РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА С СИСТЕМОЙ

ПОДВОДА ТЕПЛОТЫ НА БАЗЕ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ

СП. Столяров

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, Россия

Среди главных проблем при создании двигателей Стирлинга сложностью и актуальностью отличается задача создания нагревателя, выдерживающего при температуре стенок 873...1073 К давление рабочего тела до 10. ..20 МПа и воздействие теплового потока до 1 МВт/м².

Наиболее перспективным путем решения этой проблемы представляется применение специальных систем передачи теплоты (СПТ), работающих по принципу тепловой трубы или термосифона. При малом термическом сопротивлении и незначительных потерях теплоты такие СПТ способны обеспечить в нагревателе равномерное температурное поле. Они также позволяют выполнить тепловоспринимающую поверхность источника теплоты независимо от поверхности нагревателя двигателя.

Исследования были выполнены на четырех опытных одноцилиндровых двигателях Стирлинга, созданных на базе серийной холодильно-газовой машины ЗИФ1000. Опытные двигатели отличались конструкцией элементов внутреннего контура и СПТ. Применялись СПТ термосифонного типа в виде протяженной тепловой трассы, типа тепловая труба с кольцевым расположением теплообменных поверхностей вокруг цилиндра двигателя (2 варианта) и тепловая труба модульного типа с испарителем, состоящим из 55 капиллярных трубок. В качестве теплоносителя СПТ применялись чистый натрий и натрий-калиевая эвтектика.

Результаты экспериментальных работ в целом подтвердили целесообразность применения тепловых труб в СПТ двигателей Стирлинга. В стационарных условиях при обогреве внешним натриевым термосифонным контуром температурный перепад в нагревателе составил не более 17 К. При работе от камеры сгорания компактного типа СПТ неоднократно выдерживали местные перегревы, предельная температура в испарителе составляла при этом до 1100 К. Температурный перепад между уходящими газами и наиболее холодной точкой в паровом пространстве СПТ не превосходил 20...30К.

Экспериментальные исследования выявили, ранее не отмечавшиеся в работах по двигателям Стирлинга с тепловыми трубами, локальные пульсации скорости разогрева нагревателя при резком набросе или резком сбросе нагрузки на двигатель. Анализ термограмм, а также расчетные обоснования показывают, что причиной этому являлось наличие в паровом пространстве неконденсирующихся газов. В конструкциях модульного типа наличие неконденсирующегося газа может вызывать значительное увеличение термического сопротивления СПТ. Так, в СПТ модульного типа при наличии в паровом пространстве неконденсирующихся газов, в количестве соответствующем глубине холодного вакуума 10" бар, разница температуры между испарителем и поверхностью нагревателя составила 106... 163 К.

Расчетные исследования, выполненные с учетом уточнений по результатам экспериментальных работ, показали, что высота капиллярных поверхностей СПТ не должна превышать 120...140 мм, а предельное число Маха в паровых каналах испарителя и транспортной зоны в оптимальных вариантах не превышает 0,14.