Рис. 1. Принципиальная схема газо-
вого контура:
1
— рабочее тело;
2
и
3
— компрессорная
и детандерная ступени;
4
— электродви-
гатель;
5
— регенератор;
6
— теплооб-
менник
ступень,
детандерная ступень,
электродвигатель), регенератор и
концевой теплообменник, от кото-
рого тепловая энергия отдельным
контуром передается к РТО.
Температура газа на входе га-
зонагревателя (нижняя температу-
ра цикла) в рамках выполненных
исследований принималась равной
345 K, температура на выходе из
компрессора (верхняя температура
цикла), достигнутая в ходе выпол-
ненных расчетно-конструкторских
проработок, составила 607 K. Те-
пловая мощность, передаваемая в
контуре, составляет 100 кВт. При этом давление на входе в компрес-
сор равно 0,9МПа, на выходе из компрессора — 1,13МПа.
В настоящих исследованиях были рассмотрены следующие рабо-
чие тела: гелий, смесь гелия и ксенона (11,6% масс. Не и 88,4%
масс. Хе,
M
= 28
), аргон, неон, ксенон, криптон. Наиболее опти-
мальный из них выбирался с учетом следующих соображений. Азот
(аналог гелий-ксеноновой смеси) как рабочее тело не рассматривался
в настоящих исследованиях, поскольку данный газ не рассчитан на
системы с длительным периодом эксплуатации, потому что азот ре-
агирует с конструкционными материалами, используемыми в тепло-
обменных аппаратах теплового насоса, в результате чего происходят
нежелательные реакции с образованием нитридов. Например, реакция
азота и ванадия с образованием нитрида ванадия:
2V + N
2
= 2VN
.
Минимальные массогабаритные характеристики теплообменного
оборудования и турбомашины ТН достигаются повышением числа
оборотов ротора турбомашины, снижением потерь в газовом контуре и
снижением энергозатрат на прокачку рабочего тела, а также повыше-
нием эффективности теплообменного оборудования. Перечисленные
параметры во многом определяются характеристиками используемого
в контуре газа, а именно его теплоемкостью и молекулярной массой.
Для каждого из рассмотренных газов был рассчитан термоди-
намический цикл (рис. 2), были определены расходы газа, а также
размеры рабочих колес турбокомпрессора и скорость вращения ва-
ла компрессорно-детандерного турбоагрегата. Основные результаты
расчетных исследований представлены в таблице. Причем эффектив-
ность теплообменного оборудования в первом приближении может
оцениваться по теплоемкости используемого в нем газа.
147
1 3