1007/978-1-4613-9856-1_53.

11. Berchowitz D. M. A new mathematical model for Stirling cycle machines / D. M. Berchowitz, C. J. Rallis, I. Urieli // 12th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference. — La Grange Park, Ill., American Nuclear Society, Inc., 1977. — Vol. 2. — Pp. 1522–1527.

12. Chen N. C. J. Effects of Pressure-drop Correlations on Stirling Engine Predicted Performance / N. C. J. Chen, F. P. Griffin // 18th intersociety energy conversion engineering conference. — TN, USA: Oak Ridge National Lab., 1983. — Pp. 708–713.

13. Абакшин А. Ю. Физическая модель тепло- и массообмена во внутреннем контуре двигателя Стирлинга схемы «альфа»: автореферат дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук / А. Ю. Абакшин. — СПб.: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2014. — 17 с.

14. Liu M. Experimental study on regenerative effectiveness and flow characteristics of parallelplate regenerator in Stirling engine / M. Liu, B. Zhang, D. Han, X. Du, H. Wang // Applied Thermal Engineering. — 2022. — Vol. 217. — Pp. 119139. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2022.119139.

15. Yu M. Study of oscillating flows through a novel constructal bifurcation Stirling regenerator / M. Yu, F. Xin, X. Lai, H. Xiao, Z. Liu, W. Liu // Applied Thermal Engineering. — 2021. — Vol. 184. — Pp. 116413. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2020.116413.


Рецензия

Для цитирования:


Петров А.И. Оценка условий работы теплообменников двигателя Стирлинга. Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. 2023;15(4):658-665. https://doi.org/10.21821/2309-5180-2023-15-4-658-665

For citation:


Petrov A.I. Evaluation of the operating conditions of the Stirling engine heat exchangers. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova. 2023;15(4):658-665. (In Russ.) https://doi.org/10.21821/2309-5180-2023-15-4-658-665

Просмотров: 240


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2309-5180 (Print)
ISSN 2500-0551 (Online)