Кіріспе
Термодинамикалық цикл, негізгі Стирлинг қозғалтқышын қамтиды, адиабатикалық Стирлинг циклы.
the adiabatic Stirling cycle
The Stirling cycle is a thermodynamic cycle that describes the general class of Stirling devices. This includes the original Stirling engine that was invented, developed and patented in 1816 by Robert Stirling with help from his brother, an engineer. The ideal Otto and Diesel cycles are not totally reversible because they involve heat transfer through a finite temperature difference during the irreversible isochoric/isobaric heat addition and heat rejection processes. The irreversibility renders the thermal efficiency of these cycles less than that of a Carnot engine operating within the same limits of temperature. Another cycle that features isothermal heat addition and heat rejection processes is the Stirling cycle, which is an altered version of the Carnot cycle in which the two isentropic processes featured in the Carnot cycle are replaced by two constant volume regeneration processes. The cycle is reversible, meaning that if supplied with mechanical power, it can function as a heat pump for heating or cooling, and even for cryogenic cooling. The cycle is defined as a closed regenerative cycle with a gaseous working fluid. "Closed cycle" means the working fluid is permanently contained within the thermodynamic system. This also categorizes the engine device as an external heat engine. "Regenerative" refers to the use of an internal heat exchanger called a regenerator which increases the device's thermal efficiency. The cycle is the same as most other heat cycles in that there are four main processes: compression, heat addition, expansion, and heat removal. However, these processes are not discrete, but rather the transitions overlap. The Stirling cycle is a highly advanced subject that has defied analysis by many experts for over 190 years. Highly advanced thermodynamics is required to describe the cycle. Professor Israel Urieli writes: " the various 'ideal' cycles (such as the Schmidt cycle) are neither physically realizable nor representative of the Stirling cycle". The analytical problem of the regenerator (the central heat exchanger in the Stirling cycle) is judged by Jakob to rank "among the most difficult and involved that are encountered in engineering".
Стирлинг циклы – Стирлинг құрылғыларының жалпы класын сипаттайтын термодинамикалық цикл. Ол 1816 жылы Роберт Стирлинг өзінің ағасының көмегімен өнертап, дамытып, патент алған алғашқы Стирлинг қозғалтқышын қамтиды. Идеалдық Отто және Дизель циклдары толығымен қайтымды емес, себебі олар кері қайтымсыз изохоралық/изобарикалық жылу қосу және жылуды қабылдамау процестері кезінде шекті температура айырмашылығы арқылы жылу алмасуды қамтиды. Бұл кері қайтымсыздық осы циклдардың жылу тиімділігін бірдей температура шегінде жұмыс істейтін Карно қозғалтқышынан төмендетеді. Изотермиялық жылу қосу және жылу шығару процестерін қамтитын тағы бір цикл – Стирлинг циклы, ол Карно циклының өзгеше түрі болып табылады, онда Карно циклындағы екі изоэнтропиялық процесс екі тұрақты көлемді регенерациялық процесспен алмастырылады. Цикл қайтымды, яғни механикалық қуатпен жабдықталғанда, ол жылу немесе салқындату үшін жылу сорғысы ретінде, тіпті криогендік салқындату үшін де жұмыс істей алады. Цикл – газ тәрізді жұмыс сұйықтығы бар жабық регенерациялық цикл ретінде анықталады. "Жабық цикл" дегеніміз – жұмыс сұйықтығы термодинамикалық жүйеде тұрақты түрде сақталады. Бұл сондай-ақ қозғалтқыш құрылғысын сыртқы жылу қозғалтқышы ретінде жіктейді. "Регенерациялық" – құрылғының жылу тиімділігін арттыратын регенератор деп аталатын ішкі жылу алмастырғышты пайдалануды білдіреді. Цикл басқа жылу циклдарымен ұқсас, себебі төрт негізгі процесс бар: сығылу, жылу қосу, кеңею және жылуды алу. Алайда, бұл процестер дискретті емес, керісінше, өтулер бірімен-бірі үйлеседі. Стирлинг циклы – өте күрделі тақырып, ол 190 жылдан астам уақыт бойы көптеген сарапшылардың талдауларына қарсы тұрды. Циклды сипаттау үшін жоғары деңгейдегі термодинамика қажет. Профессор Израиль Уриэли былай деп жазады: " әртүрлі "идеалдық" циклдар (мысалы, Шмидт циклы) физикалық жағынан жүзеге асырылмайды және Стирлинг циклын көрсете алмайды". Регенератордың (Стирлинг циклының орталық жылу алмастырғышы) талдау мәселесі, Якобтың пікірінше, "инженерлік салада кездесетін ең қиын және күрделі мәселелердің бірі" болып саналады.
