Зависимость энергетических характеристик газовых холодильных машин Стирлинга от внешних и внутренних параметрических величин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.57

ЗАВИСИМОСТЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЗОВЫХ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН СТИРЛИНГА ОТ ВНЕШНИХ И ВНУТРЕННИХ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

©2014 В.Н. Белозерцев

Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)

Увеличение холодоироизводительности холодильной машины осуществляется посредством изменения давления заправки и частоты вращения привода. Для работы с минимальными суммарными потерями и максимальной холодопроизводительностью давление заправки и частота вращения не должны меняться произвольно. Связь между ними осуществляется через одинаковые минимальные суммарные потери в регенераторе. Внутренние параметрические величины холодильной машины (давление заправки, относительная температура, относительный мёртвый объём, соотношение максимальных описанных объёмов рабочих полостей) и внешние (частота вращения привода) оказывают влияние на энергетические характеристики машин. В статье представлена оценка влияния этих параметрических величин на действительные характеристики холодильной машины и определены возможности и способы их форсирования.

Холодильная машина, холодопроизводительность, регенератор, гидравлические потери, тепловые мосты, давление заправки, частота вращения привода, относительный мёртвый объём, относительная температура, форсирование.

Эффективность решения многих задач в авиационной и космической технике определяется достижениями в области бортовых систем охлаждения летательных аппаратов. Основой этих систем вплоть до 80К являются газовые холодильные машины (ГХМ), работающие по обратному циклу Стерлинга [1]. Уровень холо до производительности этих машин составляет значение от долей до десятков ватт. Работа этих установок на номинальном режиме подразумевает постоянство таких параметров, как температуры детандерной ( Тх ) и компрессорной (ТГ ) полости, энергетических характеристик: холодопроиз-водительности теплоты отводимой

от компрессорной полости (й) и работы

цикла (Ьц ). Однако возможны ситуации,

когда в результате действия внешних факторов значения этих величин могут отклоняться от своих номинальных значений. Это может происходить за счёт увеличения теплопритоков из окружающей среды в зону термостатирования холодильной машины. Поэтому актуальным является изучение вопроса о возможности форсирования их характеристик с целью обеспечения работоспособности бортовых

систем в таких условиях. Общеизвестны также и методы форсирования этих тепловых машин: по давлению заправки и частоте вращения привода [1,2]. Эти параметры непосредственно влияют на уровень подводимой и отводимой тепловой мощности теплообменных аппаратов, их массогабаритные размеры, а также на уровень возникающих в них потерь. Поэтому целью данной работы является выявление зависимости энергетических характеристик ГХМ, потерь, возникающих в теплообменных аппаратах при работе от частоты вращения привода и давлении заправки, а также определение рабочих интервалов давлений и частоты. Характер зависимости энергетических характеристик холодильной машины от давления заправки и частоты привода может быть оценён по методике Шмидта [2] следующими выражениями:

а =

л-Рср-Уох-5-$т6

1 + (1-<52)0'5 :

и представлен на рис. 1.

(1)

(2) (3)

и,об/мин

2000 3000 4000 5000 Рис.2. Зависимости реальных параметров холодильной машины от частоты привода

С увеличением частоты вращения энергетические характеристики цикла остаются без изменения, однако растут тепловые мощности рабочих полостей. При форсировании машин Стирлинга по этим параметрам меняются режимы работы те-плообменных аппаратов.

Суммарные потери в регенераторе Юъ = Ют + 0№+ЮНр (4)

включают потери: - на недорекуперацию: АОт= 0,5(1-77,

Величина тепловой нагрузки регенератора рассчитывается из выражения:

0Р=0-СР-(ТГ-Тх)+2-8-ГРГ • (Ршах -РШ1П)• — ;

- на гидравлические сопротивления

р

- за счёт теплопроводности по корпусу и насадке регенератора

НР

'-А'Аэф'Рр^г-Т^'Т-

Эти потери приводят к уменьшению действительной холодопроизводительно-сти холодильной машины. Изменение давления заправки и частоты вращения привода по-разному сказываются на темпе изменения энергетических характеристик. Но общим является то, что суммарные тепловые потери в регенераторе при определённом соотношении между его длиной

и диаметром (Лр = при фиксированных р3 и п принимают минимальное значение (рис. 3,4).

Рис. 3. Зависимость суммарных потерь в регенераторе от

при разных давлениях заправки

Найденные с учётом полученных потерь значения действительных энергетических характеристик:

^ ЦД д

представлены на рис.5,6.

70 60 50

соответствии с определёнными выше условиями и рис. 7 (суммарный рабочий объём холодильной машины составил 15 см3). Вид корреляционной кривой р , = /(//) для ГХМ с базовыми проектировочными параметрами: холодопроизводи-тельностью 10 Вт, температурами детан-дерной полости Тх= 150К, компрессорной полости Тг = 160К, давлением заправки = 2-105 Па, частотой вращения привода 1000 об/мин представлен на рис.7. Следует выбирать переразмеренные по тепловой нагрузке (следовательно и по массе) регенераторы с Лр от 10 до 80, что и делается на практике [1].

Из графиков видно, что холодильная машина начинает работать с давления заправки 0,25 МПа и частоты вращения привода 700 об /мин. Представленные зависимости позволяют установить связь между давлением заправки и частотой вращения привода р., = /(//) и параметры, соответствующие максимальным значениям действительной холодопроизводи-тельности.

