Введение к работе
Актуальность пробплт. Пркменечие тепловых машин в современной технике обладает разнообразием и имеет большую истории развития. Наряду с различными двигателями внутреннего сгорания, генераторами пара (паровые машины и турбины) и газа (газовые двигатели и турбины) имеется класс, тепловьх гэзоеых поршневых машин внешнего нагревания, разнообразных по кинематическим схемам и рабочему телу, реализующих так называемый тщкл Стирлинга - магашы Стирлинга. Их изобретение относится к началу 19 века и связано с именем шотландского ученого,.инженера и государственного деятеля Роберта Стирлинга.
В своем развитии кроме применения машин Стирлинга в качестве даигателей широкое применение они находят как холодильные машины и тепловые нзсосы , трапспортирухщие тепло с одного температурного уровня на другой. Следует отметить перспективность этог^ направления развития в связи с тем, что применение такой схемы дает возможность отказаться от использования фреонов. Необходимость отказа от фреона связан с проблемами защиты окружающей среды.
Особый интерес представляет применение мэтсш Стирлинга в реаи-ме тепловых насосов, использование их для отопления зданий в холодное время года. При этом достигается экономия топлива и электроэнергии, так как значительная часть тепла бэрется из окружающей среда (водоема, воздуха,земли).
Изучении машин Стирлинга посвяшены работы в основном американских и западноевропейских авторов. Классической, относящейся к 1871 г., является работа Г.Шмидта. В нашем вехе изучению этих машин посвящены работы Г.Ускера, Т.Фіінкеліштейна, У.Била, Г.Ридера, Ч.Хупера и др.. Библиографии по этой теме насчитывают около тысячи источников, среди которых очень мало из России.
Целью работы является выбор рабочих параметров динамический схем свободнопоршневых машин, работающие по циклу Стирлинга в режиме холодильных машин и тепловых насосов.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач.
I. Выбор динамической схемы свободношршневоя машины из нескольких вариантов различной структурной сложности.
-
Математическое описание динашки'свабоднопоршневой расширительной машины с учетом термодинамических закономерностей.цикла Стирлинга.
-
Использование системы аналитических вычислений reduce для автоматизированного решения систем дифферециальных уравнений на ПЭВМ.
4. Выбор параметров динамических схем, обеспечивалцих реали
зации термодинамического цикла Стирлинга на основе метода исследо
вания пространства параметров.
Методы исследований..Научные положения в диссертационной работе сформулированы на основе' анализа v.- обобщения данных научнотехничес-кой литературы. Для' проведения исследований использованы и применены современные достижения физико-технических наук и вычислительнной математики:составление и решение на ПЭВМ дифференциальных уравнений с использованием систамы аналитических вычислений reduce (CAB "Редь-юси) и метод исследования пространства параметров как аппарат синтеза параметров динамических схем свободнопоршневых машин Стирлинга. ,
Научная иовлзна состоит в:
рассмотрении способа организации упругих связей между поршнем и вытеснителем свободнопоршневой машины с помощью дополнительных газовых объемов, а также путем магнитной связи.
определении из кинематических соотношений идеального цикла Стир-линга требуемых фазовых углов при гармоническом режиме.
методике выбора основных механических характеристик свободнопоршневой схемы в режиме холодильной машины.
определении, применительно к холодильной машине и тепловому насосу, базовых характеристик эффективности теплового насоса и связанных с термодинамическими характеристиками устройств теплообмена.
изложении динамических схем для описания работы свободнопоршневой машины в режиме холодильной машины, предусматриваодих использование внешнего вибратора.
составлении дифференциальных уравнений движения представленных схем и их решении на основе матричных методов.
использовании CAB reduce для получения основных аналитических формульных соотношений, необходимых для расчета основных характе-
РОССИЙСКАЯ ГОСУДЛРГ. -. -.кмля
ристик и решения задачи динамического синтеза.
постановке и решении задачи синтеза параметров своОоднопорсневой машины Стирлинга на основе метода исследования пространства параметров и получении набора допустимых решений, которые пркзодят к динамическим режимам, реализующим термодинамический цикл Стирлинга.
анализе результатов динамического синтеза при сравнении трех рассмотренных моделиа по затрачиваемой мощности на полезную нагрузку и организацию взаимного движения корпуса, поршня и вытеснителя.
Практическое значение и внедрение результатов работы. Применение магнитной связи ыевду поршнем и вытеснителем позволяет отказаться от автономных газовых пружин, применяемых в свободнопоршевых машинах и представляет перспективное направление в области создания машин нового типа, работающих по циклу Стерлинга. Трехмассовая, четырехмассовзя и двухмассовая схемы свободнопор-иневой машины Стирлинга, рассмотренные в диссертации, поэвоволили определить возможные пути создания динамических схем, которые методами вибрационой техники реализуют термодинамический цикл Стерлинга.
Апробация. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах лаборатории динамика машин и перспективных тепловых систем и лаборатории исследования и разработки средств виОрозащиты человека-оператора, а также на заседании Секции Ученого Совета отдзла биомеханики "человек - машина - среда". Материалы работы докладывались на 2-ой Всесоюзной конференции по нелинейным колебаниям в г. Никнем Новгороде в сентябре 1990 г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из четырех глав и заключения, включающего основные результаты и выводы.
