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. ПетровРоссия
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