CC BY
98
УДК 621.41
С. М. Ульд Сиам
Астраханский государственный технический университет (Африканская Исламская Республика Мавритания)
МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ СТИРЛИНГА В ОБЛАСТИ ВЛАЖНОГО ПАРА
В литературе [1-10] рассматривается, как правило, классический высокотемпературный газовый цикл Стирлинга с регенерацией, реализация которого приводит к сложным конструкциям с внешними теплообменниками и низкими коэффициентами теплопередачи.
Предлагается [4, 10] модифицированный термодинамический цикл Стирлинга (ЦСМ) в области влажного пара для использования тепловых потоков при температуре 40-120 °С (тепловые сбросы энергетических установок, солнечная энергия и др.). Основой для этого предложения явился выполненный автором анализ характеристик 126-ти двигателей Стирлинга с газообразными рабочими веществами (воздух, водород, гелий) высоких параметров, работающих, с определенными допущениями, по циклу Стирлинга с частичной регенерацией теплоты (14 циклов).
Анализ цикла ЦСМ выполнен на основе следующих характерных параметров, в том числе введенных автором:
е - условная степень сжатия;
= Чц /имакс - условная тепловая напряженность, Дж/м3, отношение удельной теплоты цикла к максимальному удельному объему рабочего вещества в цикле;
цмакс = д/д - максимальная степень регенерации в цикле;
п = р2/р1 - отношение максимального и минимального давлений цикла;
1ц = д — д2 - удельная работа цикла, Дж/кг;
4 = 1ц /имакс - габаритная характеристика цикла, отношение удельной работы цикла, Дж/м3, к максимальному удельному объему рабочего вещества в цикле;
г = /0/рмакс - безразмерная габаритная характеристика, отношение габаритной характеристики к максимальному давлению рабочего вещества в цикле;
П = /ц/д - термический КПД модифицированного низкопотенциального цикла Стирлинга
в области влажного пара без регенерации, отношение удельной работы цикла, Дж/кг, к подведенной теплоте в цикле, Дж/кг;
Пр = V (д — д) - термический КПД модифицированного низкопотенциального цикла Стирлинга с регенерацией;
П/П - отношение термического КПД модифицированного низкопотенциального цикла Стирлинга без регенерации к термическому КПД цикла Карно;
п//пк - отношение термического КПД модифицированного низкопотенциального цикла Стирлинга с регенерацией к термическому КПД цикла Карно.
Формулы для расчета приведенных параметров см. в [5].
Параметры х4,\3,р3,и3,/4,р4,и4,/1,/2,г определяются по диаграмме / — 5 или по термодинамическим таблицам свойств рабочих веществ.
Анализ выполнен в основном в диапазонах температур Т1 и Т2: 303—333, 303—363 и 303—393 К. Выбраны следующие модификации термодинамических циклов ЦСМ: цикл Стирлинга без регенерации, цикл Стирлинга с частичной регенерацией, цикл Стирлинга с полной регенерацией теплоты, цикл сравнения — цикл Ренкина в области влажного пара. Все циклы расположены в области влажного пара следующих рабочих веществ: фреоны — Я11, Я12, И21, И22, Я40, Я142, ЯС-318; этанол, пропан, бутадиен, вода. Левая ветвь всех циклов совпадает с процессом нагрева жидкости от Т1 до Т2 (левая пограничная кривая в термодинамических диаграммах), процессы парообразования и кон-
денсации вещества происходят при Т2 (до состояния сухого насыщенного пара) и Т1 (р2 и рі). В этих условиях цикл Стирлинга без регенерации совпадает с изобарно-изохорным циклом.
Для цикла сравнения (цикла Ренкина в области влажного пара) в диапазоне температур 293-333 К и для Я21 получены следующие данные: удельная работа цикла — 25 кДж/кг, габаритная характеристика — 180 кДж/м3, безразмерная габаритная характеристика —
0,34 (кДж/м3)/Па, условная тепловая напряженность 1 390 кДж/кг.
