POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE OBIEG ACKERET- KELLERA I LEWOBIEŻNY OBIEG PHILIPSA(STIRLINGA)- podstawy teoretyczne i techniczne możliwości realizacji. Anna Siuchnińska inż. mechaniczno- medyczna rok akademicki: 2012/2013 GDAŃSK 2013

Spis treści 1. Obieg termodynamiczny gazowy...3 2. Chłodziarki z regeneracją ciepła...3-4 3. Obieg Ackeret- Kellera 3.1. Opis teoretyczny i zasada działania...4-6 3.2. Zastosowanie...6 4. Lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga) 4.1. Opis teoretyczny i zasada działania...7-8 4.2. Zastosowanie...9-12 5. Podsumowanie...13 6. Bibliografia...14 2

1. Obieg termodynamiczny gazowy Obieg termodynamiczny gazowy jest cyklem kolejnych (następujących po sobie) przemian, po wykonaniu których układ powraca do stanu początkowego. W przypadku obiegu gazowego to gaz podlega przemianom bez zmian stanu skupienia. Zazwyczaj obiegi składają się z przemian, w których ciepło jest doprowadzane i przemian adiabatycznych pomiędzy nimi, podczas których ciepło jest wyprowadzane. W przypadku obiegu Ackeret- Kellera i Stirlinga nie występuje przemiana adiabatyczna. Każdy z tych obiegów jest obiegiem gazowymi z regeneracją ciepła, w których sprężanie i rozprężanie są izotermiczne (doprowadzanie i wyprowadzanie ciepła), a do przenoszenia ciepła regeneracji służą przemiany izobaryczne i izochoryczne. Przemiany w obiegach mogą postępować po sobie zgodnie z ruchem wskazówek zegara- taki obieg nazywamy obiegiem prawobieżnym lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara- mówimy wtedy o obiegach lewobieżnych. Oba opisane obiegi mogą być zarówno realizowane jako obiegi prawobieżne (silniki) jak i lewobieżne (chłodziarki). 2. Chłodziarki z regeneracją ciepła W chłodziarkach z regeneracyjnymi wymiennikami ciepła wstępne obniżenie temperatury gazu zachodzi w regeneratorze. 3

Rys.1. Zasada działania regeneratora [1] Przez regenerator gaz przepływa cyklicznie raz w jednym, raz w drugim kierunku. W trakcie przepływu przez regenerator ciepły gaz będący pod wysokim ciśnieniem oziębia się, następnie przechodzi przemianę, w której jego temperatura jeszcze bardziej obniża się i ponownie przepływając przez regenerator ogrzewa się, oziębiając równocześnie wypełnienie regeneratora. Regeneratory pracują zawsze w sposób niestacjonarny. Wypełnieniem regeneratora powinien być materiał porowaty o dużej pojemności cieplnej. W temperaturach bliskich temperaturze zera bezwzględnego pojemności cieplne wszystkich materiałów dążą do zera. Stąd istnieją materiałowe trudności budowy regeneratorów przeznaczonych do pracy w temperaturch niższych od 10 K. Trudność tę pokonano stosując do budowy regeneratorów materiały magnetyczne, w których przemiana namagnesowania zachodzi w bardzo niskich temperaturach. Obecnie chłodziarki gazowe z regeneratorami osiągają temperatury rzędu kilku K. 3. Obieg Ackeret- Kellera 3.1. Opis teoretyczny i zasada działania Układ realizujący obieg Ackeret-Kellera (czasem nazywany obiegiem Ericssona) składa się z dwóch ożebrowanych cylindrów z tłokiem pełniących funkcję sprężarki i rozprężarki, połączonych regeneracyjnym wymiennikiem ciepła. 4

Obieg tworzą dwie przemiany izotermiczne oraz dwie przemiany izobaryczne (ogrzewanie i ochładzanie gazu w wymienniku, następuje wewnętrzna wymiana ciepła). Podczas rozprężania w celu utrzymania stałej temperatury doprowadza się ciepło z zewnętrznego źródła, natomiast przy sprężaniu ciepło jest odprowadzane do otoczenia. Na rysunku poniżej przedstawiony jest układ realizujący obieg i odwzorowanie przemian w układzie T-s. Rys.2. Obieg Ackeret-Kellera [1] Sprawność teoretycznego obiegu jest zbliżona do sprawności obiegu Carnota, czyli obiegu idealnego o najwyższej sprawności. gdzie: ε A-K - sprawność obiegu A-K Q dop - ciepło doprowadzone N- moc obiegu T min - temperatura minimalna T max - temperatura maksymalna ε c - sprawność obiegu Carnota Qdop Tmin AK ε = = =ε c N T T max min 5