the adiabatic Stirling cycle
The Stirling cycle is a thermodynamic cycle that describes the general class of Stirling devices. This includes the original Stirling engine that was invented, developed and patented in 1816 by Robert Stirling with help from his brother, an engineer. The ideal Otto and Diesel cycles are not totally reversible because they involve heat transfer through a finite temperature difference during the irreversible isochoric/isobaric heat addition and heat rejection processes. The irreversibility renders the thermal efficiency of these cycles less than that of a Carnot engine operating within the same limits of temperature. Another cycle that features isothermal heat addition and heat rejection processes is the Stirling cycle, which is an altered version of the Carnot cycle in which the two isentropic processes featured in the Carnot cycle are replaced by two constant volume regeneration processes. The cycle is reversible, meaning that if supplied with mechanical power, it can function as a heat pump for heating or cooling, and even for cryogenic cooling. The cycle is defined as a closed regenerative cycle with a gaseous working fluid. "Closed cycle" means the working fluid is permanently contained within the thermodynamic system. This also categorizes the engine device as an external heat engine. "Regenerative" refers to the use of an internal heat exchanger called a regenerator which increases the device's thermal efficiency. The cycle is the same as most other heat cycles in that there are four main processes: compression, heat addition, expansion, and heat removal. However, these processes are not discrete, but rather the transitions overlap. The Stirling cycle is a highly advanced subject that has defied analysis by many experts for over 190 years. Highly advanced thermodynamics is required to describe the cycle. Professor Israel Urieli writes: " the various 'ideal' cycles (such as the Schmidt cycle) are neither physically realizable nor representative of the Stirling cycle". The analytical problem of the regenerator (the central heat exchanger in the Stirling cycle) is judged by Jakob to rank "among the most difficult and involved that are encountered in engineering".
Пісте қозғалысының өзгеруі
Термодинамиканың көптеген оқулықтары Стирлинг циклінің төрт процестен тұратын өте қарапайым түрін сипаттайды. Бұл "идеалдық Стирлинг циклі" деп аталады, себебі бұл "идеалданған" модель, және міндетті түрде оңтайландырылған цикл емес. Теориялық тұрғыдан алғанда, "идеалдық цикл" жоғары таза жұмыс шығымына ие, бірақ ол практикалық қолданыстарда сирек қолданылады, өйткені басқа циклдар қарапайым немесе подшипниктер мен басқа компоненттердегі максималды кернеулерді азайтады. Ұңғымы үшін конструктор механикалық байланыс механизмдері сияқты жүйе динамикасымен анықталатын поршеньдік қозғалыстарды пайдалануды қалауы мүмкін. Қалай болғанда да, тиімділік және цикл қуаты идеалды жағдайдың нақты іске асырылуымен шамалас. "Кинематикалық" деп аталатын конструкциядағы әдеттегі поршеньді кривошип немесе байланыс көбінесе поршеньнің дерлік синусоидальды қозғалысына әкеледі. Кейбір конструкциялар поршенді қозғалыстың екі шегінде де "тоқтатуға" мәжбүрлейді. Көптеген кинематикалық байланыстар, мысалы, жақсы белгілі "Росс тіреуі", дерлік синусоидальды қозғалыс көрсетеді. Дегенмен, "ромбтық жетек" сияқты басқа байланыстар синусоидальды емес қозғалысты көбірек көрсетеді. Идеал цикл шамалы қиындықтар тудырады, себебі ол поршеньнің біршама жоғары үдеуін және жұмыс сұйықтығының жоғары тұтқырлықты сору шығындарын қажет етеді. Алайда, оңтайландырылған қозғалтқыштағы материалдық кернеулер мен сору шығындары тек "идеал циклға" жақындағанда және/немесе жоғары циклдік жиіліктерде ғана төзбейді. Басқа мәселелерге жылу беру үшін қажетті уақыт, әсіресе изотермиялық процестер жатады. Циклы "идеал циклға" жақын қозғалтқышта, осы мәселелерді шешу үшін цикл жиілігін төмендету қажет болуы мүмкін. Бос поршеньді құрылғының ең қарапайым моделінде кинематика қарапайым гармоникалық қозғалысқа әкеледі.
