Konspekt Obieg Ackeret-Kellera i lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga) podstawy teoretyczne i techniczne możliwości realizacji.

Transkrypt

1 Konspekt Obieg Ackeret-Kellera i lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga) podstawy teoretyczne i techniczne możliwości realizacji. Wykonała: KATARZYNA ZASIŃSKA Kierunek: Inżynieria Mechaniczno-Medyczna Studia/Semestr: Dzienne MGR/ II Przedmiot: Techniki niskotemperaturowe w medycynie

2 Spis treści: 1. Obiegi gazowe 2. Obieg Ackereta-Kellera i obieg Stirlinga 2.1 Zarys historyczny 2.2 Opis teoretyczny i zasada działania 2.3 Zalety 2.4 Zastosowanie 3. Lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga) 3.1 Opis teoretyczny i zasada działania 3.2 Zastosowanie 4. Literatura

3 1. Obiegi gazowe Obiegi gazowe realizowane są przez gazy doskonałe, rzadziej przez półdoskonałe. Przemiany gazów doskonałych odznaczające się szczególnie prostymi sposobami obliczania ciepła i pracy nadają się dobrze do tworzenia obiegów porównawczych, czyli uproszczonych odwzorowań procesów odbywających się w rzeczywistych urządzeniach działających cyklicznie. Istnieje szereg, historycznie ukształtowanych, obiegów odgrywających dużą rolę w technice. Są to obiegi porównawcze: tłokowych silników spalinowych, silników turbogazowych, silników z regeneracją ciepła oraz lewobieżny obieg porównawczy chłodziarki gazowej. 2. Obieg Ackereta-Kellera (ericsona) i obieg Stirlinga 2.1 Zarys historyczny 1816 r. Silnik Stirlinga jest tłokową maszyną roboczą pracującą w obiegu zamkniętym z dowolnym gazem roboczym (np. hel, wodór, neon, powietrze) oraz z regeneracją ciepła przy stałej objętości. Jedną z pierwszych wersji takiego silnika skonstruował i opatentował w 1816r. Robert Stirling, w którym jako gaz roboczy zastosował powietrze tzw. Silnik na gorące powietrze. Rys.1. Schemat oryginalnego silnika Stirlinga z 1816r 1941 r. J. A ckeret i C. Keller ich największym wynalazkiem była turbina gazowa z obiegiem zamkniętym.

4 2.2 Opis teoretyczny i zasada działania Obieg Ackereta-Kellera zwany też obiegiem Ericsona oraz obieg Stirlinga są obiegami gazowymi, prawobieżnymi z regeneracją ciepła. Obiegi prawobieżne z regeneracją ciepła charakteryzują się tym, że odpowiednio wykonane ogrzewanie sprężonego gazu ciepłem regeneracji Qr, pochodzącym z gazu rozprężonego, pozwala uzyskać większą pracę obiegu Lob. Ilość uzyskanej pracy Lob jest taka, jaką daje obieg zasilany powiększonym ciepłem Qd+Qr. Opisywane dwa obiegi z regeneracją ciepła wyróżniają się tym, że nie występuje w nich przemian adiabatyczna. Sprężanie i rozprężanie są w nich izotermiczne: T = const i w trakcie tych przemian ciepło jest doprowadzane qd i wyprowadzane qw z systemu realizującego obieg. Natomiast przemiany: izobaryczne P = const izochoryczne v = const Przemiany służą w całości do przenoszenia ciepła regeneracji qr. Rys.2. Obiegi bez przemian adiabatycznych z regeneracją ciepła a) Ackereta-Kellera (Ericsona); b) Stirlinga Zespół urządzeń realizujących obieg Ackellera-Kellera (Ericsona) z regeneracją ciepła przy P=const, Stirlinga z regeneracją ciepła przy V=const

5 Rys.3. Zespół urządzeń W systemie urządzeń realizujących obieg Ericsona występują dwie maszyny, których cylindry są tak intensywnie ogrzewane wzgl. chłodzone, że osiąga się niezmienność temperatury (i energii) odbywającego przemianę gazu: T = const. W regeneracyjnym wymienniku ciepła obydwa gazy przepływają bez zmiany ciśnień: P = const. W silniku Stirlinga regeneracja ciepła odbywa się przy stałej objętości V = const, ale nie w spoczynku. Przez odpowiednią kinematykę obu tłoków uzyskuje się stałość objętości gazu podczas przepływu przez porowatą masę regenerującą energię cieplną. 2.3 Zalety Silnik Stirlinga: wysoka sprawność cieplna, bardzo niski poziom hałasu, niezawodność uruchamiania, bardzo niski poziom emisji szkodliwych składników spalin, ogromna różnorodność źródeł energii cieplej

6 Rys.4. Silnik Stirlinga 2.4 Zastosowanie Silnik Stirlinga: - energetyka: stacjonarne i przenośne generatory energii elektrycznej, systemy skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej, systemy przetwarzania energii słonecznej; - przemysł samochodowy: napęd główny pojazdów samochodowych, hybrydowe zespoły napędowe pojazdów samochodowych; - przemysł morski: napęd okrętów podwodnych, pomocnicze zespoły napędowe i prądotwórcze, systemy utylizacji ciepła spalin wylotowych silników okrętowych, generatory do ładowania akumulatorów łodzi żaglowych, napęd małych robotów podwodnych; - przemysł kosmiczny: pomocnicze źródła energii w systemach elektroenergetycznych pojazdów kosmicznych; - medycyna: pompa sztucznego serca, urządzenia chłodnicze, klimatyzacyjne i kriogeniczne, pompy ciepła i pompy wodne - modelarstwo: napęd miniaturowych modeli pojazdów samochodowych, napęd miniaturowych modeli jednostek pływających; Obieg Ackereta-Kellera (Ericsona): w obiegach turbin gazowych

7 3. Lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga) 3.1 Opis teoretyczny i zasada działania W chłodziarkach Philipsa (Stirlinga) realizowany jest lewobieżny obieg termodynamiczny składający się z dwóch izoterm i dwóch izochor. Rys.5. Schemat idealnej chłodziarki Stirlinga, a - odwzorowanie obiegu w układach Ts oraz p-v; b - realizacja obiegu w chłodziarce z dwoma niezależnymi tłokami, regeneratorem R, oraz dwoma wymiennikami ciepła (qh2o - ciepło odprowadzane do otoczenia, q ciepło doprowadzane do chłodziarki od kriostatowanego obiektu. Chłodziarka składa się z cylindra, w którym umieszczono dwa tłoki. Pomiędzy tłokami znajduje się regenerator R. Komora znajdująca się z lewej strony regeneratora jest komorą ciepłą i jej temperatura wynosi To. Z komory tej do otoczenia odprowadzane jest ciepło oznaczone na rysunku umownie jako qh2o. Komora znajdująca się z prawej strony tłoka jest komorą zimną, znajduje się w temperaturze T i w trakcie pracy chłodziarki pochłania ciepło q.

8 Rys.6. Lewobieżny obieg philipsa (stirlinga) 3.2 Zastosowanie Lewobieżny obieg Philipsa: Jest on obiegiem porównawczym dla chłodziarki gazowej firmy Philips stosowanej do osiągania bardzo niskich temperatur (ok. 20 K, a w wykonaniu dwustopniowym nawet ok. 10 K).

9 4. Literatura 1) Chorowski M. Podstawy Kriogeniki, wykład 10 2) Grote, Antonsson Springer Handbook of Mechanical Engineering 3) Pudlik Wiesław Termodynamika 4) Staniszewski Bogumił Termodynamika 5) Szargut Jan Termodynamika techniczna 6)