Поэтому при форсировании холодильных машин Стирлинга изменять необходимо одновременно оба параметра в

1000 2000 3000 4000 5000 Частота вращения привода Рис. 7. Зависимость рабочих интервалов давлений заправки и частот вращения привода

Представленные на рис.7 рабочие характеристики справедливы для холодильной машины с конкретными относительными параметрами:

относительной температурой;

,К +2-т-К-со8а т+К + 2-Б

могательным параметром,

2-Х-г

вспо-

приведённый мёртвый объём;

-относительный «мёртвый» объ-

ем;

Рис. 4. Зависимость суммарных потерь от

при разных частотах

Мпа

Рис. 5. Зависимость действительных характеристик ГХМ от давления заправки

об/ми

Рис. 6. Зависимость действительных характеристик ГХМ от частоты вращения привода

К =

К

ОГ

V,

-относительный описанный объ-

ох

ём рабочих полостей.

При переменных т; Х;К корреляционные зависимости р. = /(//) представлены на рис. 8.

2 1,Ь

0,5

у 0 Of 17* 01119

. i 1.1.

4ПП

ЯШ

Ш0 п, об/мин

1600

ти влияние г, X и К на и п пренебрежимо мало. Следовательно, данный диапазон является областью с устойчивыми энергетическими характеристиками ГХМ. Он может быть рекомендован, как область предпочтительных рабочих режимов с точки зрения максимальной действительной холодопроизводительности.

При п >1900 об/мин, /,3>ЗД2МПа и п < 200 об/мин, Р3 < 0,5МПа наблюдается наибольший разброс значений соотношения температур, относительного мёртвого объёма и соотношения объёмов рабочих полостей. Представленные на рис. 8 характеристики позволили обобщить полученные результаты в виде аппроксимирующей зависимости: р = 1700 - и-0,1119-10б.

Выводы

1. Для форсирования холодильных машин Стерлинга по давлению заправки и частоте вращения привода и достижения при этом минимальных потерь в регенераторе и максимальной холодопроизводительности должны одновременно меняться оба параметра давление заправки и частота вращения привода в соответствии с рабочей характеристикой р = 1700 - и-0,1119-10б.

2. Диапазон с устойчивыми характеристиками ГХМ соответствует диапазону значений давления заправки от 0,9 до 1.7МПа.

Библиографический список

1. Новотельнов В.Н., Суслов А.Д., 3. Грезин А.К., Зиновьев B.C. Микро-Полтараус В.Б. Криогенные машины, криогенная техника. М.: Машинострое-СПб.: Политехника, 1991. 332 с. ние, 1977. 232 с.

2. Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стерлинга. М.: Энергия, 1978. 145

Сведения об авторе

Белозерцев Виктор Николаевич, исследовательский университет). E-mail: кандидат технических наук, доцент кафедры теплотехники и тепловых двигателей, Самарский государственный аэрокосмический университет имени акажемика С.П. Королёва (национальный

Рис.8. Объединённая характеристика рабочих режимов ГХМ по давлению заправки и частоте

Значения величин варьировались в интервалах: т =1,2. ..3,6; Х= 0,2. ..2,5; К = 0,1...4. Выбранные границы изменения величин взяты не случайно: меньшие значения т, К и большие X соответствуют условиям, когда действительная холодо-производительность машины превращается в ноль.

Из представленной на рис.8 зависимости видно, что область совпадения графиков находится в диапазоне значений давления заправки от 0,9 до 1,7 МПа и частоты вращения привода от 700 до 1100 об/мин. Это означает, что в данной облас-

vick.belozertzew@yandex.ru. Область

научных интересов: исследование рабочих процессов тепловых двигателей и холодильных машин.

DEPENDENCE OF ENERGY CHARACTERISTICS OF STIRLING GAS REFRIGERATING MACHINES ON EXTERNAL AND INTERNAL PARAMETRIC VALUES

©2014 V.N. Belozertcev Samara State Aerospace University, Samara, Russian Federation

The question of forcing the heat engines Stirling is important. The increase of cold-productivity of the refrigeration machine is carried out by means of change of pressure filling and Internal parametric values of refrigerating machines: filling pressure, relative temperature, relative dead volume, the ratio of the maximum described volumes working cavities and external: frequency of rotation effects on the energy characteristics of machines. The article presents the assessment of the impact of these parametric values on the real characteristics of refrigerating machines and identify opportunities and ways of forcing speed of the drive. To work with minimum total power losses and maximum cooling capacity of the filling pressure and speed must not be changed arbitrarily. The relationship between them via the same minimum total losses in the regenerator.

The refrigerator, capacity, thermal capacity at the minimum temperature in cycle, a regenerator, hydraulic, thermal bridges, the minimum total losses, pressure of refueling, frequency of the rotation.

References

1. Novotelnov V.N., Suslov A.D., Poltaraus V.B. Kriogennye mashiny [Cryogenic units], Saint-Petersburg: Politechnika Publ., 1991. 332 p.

2. Walker G. Mashiny, rabotajushhie po ciklu Stirlinga [The units working on a Stir-

ling cycle], Moscow: Energia Publ, 1978. 145 p.

3. Grezin A.K., Zinovev V.S. Mikrokrio-gennaja tehnika [The microcryogenic technics], Moscow: Mashinostroenie Publ., 1977. 232 p.

About the author

Belozertsev Victor Nikolaevich, Candidate of Science (Engineering), Associate Professor of heating engineering and thermal engines department, Samara State Aerospace

University. E-mail: vick.belozertzew @yandex.ru. Area of Research: working processes of thermal engines and refrigerators.