Можно показать, что эффективность цикла Ренкина в области влажного пара и низкопотенциальной области определяется безразмерным параметром
* = (г/с )-(Т/Т, + і)/[2(Т2 — Ті)],
где г и с - соответственно удельная теплота парообразования рабочего вещества при Т2 и удельная массовая теплоемкость жидкости. Для некоторых веществ этот параметр составляет в диапазоне температур 293—333 К: Я12 — 2,7, И22 — 2,7, Я142 — 3,3, Я40 — 9,0, вода — 13,2.
Характеристики циклов для интервала температур 293-333 К по результатам расчетов приведены в таблице.
Характеристики цикла ЦСМ для некоторых рабочих веществ
Характеристики Рабочее вещество Характеристики Рабочее вещество
циклов М1 М2 Я21 М42 циклов М1 М2 Я21 М42
Р макс 0,313 1,52 0,52 0,89 П 0,065 0,065 0,071 0,066
Р 3,53 2,68 3,34 3,06 п Ч 0,54 0,542 0,595 0,553
и макс 0,059 0,011 0,047 0,026 пр 0,079 0,088 0,086 0,086
1 ц 13,3 10,1 17,0 15,6 г макс 0,27 0,43 0,26 0,36
1 и 225 897 366 598 Р / к п Ч 0,66 0,735 0,713 0,716
2 0,71 0,590 0,705 0,673 % 2830 10100 4270 6920
Результаты анализа для достаточно широкого диапазона условий и параметров представлены на рис. 1, 2 и заключаются в следующем.
ЦСМ имеет определенное преимущество в указанном интервале температур по ¡ь перед
циклами Ренкина и Карно в области влажного пара (рис. 1, д, ж), по (рис. 2, б). Однако ЦСМ
уступает по ¡ц указанным выше циклам и газовому циклу Карно (рис. 1, в). ЦСМ уступает циклу
Ренкина по щ/Щ (рис. 2, г) и циклу Карно по щ (рис. 2, е).
Применение в цикле ЦСМ рабочего вещества Я12В1 дает определенное преимущество по ¡ь
(рис. 1, г), ¡и / АТ (рис. 1, е), по Цмакс (рис. 2, в), щр /Щ (рис. 2, ж) и щ/Щ (рис. 2, з).
Применение в ЦСМ рабочего вещества Я718 даст преимущество по г (рис. 1, з). Однако Я718 уступает Я11 и другим рабочим веществам по щ (рис. 2, д), щ/Щ (рис. 2, з) и цмакс (рис. 2, в).
В целом параметры ЦСМ в области влажного пара составляют: р = 2,5 -10 (рис. 1, б), х4 = 0,1 - 0,5 , щ = 0,055 - 0,080 , пр = 0,1 - 0,20 при степени регенерации тмакс = 0,3 - 0,8, условная степень сжатия е = 20 - 80; щ/щК = 0,3 - 0,6, /Щ = 0,35 - 0,90 . Максимальный удельный
объем рабочего вещества в цикле и4 = 0,005 - 0,60 м3/кг.