Көлемнің өзгеруі
Бета және гамма қозғалтқыштарында поршень қозғалыстары арасындағы фазалық бұрыш айырмашылығы көлем өзгерістерінің фазалық бұрышынан әдетте өзгеше болады. Ал альфа-Стерлинг қозғалтқышында олар бірдей. Мақаланың қалған бөлігінде синусоидты көлем өзгерістері қарастырылады, мысалы, бір сызықта орналасқан поршеньдері бар альфа-Стерлинг, осыған байланысты "қарсы поршеньді" альфа құрылғысы деп аталады. Ескерту: Бұл мақаладағы көптеген қателіктердің ішінде жоғарыда бір сызықты альфа конфигурациясы туралы айтылған. Бірақ мұндай конфигурация бета болып табылады. Басқаша айтсақ, бұл альфа болуы мүмкін, бірақ оның байланыс жүйесі тиімсіз болады.
Бөлшектердің/массалардың қозғалысы
2-суретте газдың нақты Стирлинг қозғалтқышы арқылы қалай ағатындығын көрсететін траекториялық сызықтар көрсетілген. Түсті тік сызықтар қозғалтқыштың көлемдерін белгілейді. Солдан оңға қарай: кеңейту (қуат) поршенінің қозғалыс көлемі, клиренс көлемі (поршеньнің ыстық жылу алмастырғышымен жанасуына жол бермейді), жылытқыш, регенератор, салқындатқыш, салқындатқыш клиренс көлемі және қысым поршенінің қозғалыс көлемі.
Жылу алмастырғыштың қысымның төмендеуі
"Сору шығындары" деп те аталатын, 3-суретте көрсетілген қысымның төмендеуіне жылу алмастырғыштар арқылы тұтқыр ағын себеп болады. Қызыл сызық қыздырғышты, жасыл – регенераторды, көк – салқындатқышты көрсетеді. Жылу алмастырғыштарды дұрыс жобалау үшін қабылданатын ағын шығындарымен жеткілікті жылу алмасуды қамтамасыз ету үшін көп өлшемді оңтайландыру қажет. Мұнда көрсетілген ағын шығындары салыстырмалы түрде төмен, және олар циклдағы жалпы қысым өзгерістерін көрсететін келесі суретте жақсы көрінбейді.
Қысым мен бұрышты бұрышты
4-суретте идеалды емес жылу алмастырғыштармен жүргізілген "адиабатикалық есептеудің" нәтижелері көрсетілген. Регенератор арқылы қысымның төмендеуі циклдегі жалпы қысым өзгерісімен салыстырғанда өте төмен екенін ескеріңіз.
Температура мен бұрышты бұрышты
5-суретте нақты жылу алмастырғыштың адиабатикалық қасиеттері көрсетілген. Тіке сызықтар жылу алмастырғыштың қатты бөлігінің температурасын, ал қисық сызықтар тиісті кеңістіктердегі газ температурасын көрсетеді. Газ температурасының өзгеруі қозғалтқыштағы қысым мен кеңеюдің әсерінен, сондай-ақ жылу беру жылдамдығы шектеулі болғандықтан идеалды емес жылу алмастырғыштардың салдарынан туындайды. Газ температурасы жылу алмастырғыштың температурасынан жоғары немесе төмен ауытқанда, "жылу беру жоғалтулары" немесе "гистерезис жоғалтулары" деп аталатын термодинамикалық жоғалтулар пайда болады. Дегенмен, жылу алмастырғыштар жеткілікті жақсы жұмыс істейді, тіпті жүйенің нақты жылу тиімділігі теориялық шектің шамамен жартысына ғана тең болса да, нақты циклдың тиімді болуына мүмкіндік береді.
Жинақталған жылу және жұмыс энергиясы
6-суретте "Q" жылу энергиясын, ал "W" жұмыс энергиясын көрсететін альфа типіндегі Стирлинг қозғалтқышының деректерінің графигі көрсетілген. Көк нүктелі сызық қысылу кеңістігінің жұмыс атқаруын көрсетеді. Сызық төмен түскенде, газ қысылғанда оған жұмыс жасалады. Циклдың кеңею процесінде, кері поршеньге жұмыс жасалады, бұл сызықтың жоғары қарай жылжуынан көрінеді. Циклдың соңында бұл көрсеткіш теріс болады, яғни қысым поршеніне жұмыс енгізу қажет. Көк тұтас сызық салқындатқыштан шығатын жылуды көрсетеді. Салқындатқыштан шыққан жылу және қысым поршенінен алынған жұмыс бір циклдық энергияға тең. Бұл регенератордың (қатты жасыл сызық) таза жылу беруінің жоқтығымен сәйкес келеді. Күтілгендей, жылытқыш пен кеңею кеңістігінің екеуі де оң энергия ағынына ие. Қара нүктелі сызық циклдың таза жұмыс атқаруын көрсетеді. Бұл сызықта цикл бастағаннан жоғары аяқталады, яғни жылу қозғалтқышы жылу энергиясын жұмысқа түрлендіреді.