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
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
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.
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
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
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
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.
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).
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) http://www.kmciso.ps.pl