W rzeczywistości bardzo trudne jest utrzymanie izotermiczności i izobaryczności przemian, obieg deformuje się, a jego sprawność maleje. Jednak sprawność obiegu Ackeret-Kellera możemy zwiększyć przez wielostopniowe sprężanie i rozprężanie. W rozwiązaniach praktycznych liczba stopni sprężania z międzystopniowym ochładzaniem wynosi 2-4, a liczba stopni rozprężania na przekracza trzech. Sprawność netto takich układów dochodzi do 39%. 3.2. Zastosowanie Obieg Ackeret- Kellera znalazł swoje zastosowanie w obiegach turbin gazowych. Jest stosowany w silnikach Ericssona, w którym to w turbinie i sprężarce realizowane są przemiany izotermiczne, a wymiana ciepła następuje w przeponowym przeciwprądowym wymienniku ciepła. Cylindry obu maszyn są intensywnie grzane/ chłodzone, tak aby osiągnąć niezmienność temperatury odbywającego przemianę gazu: T = const. Natomiast w wymienniku ciepła gaz przepływa bez zmiany ciśnień: p =const. Rys.3. Teoretyczny obieg Ericssona Rys.4. Przekrój turbiny gazowej [7] w turbinie gazowej [7] 6

4. Lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga) 4.1. Opis teoretyczny i zasada działania Obieg Stirlinga tworzą dwie izotermy i dwie izochory, z tego powodu jest spośród silników cieplnych najbardziej zbliżony w działaniu do silnika Carnota, co pozwala na osiąganie większych sprawności teoretycznych niż w innych silnikach cieplnych. Układ realizujący obieg składa się z dwóch cylindrów zamkniętych tłokami i połączonych regeneratorem ciepła. Gaz cały czas wypełnia urządzenie. Wraz z ruchami tłoków następuje rozprężanie i sprężanie gazu, a przepchnięcie go przez wymiennik powoduje jego ogrzanie i ochłodzenie. Obieg teoretyczny Stirlinga przedstawiony jest na poniższych rysunkach: Rys.5. Lewobieżny obieg Philipsa [1] 7

Cykl pracy chłodziarki można podzielić na 4 etapy: 1-2- izotermiczne sprężenie gazu w komorze ciepłej; tłok lewy przesuwa się w prawo do punktu 2, tłok prawy pozostaje nieruchomy. W trakcie sprężania do otoczenia oddawane jest ciepło q, natomiast nad gazem zostaje wykonana praca sprężania równa lc. Objętość gazu zmienia się od v1 do v2. 2-3- izochoryczne oziębianie gazu w regeneratorze; Oba tłoki poruszają się równocześnie w prawo. Gaz jest przetłaczany przez regenerator, który jest zimny z poprzedniego cyklu. Temperatura gazu obniża się od To do T, a jego ciśnienie maleje. 3-4- izotermiczne rozprężanie gazu z wykonaniem pracy zewnętrznej; Tłok lewy pozostaje nieruchomy, natomiast tłok prawy porusza się w prawo wykonując pracę ekspansji gazu le. Temperatura gazu w komorze zimnej nie zmienia się na skutek dopływu ciepła q. 4-1- izochoryczne ogrzewanie gazu w regeneratorze. Oba tłoki poruszają się równocześnie w lewo. Gaz jest przetłaczany przez ciepły regenerator, ogrzewa się, jednocześnie wypełnienie regeneratora obniża swoją temperaturę. Ciśnienie gazu wzrasta. Po osiągnięciu przez oba tłoki lewego skrajnego położenia, cykl prac chłodziarki zostaje zakończony. Sprawność obiegu Stirlinga podobnie jak sprawność obiegu Ackeret- Kellera dąży do sprawności obiegu Carnota: ε ε = ε S = A K Natomiast sprawność egzergetyczna, czyli stosunek sprawności rzeczywistej do teoretycznej wynosi ok. 40%, co jest stosunkowo dużą wartością jak na urządzenie cieplne. 8 C

4.2. Zastosowanie Obieg Stirlinga zawdzięcza swoją nazwę szkockiemu inżynierowi Robertowi Stirlingowi, który to w 1816 roku opatetował silnik tłokowy ze spalaniem zewnętrznym, co oznacza, że do jego pracy można wykorzystać dowolne źródło ciepła, którym może być spalanie paliw, energia geotermalna, słoneczna lub jądrowa. Jako gaz roboczy zastosował powietrze, stąd silniki tego typu były nazywane silnikami na gorące powietrze. Jednak wynalazek Stirlinga nie został doceniony przez ówczesny świat. Było to najprawdopodobniej spowodowane przez względy technologiczne i materiałowe. Zasadnicze elementy silnika wykonywane byłe z żeliwa, które charakteryzowało się stosunkowo małą wytrzymałością. Niewielka sprawność i trudności w eksploatacji silnika Stirlinga wynikały z konieczności stosowania grubych ścianek żeliwnych, które stwarzały znaczny opór cieplny. Rys.6. Schemat oryginalnego silnika Stirlinga z 1816r. [8] 9

