035 4

1.4. GAZY ROBOCZE

Analizując zależności na sprawność i pracę obiegu teoretycznego i porównawczego można zauważyć, że oprócz parametrów konstrukcyjnych silnika pewną rolę odgrywają w nich również własności gazu roboczego, określone wykładnikiem, izen-tropy K oraz indywidualną stalą gazową R. Z analizy wzorów (1.11) i (1.24) wynika, że sprawność obiegu zwiększa się w miarę stosowania gazu o większym wykładniku izentropy jc. Największym wykładnikiem k = 1.66 dysponują gazy jedno-atomowe, do których należą wszystkie gazy szlachetne. Z kolei na podstawie wzorów (1.20) I (1.25) można zauważyć, że największą jednostkową pracę obiegu otrzymuje się w przypadku zastosowania gazu roboczego o możliwie największej indywidualnej stałej gazowej R. Spośród gazów technicznych największą stałą gazową wartości 4121.7 J/(kg-K) ma wodór, natomiast drugi w kolejności jest hel ze stałą R = 2079 J/(kg-K). Neon, jako następny z kolęi gaz szlachetny, dysponuje już znacznie mniejszą wartością R równą 411,7 J/(kg*K). Stąd, opierając się na przesłankach teoretycznych, najodpowiedniejszymi gazami roboczymi w obiegu Stirlinga są wodór i hel. Zastosowanie innych gazów technicznych może być zasadne z zupełnie innych względów. Na przykład tanie i powszechnie dostępne powietrze dysponuje indywidualną stałą gazową 287 J/(kg-K) oraz wykładnikiem izentropy k - 1.4.

W obiegach rzeczywistych, oprócz podanych już wyżej wielkości ic i R, pewną rolę odgrywają również inne własności gazu roboczego wpływające przede wszystkim na: straty strumienia ciepła wskutek oporów przepływu przez wymienniki ciepła i przecieków gazu z przestrzeni roboczej do otoczenia przez uszczelnienia, intensywność wymiany ciepła ze ściankami, masę gazu zawartego w przestrzeni roboczej, utlenianie elementów metalowych, zmianę własności wytrzymałościowych elementów konstrukcyjnych silnika oraz koszty eksploatacyjne.

Zgodnie z matematycznym ujęciem strat strumienia ciepła, przedstawionym w punkcie 3.2, różnorodny wpływ na te straty mają takie własności gazu jak: ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu c^, współczynnik przewodzenia ciepła A, współczynnik lepkości dynamicznej (u oraz gęstość p. Wszystkie te wielkości są ponadto funkcją ciśnienia i temperatury, co ilustrują dane zawarte w tablicy 1.2, zebrane dla trzech typowych gazów roboczych, tj. wodoru, helu i powietrza.

Na rysunku 1.15 przedstawiono wpływ rodzaju gazu roboczego na sprawność ogólną silnika Stirlinga, określony obliczeniowo przez Meijera [50]. Powyższe dane, jak również wyniki badań silników rzeczywistych wykazują, że największe wartości sprawności ogólnej osiągają one w przypadku zastosowania wodoru jako gazu roboczego. Na ten rezultat, oprócz wykładnika k. oraz stałej gazowej R, mają wpływ: mały współczynnik lepkości dynamicznej oraz korzystny współczynnik przewodzenia ciepła wodoru. Ponadto wodór jest gazem dość tanim i łatwo dostępnym w

39