Разработка комплексного метода теплового и конструкторского расчета термомеханического генератора

• Автор: Веревкин, Максим Геннадиевич
• Шифр специальности: 05.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 120 с. : ил.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАЗРАБОТОК СВОБОДНОПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА.

1.1 Принцип работы и конструктивные схемы

термомеханических генераторов

1.2 Текущее состояние разработок термомеханических генераторов

и свободнопоршневых двигателей Стирлинга

1.3 Математические модели рабочего процесса двигателей Стирлинга

и методики их расчетов

1.4 Анализ методов расчета ТМГ

1.5 Выводы

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА ПЕРВОГО УРОВНЯ.

2.1 Постановка задачи исследовании
2.2 Основные уравнения рабочего процесса ТМГ
2.3 Определение конструктивных параметров ТМГ
на этапе предварительного проектирования
2.4 Анализ динамики термомеханического генератора
2.5 Выводы
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА ТРЕТЬЕГО УРОВНЯ.
3.1 Основные допущения и уравнения рабочего процесса и динамики
3.2 Модель для расчета рабочих процессов двигателей с внешним подводом теплоты
3.3 Методика поверочного расчета ТМГ
3.4 Выводы

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА.
4.1 Задачи и программа экспериментального исследования
4.2 Конструкция лабораторного образца термомеханического
генератора
4.3 Датчики и комплекс контрольно-измерительной и
регистрирующей аппаратуры
4.4 Тарировка датчиков температур, давления и перемещений
4.5 Методика проведения эксперимента
4.6 Оценка погрешностей измерений экспериментальных данных
ГЛАВА 5. ОЦЕНКА АДЕКВАТНОСТИ СОЗДАННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТМГ.
5.1 Постан о вка задачи исследования
5.2 Сравнение экспериментальных данных с результатами расчета
по математической модели 3-го уровня
5.3 Исследование влияния параметров рабочего процесса на
показатели эффективности термомеханического генератора
5.4 Методика конструкторского расчета термомеханического
генератора
5.5 Выводы по результатам расчетно-экспериментального
исследования
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
А - площадь торцевой поверхности поршня
ДВПТ - двигатель с внешним подводом теплоты
ДС - двигатель Стирлинга с приводным механизмом
ММ - математическая модель
СГТДС - свободнопоршневой двигатель Стирлинга
ТМГ - термомеханический генератор
ХА - хромель-алюмель
С - коэффициент демпфирования
Ср - теплоемкость газа при постоянном давлении
С„- теплоемкость газа при постоянном объеме
0 - диаметр вытеснительного поршня, м <1 - диаметр рабочего поршня, м
Б - площадь теплообмена, м2 А - амплитуда возмущающей силы g - ускорение свободного падения
1 - энтальпия
С - количество теплоты
Я - коэффициент теплоотдачи
К - жесткость пружины
к - отношение удельных теплоемкостей
I - работа
М - масса
N - эффективная мощность двигателя
Ум - критерий Нуссельта Р - давление Ре- критерий Пекле Яе- критерий Рейнольдса

Уравнение движения для вытеснителя:
Мл^- = -Кл(хл+хе)+Ал(ре-ре), (2.58)
где х(1 перемещение вытеснительного поршня, ре- текущее давление в горячей полости.
Для удобства примем основным давлением в расчетах рс, тогда можно записать:
Ре = Рс + &Р, (2-59)
где Ар- перепад давления между горячей и холодной полостями ТМГ следствии гидравлического сопротивления теплообменных аппаратов.
Подставляя выражение (2.59) в уравнение (2.58) получим:
М0^~ = -К0{хв+хс) + А0Ар. (2.60)
Уравнение движения для корпуса ТМГ:
Мс~Г^Ар(Рс+АР-Рв)-Кр(хр+хс)-Ко(хс+хо)-Срс(~ + ~-)- (2.61)
Ш Ш ш
Решение данных уравнений базируется на изотермической модели, это необходимо для получения выражений в замкнутой форме, с целью
дальнейшего анализа влияния различных параметров рабочего процесса и
конструкции на выходные характеристики ТМГ.
Для заданной геометрии двигателя, рабочего тела и температур, давление газа есть функция изменения объемов, а они в свою очередь функции движения поршня, вытеснителя и корпуса, то можно записать:
р = /(хр,хи,хс) (2.62)
Изотермический анализ не учитывает градиент давления, тем не менее, он сильно влияет на динамику термомеханического генератора. Перепад давления является основной причиной, которая вызывает изменение фазы между вытеснителем и поршнем, и изменение амплитуды вытеснителя, что
значительно влияет на характер протекания рабочего процесса. Таким
образом, для учета их влияния необходимо принять градиент давления во