Do zalet silnika Stirlinga należy: - wysoka sprawność cieplna, - bardzo niski poziom hałasu, - niezawodność uruchamiania, - bardzo niski poziom emisji szkodliwych składników spalin, - ogromna różnorodność źródeł energii cieplej. Rys. 7. Schemat budowy silnika Stirlinga typu α i β [3] Sam silnik nigdy nie doczekał się uznania natomiast teoretyczny obieg cieplny opisujący procesy termodynamiczne próbowano wielokrotnie wykorzystywać w urządzeniach technicznych. Obieg należy do obiegów odwracalnych. Zmieniając tylko kolejność przemian termodynamicznych można zrealizować urządzenie będące chłodziarką lub silnikiem. Rys.8. (a) Silnik i (b) chłodziarka wykorzystujące obieg Stirlinga w klasycznym wykonaniu. [11] 10

Wraz z upływem czasu po rozwiązanie Stirlinga sięgało wiele firm na całym świecie m.in. w USA - General Motors Company, NASA, w Japoni- Toyota, Mitsubishi Electric Company, w Niemczech- Siemens. Często obieg nazywany jest obiegiem Philipsa, ponieważ ta holenderska firma jest jego głównym realizatorem. Philips po raz pierwszy użył do realizacji obiegu innych gazów roboczych, takich jak np. hel, wodór czy azot. Obieg Philipsa jest obiegiem porównawczym dla chłodziarki gazowej firmy Philips stosowanej do osiągania bardzo niskich temperatur (ok. 20 K, a w wykonaniu dwustopniowym nawet ok. 10 K). Rys.9. Chłodziarki Stirlinga z harmonicznym ruchem tłoków, a, b, c, d - schematy konstrukcyjne chłodziarek, e - przykładowe odwzorowania obiegów w układach T-s oraz p-v; 1 - tłok sprężający, 2 -wymiennik ciepła pracujący w temperaturze otoczenia (wodny lub powietrzny), 3 - regenerator, 4 - tłok ekspansyjny, 5 - wymiennik odbierający ciepło. [7] W jednostopniowych chłodziarkach Stirlinga można uzyskać temperatury 40-150 K, przy czym w zasadzie nie stosuje się ich do uzyskiwania temperatur niższych od 70 K. Temperatury poniżej 40 K uzyskuje się w wielostopniowych chłodziarkach. W maszynach dwustopniowych osiąga się temperatury 20 K, a w trójstopniowych 4 K. 11

Współcześnie główne obszary zastosowania maszyn Stirlinga to: energetyka, przemysł samochodowy, morski i kosmiczny, medycyna oraz urządzenia chłodnicze, klimatyzacyjne i kriogeniczne. 12

5. Podsumowanie Oba przedstawione obiegi są obiegami z regeneracją ciepła, a sprężanie i rozprężanie przebiega w nich izotermicznie. Obiegi są obiegami odwracalnymi, a więc w oparciu o nie można zrealizować urządzenie będące silnikiem jak i chłodziarką. Sprawność obiegu Ackeret- Kellera, jak i Stirlinga dąży do sprawności obiegu Carnota, przy czym są one możliwe do zrealizowania w rzeczywistości. Rys.10. Porównanie obiegu Ackeret- Kellera i lewobieżnego obiegu Philipsa 13

6. Bibliografia 1)Chorowski M., Kriogenika i Chłodnictwo, konspekty do wykładów. 2)Chorowski M., Podstawy kriogeniki, wykłady. 3)Polepszyc R., Zasada działania silnika Stirlinga; wyciąg z pracy dyplomowej inżynierskiej 4)Pudlik, W., Termodynamika; wyd. PG, Gdańsk 2011. 5)Smołka J., Technika cieplna II (Tłokowe silniki spalinowe), wykład. 6)Żmudzki S., Silniki Stirlinga, Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa 1993 7)www.itc.polsl.pl/smolka 8)www.kmcios.ps.pl 9)http://www.specjalnoscchk. odt.pl/ osiagi/ Litwinska_krio.pdf 10)http://www.specjalnoscchk.odt.pl/osiagi/ Zasinska_krio.pdf 11)http://archiwum.chlodnictwoiklimatyzacja.pl/artykuly/2005_4/ 72.html 14