Obieg Ackereta-Kellera i lewobieżny obieg Philipsa(Stirlinga) Opracowała: Natalia Strzęciwilk nr albumu 127633 IM-M sem.01 Gdańsk 2013
Spis treści 1. Obiegi gazowe 2. Obieg Ackereta-Kellera 2.1. Podstawy teoretyczne 2.2. Techniczne możliwości realizacji 3. Lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga) 3.1. Podstawy teoretyczne 3.2. Techniczne możliwości realizacji 4. Literatura
1. Obiegi gazowe Obieg temodynamiczny jest połączeniem kilku przemian, po przejściu przez które substancja robocza powraca do stanu równowagi. Substancja robocza krąży w obiegu zamkniętym, co powoduje stałość jej masy m=const. Rys. 1. Przykładowy obieg termodynamiczny gazu w cylindrze Wszystkie substancje mogą podlegać przemianą. Jeden z parametrów pozostaje bez zmian, natomiast pozostałe parametry są zmienne w czasie w zależności od tego warunku. Dzięki oddziaływaniu na system na jego granicy uzyskuje się stałość parametru. Dla podstawowych parametrów p, T, V wyróżnia się przemiany charakterystyczne: Izobaryczną, gdzie P = const, tzn. P1 = P = P2 = idem, Izotermiczną, gdzie T = const, tzn. T1 = T = T2 = idem, Izochoryczną, gdzie v = const, tzn. v1 = v = v2 = idem. Dodatkowo wyróżnia się przemianę, która nie niesie ze sobą wymiany ciepła z otoczeniem adiabatyczną. Charakteryzują ją parametr s=const.
Obiegi termodynamiczne można podzielić na prawobieżne i lewobieżne. Obiegi prawobieżne charakteryzują się dodatnią pracą obieg, co oznacza, że czynnik roboczy oddaje ciepło do otoczenia na sposób pracy. Natomiast obiegi lewobieżne po zbilansowaniu wykonują pracę ujemną. Rys. 2. Obieg prawobieżny i obieg lewo bieżny
2. Obieg Ackereta Kellera 2.1. Podstawy teoretyczne Obieg Ackereta Kellera, nazywany także obiegiem Ericsona, jest obiegiem z regeneracją ciepła. Charakterystyczną cechą tego obiegu jest brak przemiany adiabatycznej. Sprężanie i rozprężanie odbywają się w nim na sposób izotermiczny T=const. W trakcie przemian izotermicznych ciepło jest doprowadzane oraz wyprowadzane z układu. Natomiast przemiana izobaryczna P=const służy przenoszeniu ciepła regeneracji. Rys. 3. Obieg Ackereta Kellera w układzie P-v Teoretyczny obieg Ericsona zakłada rozprężanie przy stałej temperaturze doprowadzenie ciepła z zewnętrznego źródła (1-2), następnie regenerację przy stałym ciśnieniu, czyli przepływ ciepła wewnątrz układu od czynnika roboczego do regeneratora (2-3). Przemiana 3-4 realizowana jest dzięki sprężaniu przy stałej temperaturze ciepło odprowadzone jest do otoczenia. Jako ostatnia odbywa się regeneracja przy stałym ciśnieniu, w której przepływ ciepła odbywa się wewnątrz układu z regeneratora do czynnika roboczego (4-1).
2.2. Techniczne możliwości realizacji Techniczna możliwość realizacji obiegu Ackereta Kellera opiera się na układzie złożonym ze sprężarki, silnika i regeneracyjnego wymiennika ciepła. Cylindry maszyn układu są tak silnie ogrzewane lub ochładzane, że uzyskuje się niezmienność temperatury gazu odbywającego przemianę T=const. W regeneracyjnym wymienniku ciepła gazy przepływają bez zmiany ciśnień P=const. Silnik może być również zastąpiony turbiną. W idealnym przypadku ciepły strumień gazu ochładza się w wymienniku ciepła do temperatury Tmin i analogicznie chłodny czynnik roboczy ze sprężarki podgrzewa się do temperatury Tmax. Rys. 4. Schemat układu realizującego obieg Ackereta Kellera Sprawność układu realizującego obieg Ackereta Kellera dąży do sprawności układu realizującego obieg Carnota.
3. Lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga) 3.1. Podstawy teoretyczne Obieg Philipsa, nazywany także odwróconym obiegiem Stirlinga, jest obiegiem z regeneracją ciepła. Charakterystyczną cechą tego obiegu jest brak przemiany adiabatycznej. Sprężanie i rozprężanie odbywają się w nim na sposób izotermiczny T=const. W trakcie przemian izotermicznych ciepło jest doprowadzane oraz wyprowadzane z układu. Natomiast przemiana izochoryczna v=const służy przenoszeniu ciepła regeneracji. Jest on obiegiem porównawczym dla chłodziarki gazowej firmy Philips stosowanej do osiągania bardzo niskich temperatur równych w przybliżeniu 20 K, a w przypadku dwustopniowym nawet 10 K. Rys. 5. Obieg Philipsa w układzie P-v Teoretyczny obieg Stirlinga zakłada rozprężanie przy stałej temperaturze doprowadzenie ciepła z zewnętrznego źródła (1-2), następnie regenerację przy stałej objętości, czyli przepływ ciepła wewnątrz układu od czynnika roboczego do regeneratora (2-3). Przemiana 3-4 realizowana jest dzięki sprężaniu przy stałej temperaturze ciepło odprowadzone jest do otoczenia. Jako ostatnia odbywa się regeneracja przy stałej objętości, w której przepływ ciepła odbywa się wewnątrz układu z regeneratora do czynnika roboczego (4-1).
3.2. Techniczne możliwości realizacji Techniczna możliwość realizacji obiegu Philipsa, podobnie jak w przypadku obiegu Ackereta Kellera, opiera się na układzie złożonym ze sprężarki, silnika i regeneracyjnego wymiennika ciepła. Cylindry maszyn układu są tak silnie ogrzewane lub ochładzane, że uzyskuje się niezmienność temperatury gazu odbywającego przemianę T=const. W regeneracyjnym wymienniku ciepła gazy przepływają bez zmiany objętości v=const. Silnik może być również zastąpiony turbiną. W idealnym przypadku ciepły strumień gazu ochładza się w wymienniku ciepła do temperatury Tmin i analogicznie chłodny czynnik roboczy ze sprężarki podgrzewa się do temperatury Tmax. Rys. 6. Schemat układu realizującego obieg Stirlinga
Rys. 7. Przykład układu realizującego obieg Stirlinga Realizacja obiegu Philipsa wykorzystywana jest w silniku Stirlinga. Regeneracja ciepła odbywa się przy stałej objętości V = const, która nie jest wywołana spoczynkiem, ale odpowiednią kinematyką obu tłoków. Stałą objętość gazu uzyskuje się podczas przepływu przez porowatą masę regenerującą energię cieplną. Sprawność układu realizującego obieg Philipsa dąży do sprawności układu realizującego obieg Carnota. Poniższy wzór opisuje sprawność obiegu.
4. Literatura Chorowski M., Podstawy kriogeniki, Wykład 10 Pudlik W., Termodynamika, Wydawnictwo PG, Gdańsk 2011 Smołka J., Technika cieplna II, Tłokowe silniki spalinowe, www.itc.polsl.pl/smolka Szargut J., Termodynamika techniczna, Wydawnictwo PŚ, Gliwice 2011 Targański W., Techniki niskotemperaturowe, materiały z wykładów