Модель расчета теплового накопителя двигателя Стирлинга при одновременном подводе и отводе энергии

• Автор: Вильдяева, Светлана Николаевна
• Шифр специальности: 05.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 117 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА В ОБЛАСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ТЕПЛОВЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

1.1. ИСТОЧНИКИ ТЕПЛОТЫ ДЛЯ СИСТЕМ НАГРЕВА ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА

1.2. Тепловой накопитель двигателя Стирлинга

1.3. Моделирование тепловых процессов в накопителе энергии

ГЛАВА II. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО НАКОПИТЕЛЯ С

ОДНОВРЕМЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ ПОДВОДА И ОТВОДА ЭНЕРГИИ

2.1. Введение

2.2. Допущения и ограничения
2.3. Системы уравнений в размерном виде
2.4. Введение безразмерных величин
2.5. Методика оценки режимов работы теплового накопителя
2.6. Решение систем уравнений
2.7. Расчет эксергетического коэффициента полезного действия
2.8. Достоверность предложенной модели расчета теплового накопителя
2.9. Выводы
ГЛАВА III. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ
3.1. Исследование влияния коэффициента направленности процесса на безразмерную скорость передвижения границы фазового перехода..
3.2. Исследование влияния коэффициента направленности процесса на безразмерные температуры
3.3. Исследование эксергетического коэффициента полезного действия.
3.4. Выводы
ГЛАВА IV. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРЕДЛАГАЕМОЙ МОДЕЛИ
4.1. Общее описание установки
4.2. Расчет параметров теплового накопителя для утилизационной энергетической установки
4.3. Рекомендации по проведенному расчету
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Развитие перспективных наземных, надледных и подводных энергетических установок (ЭУ) гражданского и военного назначения для условий Арктики в настоящее время связывается, в том числе, с применением в их составе двигателей с внешним подводом теплоты. При использовании ряда источников энергии существует проблема нестабильности параметров теплоты, подводимой к преобразователю, в частности, к нагревателю двигателя Стирлинга (ДС). Возможным решением данной проблемы является применение теплового накопителя (ТН) с фазоперходным (плавящимся) теплоаккумулирующим материалом (ТАМ) в составе системы нагрева ДС. Это позволяет стабилизировать уровень температур и снижает тепловую напряженность деталей нагревателя, что и обеспечивает падежную работу ЭУ в целом. В том числе - при кратковременном отсутствии поступления энергии от источника.
При минимуме информации на начальных этапах проектирования и большом количестве возможных вариантов реализации, необходимо располагать аналитическими моделями и методиками расчета для оценки эффективности проектируемых ТН, для выбора перспективного направления дальнейших расчетов. Решению этой задачи посвящено данное исследование, что подтверждает его актуальность.
Степень разработанности темы исследования. Обзор опубликованных работ по моделированию ТН с фазопереходными (плавящимися) ТАМ показал, что в настоящее время данная тема изучена в недостаточной степени. Так, хорошо известны работы В. Н. Богословского (1982 г.), А. Бежана (1990 г.), Э. В. Котенко (1996 г.), В. В. Шульгина (2004 г.) и др. авторов посвященные моделированию ТН. Процессы заряда, хранения теплоты и разряда в этих моделях рассматривались отдельно.
Однако, в целом ряде приложений, при непосредственной работе ТН ДС, наблюдается одновременный подвод к ТН и отвод от него энергии. Модели, по-

¥ и = Щ 'СР,І'
Вп -1п(1 + Вп)
Ад - (2 - Т^"1) + 1п(1 - ^М-)

(2.68)

где в (2.67) и (2.68):
Ац =(ТЫ-Тт)^с-Мс^с, (2.69)
Вц=(Гю-1)-^-^-^. (2.70)
3 случай
Теплоноситель ДС на входе в канал предварительно подогрет до Т(П (Тсц > 7)Л). Греющий теплоноситель, покидая ТН, охлаждается до температуры, близкой к температуре окружающей среды Т^5 (Тсо = т<к) (рисунок 2.5).
Тсц ТН і Е-? II г-ч О
ТСІІ _ ТСЮ ~ Тсі2^_

Рисунок 2.5 - Схема энергоустановки для 3-го случая
Для данного случая эксергия определяется зависимостями (2.58) для разряда и (2.59) для накопленной Для заряда:
= гкс ' срх ■1 ■ (Тсі ~ ТЖ - Тск ■1п ~) •

(2.71)
Используя формулы (2.44), (2.51) для предельных состояний ТН, эксерге-тический КПД примет вид для состояния заряда:
¥ ш = Щ ' 'срГ
Впг(2-Т-1)-1п(1 + ^-)
Тсі- 1-1п(Гс<)
(2.72)
и для состояния разряда:

Вш-1п(1 + --Ш) Чі
¥ш - тї ■ср,і-~=
(Тсі _ 1) • (2_ Т~ ) - п(Тсі)
(2.73)