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

Transkrypt

1 Obieg Ackeret-Kellera i lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga) - podstawy teoretyczne i techniczne możliwości realizacji. Wykonała: Anna Grzeczka Kierunek: Inżynieria Mechaniczno-Medyczna sem. II mgr Przedmiot: Techniki niskotemperaturowe w medycynie

2 Spis treści: 1. Obieg termodynamiczny gazowy 2. Obieg Ackeret- Kellera 2.1. Zasada działania 2.2. Zastosowanie 3. Lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga) 3.1. Zasada działania 3.2. Zastosowanie 4.Podsumowanie 5. Bibliografia

3 1.Obieg gazowy Obiegiem (cyklem) termodynamicznym nazywamy zespół kolejnych przemian, w wyniku których stan rozpatrywanego układu powraca do stanu początkowego. Geometrycznie obieg przedstawiany jest w postaci zamkniętej pętli [4]. Obiegi dzielimy przede wszystkim na odwracalne i nieodwracalne. Aby obieg był odwracalny musi składać się wyłącznie z przemian odwracalnych. Nieodwracalność, chociaż jednej przemiany czyni obieg nieodwracalnym [4, 10]. Obiegi zwykle przedstawiane są na wykresach p-v oraz T-s. Przedstawiane na wykresach pole ograniczone przemianami tworzącymi obieg reprezentują pracę i ciepło obiegu. Dwa omawiane przeze mnie obiegi są obiegami z regeneracją ciepła i wyróżniają się tym, że nie występuje w nich przemiana adiabatyczna. (przemiana w której zmieniają się parametry stanu gazu np. ciśnienie, objętość, temperatura, energia, entalpia). 2. Obieg Ericsona, zwany obiegiem Ackereta- Kellera Obieg Ackeret-Kellera jest to prawobieżny obieg gazowy z pełną regeneracją ciepła. Jest to teoretyczny obieg z wielostopniowym izotermicznym rozprężaniem i sprężaniem. W trakcie tych przemian ciepło jest doprowadzane i wyprowadzane z systemu realizującego obieg. Pozostałe przemiany ( izobaryczne; p = const) służą w całości do przenoszenia ciepła regeneracji urządzeń realizujących [3]. Obieg ten tworzą izotermy oraz izobary. Można go odwzorować w układzie T-s, który przedstawia rysunek 1.

4 Rys. 1 Obieg Ackeret-Kellera, sprężanie i rozprężanie gazu przyczyną wymiany ciepła. 2.1.Zasada działania W realizacji obieg Ackeret-Kellera zbudowany jest z dwóch cylindrów z tłokiem pełniącym funkcję sprężarki (rozprężarki). Są one połączone regeneracyjnym wymiennikiem ciepła. W wyniku ogrzewania i ochładzania gazu w wymienniku następuje wewnętrzna wymiana ciepła (niezmienność energii). W celu utrzymania stałej temperatury, podczas rozprężania intensywnie doprowadza się ciepło z zewnętrznego źródła. Przy spr ężaniu natomiast, ciepło jest odprowadzane do otoczenia. Na rys. 2 przedstawiono schematycznie system urządzeń realizujących ten obieg. Rys.2 Schemat urządzeń realizujących obieg Ericsona z regeneracją ciepła przy P = const,

5 Maszyny realizujące schemat mogą być również wirnikowe [Rys.3]. W regeneracyjnym wymienniku ciepła obydwa gazy przepływają bez zmiany ciśnień: P = const (niewielki spadek ciśnienia spowodowany oporami przepływu jest pomijalny). Rys.3 Zespół urządzeń realizujących obieg Ericsona Największą zaletą prezentowanego obiegu jest zapewne jego sprawność. Trudne jest utrzymanie stałej temperatury oraz ciśnienia podczas przemian. Jednak w miarę zwiększania liczby stopni sprężania oraz liczby stopni rozprężania, sprawność teoretycznego obiegu Ackereta-Kellera dąży do sprawności obiegu Carnota [3]. gdzie: T temperatura maksymalna To temperatura minimalna - Sprawność obiegu Carnota - moc obiegu Q- ciepło obiegu

6 2.2.Zastosowanie Obiegu Ackereta- Kellera (Ericsona) Głównym zastosowanie tego obiegu jest Silnik Ericsona. Tworzy go grupa silników z rozrządem i regeneracją ciepła przy stałym ciśnieniu [8]. W turbinie i sprężarce realizowane są przemiany izotermiczne. Regeneratorem jest przeponowy przeciwprądowy wymiennik ciepła. Kiedy mamy idealny przypadek, to wówczas ciepły strumień gazu z turbiny ochładza się w wymienniku ciepła do T min, a chłodny czynnik roboczy ze sprężarki podgrzewa się do temperatury T max. W obiegu Ericsona występują dwie maszyny, których cylindry są tak intensywnie ogrzewane względnie chłodzone, że osiąga się niezmienność temperatury (i energii) odbywającego przemianę gazu: T = const [6]. Rys.4 Obieg Ericsona zastosowany w turbinie gazowej

