Циклы Брайтона, Эриксона, Стирлинга
Абраменко И.А.
ФГАОУ ВО «Уральский Федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург, Свердловская обл.
В данной работе, на основе литературных данных, рассмотрены основные особенности термодинамических циклов Карно, Стирлинга, Эриксона и Брайтона и проведено их сопоставление. Сделан анализ их основных достоинств и недостатков. Представлены области применения в современной технике тепловых машин, разработанных на основе каждого из циклов.
Ключевые слова: циклы Стирлинга, Эриксона и Брайтона, тепловые машины, термодинамические циклы, энергетика, термодинамика, КПД.
CYCLES OF BRIGHTON, ERICKSON, STIRLING
Abramenko I.A.
Ural Federal University named after the First President of Russia B.N. Yeltsin, Yekaterinburg, Sverdlovsk Region.
In this paper, based on the literature data, the main features of the thermodynamic cycles of Carnot, Stirling, Erickson, and Brighton are considered, and their comparison is carried out. The analysis of their main advantages and disadvantages is made. The areas of application in modern technology of thermal machines developed on the basis of each of the cycles are presented.
Keywords: Stirling, Erickson and Brighton cycles, thermal machines, thermodynamic cycles, power engineering, thermodynamics, efficiency.
Введение
Как известно из термодинамики, максимальный коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины достигается в процессе реализации цикла Карно, состоящего из двух изотермических и двух адиабатных процессов.
В то же время известны и применяются в различных современных технических устройствах другие типы циклов, используемых при работе тепловых машин, позволяющие достигать таких же, как и в цикле Карно, величин КПД.
В связи с этим представляется интересным рассмотрение тепловых машин, использующих отличные от цикла Карно процессы снятия энергии такие как циклы Стирлинга, Эриксона и Брайтона, а также систематизировать информацию о данных системах, выявить их достоинства и недостатки, определить области их применения в современном мире и, возможно, пути их дальнейшего совершенствования в наш век энергосберегающих технологий, бурного развития энергетических установок и автомобильного транспорта.
Цикл Стирлинга
Цикл Стирлинга — это термодинамический цикл, описывающий рабочий процесс тепловой машины Стирлинга. На рисунке 1 представлена T–V диаграмма идеального цикла Стирлинга с регенератором.
Термический КПД идеального цикла Стирлинга равен КПД цикла Карно:
| 
|
Достигнутая эффективность современных машин Стирлинга составляет в диапазоне 65-75% от эффективности по циклу Карно. [13]
Метод Шмидта [11,13]
На первом этапе разработки любого типа двигателей проводится первичный оценочный анализ, для чего применяются упрощённые расчётные модели. Наиболее простой моделью является модель Шмидта.
Шмидт, используя представление о гармоническом движении поршней и остальных узлов, оставил без изменения другие допущения:
равенство мгновенного давления в любой точке объема,
идеальная регенерация,
изотермичность расширения и сжатия,
мгновенное изменение температуры газа, попадающего в соответствующую камеру,
идеальный газ в качестве рабочего тела.
Применение данной модели позволяет выявлять зависимости безразмерных параметров, характеризующих производительность цикла 
от безразмерных параметров, характеризующих конструктивные особенности процесса, его режим, или состояние 
.
На рисунке 2 представлена форма цикла и значение безразмерной работы при определённых значениях параметров, полученная в приближении Шмидта. На основе этого и других результатов проводится анализ и оптимизация двигателя.
Переменные 
- объёмы расширения, сжатия и мёртвый объём соответственно;
δ - отставание по фазе поршня сжатия от поршня расширения