Рис. 1. Основные параметры модифицированного цикла Стирлинга: а - ЦСМ в области влажного пара; б - рмакс = /(дг), Др = /(ДГ) и п = /(дг) для ЦСМ: рабочее вещество -Я11, р= 0,12 МПа ; в - I = /(дТ): 1 - ЦСМ; 2 - цикл Карно; 3 - цикл Ренкина; 4 - газовый цикл Карно при условии д1 (газовый цикл) = д1 (ЦСМ, 1); г - 1с = /(ДГ) для ЦСМ; д - 1У различных циклов:
1 - ЦСМ; 2 - цикл Ренкина; 3 - цикл Карно; рабочее вещество - Я11; е - удельная объемная работа ЦСМ на 1 К разности температур ДТ ; ж - сравнение 1„ ЦСМ и цикла Ренкина, рабочее вещество Я11; з - безразмерная габаритная характеристика для ЦСМ
а
д
б
е
в
з
г
О 11718 Ш1 Ш2В1 КбООа 11717 а
К11 Ю2В1 11717 11б00а
д
Рис. 2. Влияние вида рабочих веществ на термодинамические показатели модифицированного цикла Стирлинга: а - дс = /(дт ) ЦСМ для различных рабочих веществ; б - сравнение д = /(ДТ) для термодинамических циклов в области влажного пара: 1 - ЦСМ; 2 - цикл Ренкина; 3 - цикл Карно; в - ^макс = /(дт) ЦСМ для различных рабочих веществ; г - п 1 /щ(к = /(дт) для циклов: 1 - ЦСМ в области влажного пара; 2 - цикл Ренкина; Я11; д - п 1 = /(дт ) ЦСМ в области влажного пара для различных рабочих веществ; е - термический КПД: 1 - цикла ЦСМ в области влажного пара; 2 - цикла Карно; ж - пр /п К = /(ДТ) ЦСМ в области влажного пара для различных рабочих веществ; з - п( /щ(к = /(дт ) ЦСМ в области влажного пара для различных рабочих веществ
б
е
в
г
з
Можно также сделать следующие общие выводы.
1. Для низкопотенциального цикла Стирлинга может быть расширен набор рабочих веществ и возможна модификация цикла.
2. Имеется достаточно большая группа доступных рабочих веществ, которые могут применяться в низкопотенциальных двигателях Стирлинга с достаточно высокой термодинамической эффективностью.
3. Применение цикла ЦСМ в низкотемпературной области и при небольших интервалах температур, безусловно, предусматривает отсутствие внешних теплообменников, традиционных и обязательных для высокотемпературных газовых двигателей Стирлинга. Низкопотенциальный цикл ЦСМ должен реализовываться непосредственно в одной рабочей камере двигателя (например, по схеме в [4]).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Агафонов Г. В., Бейлин В. Н., Лурье В. А. Теоретическое исследование влияния регенерации на рабочий процесс двигателя Стирлинга // Двигателестроение. - 1982. - № 4. - С. 9-10.
2. Двигатели Стирлинга / Пер. с англ.; Под ред. В. М. Бродянского. - М.: Мир, 1975. - 448 с.
3. Евенко В. И., Евенко В. В. Недостатки анализа теоретического цикла двигателя Стирлинга методом Шмидта // Изв. вузов СССР. Машиностроение. - 1990. - № 1. - С. 77-81.
4. Ильин А. К. Цикл Стирлинга: основные характеристики и возможности использования в системах ОТЭС / Системы преобразования энергии океана. - Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1985. - С. 156-187.
5. Ильин А. К., Ульд Сиам С. М. Анализ характеристик цикла Стирлинга в области влажного пара // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса. Вып. 3.: Материалы Междунар. конф. - Саратов: СНЦ РАН, 2004. - С. 72-80.
6. Коган А. Я., Петров Ю. В. Термодинамический анализ цикла двигателя Стирлинга // Двигателестроение. - 1985. - № 2. - С. 3-6.
7. Костылев В. Ф. Пути совершенствования рабочего процесса ДВПТ для повышения мощности и экономичности // Двигателестроение. - 1983. - № 3. - С. 15-16.
8. Кукис В. С. Двигатель Стирлинга как утилизатор теплоты отработавших газов // Автомобильная промышленность. - 1988. - № 9. - С. 19-20.
9. Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга / Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 464 с.
10. Ульд Сиам С. М., Ильин А. К. Анализ термодинамических циклов низкопотенциальных двигателей Стирлинга // Экологичность ресурсо- и энергосберегающих производств: Материалы Рос. конф. -Пенза: ПДЗ, ПГАСА, 2002. - С. 50-53.
Получено 17.10.2006
MODIFIED STIRLING CYCLE IN THE FIELD OF A DAMP VAPOUR
S. M. Ould Siam
The thermodynamics Stirling cycle in the field of a damp vapour for diverse working mediums is offered and reviewed. Its main advantages are showen. The settlement analysis of characteristic cycle variables is executed. The scope of using is described.