7 3. Lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga) Obieg Philipsa tworzą dwie izochory oraz dwie izotermy. Układ realizujący obieg składa się z dwóch cylindrów zamkniętych tłokami i połączonych regeneratorem ciepła. Wraz z ruchami tłoków następuje sprężenie i rozprężenie stałej objętości gazu. Przepchnięcie gazu przez wymiennik powoduje jego ogrzanie bądź ochłodzenie. Odwzorowanie obiegu Stirlinga w układzie T-s przedstawione jest na rysunku 5. Rys 5.Lewobieżny Obieg Philipsa (Stirlinga)

8 3.1. Zasada działania Cykl pracy takiego urządzenia dzieli się na 4 etapy opisane i zilustrowane poniżej: przejście 1-2 tłok gorący pozostaje nieruchomy, podczas gdy tłok zimny przesuwa się w lewo, jednocześnie sprężając gaz. Gaz przekazuje ciepło do chłodnicy, temperatura pozostaje stała. przejście 2-3 oba tłoki poruszają się jednocześnie w lewo z tą samą prędkością. Objętość gazu pozostaje stała. Gaz przepływa przez regenerator do przestrzeni gorącej pobierając ciepło, rośnie temperatura i ciśnienie. przejście 3-4 gaz w przestrzeni gorącej absorbuje energię ze źródła ciepła rozprężając się izotermicznie i przesuwając zimny tłok w lewo. Wykonywane jest wówczas praca mechaniczna. przejście 4-1 oba tłoki poruszają się w prawo, objętość gazu pozostaje stała. Gaz przepływa przez regenerator do przestrzeni zimnej oddając ciepło, spada jego temperatura i ciśnienie [7]. Rys.6 Praca tłoków w silniku Sterlinga

9 Efektywność teoretycznego obiegu Philipsa jest taka sama jak Carnota. Czyli również jest porównywalna z obiegiem idealnym. Wszystkie inne obiegi mają niższy współczynnik wydajności [1, 2]. gdzie: T temperatura maksymalna To temperatura minimalna - Sprawność obiegu Carnota - Sprawność obiegu Philipsa 3.2. Zastosowanie Lewobieżny obieg Sterlinga realizowany jest w chłodziarkach. Jest on obiegiem porównawczym dla chłodziarki gazowej firmy Philips stosowanej do osiągania bardzo ni skich temperatur (ok. 20 K, a w wykonaniu dwustopniowym nawet ok. 10 K). [3] W silniku Stirlinga obieg jest prawobieżny. W silniku Stirlinga regeneracja ciepła odbywa się przy stałej objętości V = const, ale nie w spoczynku, lecz przez odpowiednią kinematykę obu tłoków uzyskuje się stałość objętości gazu podczas przepływu przez porowatą masę regenerującą energię cieplną. Rys.7Zastosowanie obiegu Stirlinga- Silnik i chłodziarka

10 4.Podsumowanie Oba przedstawione obiegi są cyklami odwracalnymi, można dzięki nim zrealizować urządzenie chłodzące jak i silnik. Oba obiegi mają pełną regenerację ciepła. Ich sprawność dąży do sprawności obiegu Carnota, są one jednak prostsze do zrealizowania w rzeczywistości. Działanie obu obiegów polega na izotermicznym sprężaniu i rozprężaniu gazu. Jedyną różnicą jest izobaryczne grzanie i chłodzenie w przypadku obiegu Ackereta- Kellera oraz izochoryczne grzanie i chłodzenie dla lewo bieżnego obiegu Philipsa. Obecnie obszarem zastosowań przedstawionych obiegów jest zarówno energetyka, jak i przemysł kosmiczny, samochodowy, medyczny, morski oraz produkcja urządzeń kriogenicznych, chłodniczych i klimatyzacyjnych. 5. Bibliografia 1. Chorowski M., Kriogenika i Chłodnictwo, konspekty do wykładów 2. Chorowski M., Podstawy Kriogeniki, konspekty do wykładu 3. Pudlik W., Termodynamika, Gdańsk Targański W., Techniki niskotemperaturowe, wykład 6. Paska J., Elektrownie z turbinami gazowymi 7. Paska J., Energetyka rozproszona z wykorzystaniem silników tłokowych, turbin i mikroturbin gazowych oraz silników Stirlinga 8. Żmudzki S., Silniki Stirlinga, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa Smołka J., Technika cieplna II (Tłokowe silniki spalinowe), wykład 10 /pliki_haslo/.../wykład%202.doc