INŻYNIERIA MECHANICZNO-MEDYCZNA WYDZIAŁ MECHANICZNY POLITECHNIKA GDAŃSKA Techniki niskotemperaturowe w medycynie Temat: Lewobieżny obieg gazowy Joule a a obieg parowy Lindego Prowadzący: dr inż. Zenon Bonca, doc. PG Student: Magda Zarębska, IMM, grupa II Gdańsk 2011/2012
Obiegiem termodynamicznym nazywamy cykl przemian, po przejściu których stan końcowy czynnika jest identyczny ze stanem początkowym. Obieg jest obiegiem odwracalnym, jeżeli składa się wyłącznie z przemian odwracalnych. W każdym obiegu występują 4 punkty charakterystyczne (rys. 1): punkty zwrotne I i II dzielą krzywą przemiany na linię ekspansji (ekspansja związana jest z przekazywaniem pracy przez czynnik) i kompresji (kompresja z pobieraniem pracy), punkty adiabatyczne A 1 i A 2 dzielą obieg na część, w której czynnik pobiera ciepło oraz część, w której czynnik oddaje ciepło (można wyznaczyć je prowadząc 2 izentropy styczne do linii obiegu). [5] Rozróżniamy obiegi prawo- (jeżeli na wykresie p-v lub T-s punkt odpowiadający kolejnym stanom czynnika przemieszcza się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, to taki obieg nazywamy prawobieżnym) i lewobieżne. Rysunek 1 Obieg termodynaminczy prawobieżny i lewobieżny na wykresie p-v [5] Zadaniem urządzenia realizującego obieg prawobieżny jest zamiana energii dostarczanej na sposób ciepła na pracę mechaniczną. Urządzenie pracujące według obiegu lewobieżnego ma za zadanie transport ciepła ze źródła o temperaturze niższej do źródła o temperaturze wyższej. W obiegu lewobieżnym praca musi być dostarczona z zewnątrz. Obiegi prawobieżne to obiegi
silników i siłowni cieplnych, natomiast obiegi lewobieżne przedstawiają pracę sprężarek, chłodziarek i pomp ciepła. Obieg nazywamy odwracalnym wówczas, gdy wszystkie przemiany składowe są odwracalne, a wymiana ciepła między źródłami i czynnikiem dokonuje się przy nieskończenie małej różnicy temperatur (ΔT=0). W innych przypadkach obieg jest nieodwracalny. [1] Zgodnie z obiegiem lewobieżnym pracują ziębiarki lub pompy ciepła: a) Jeśli temperatura źródła dolnego jest temperatura otoczenia a celem urządzenia jest przekazywanie ciepła źródłu górnemu to takie urządzenie nosi nazwę pompy ciepła. b) Jeśli temperatura źródła dolnego jest niższa od temperatury otoczenia oraz źródłem górnym pobierającym ciepło od czynnika jest otoczenie to takie urządzenia noszą nazwę ziębiarek (chłodnic). Celem takiego urządzenia jest ciągłe pobieranie ciepła ze źródła dolnego i przez to utrzymywanie go w temperaturach niższych od temperatury otoczenia. [3] Rysunek 2 Zasada działania lewobieżnych maszyn cieplnych (a- pompy ciepła, b- chłodziarki) [5]
Rysunek 3 Praca obiegu lewobieżnego [5] Jak widać na rysunku 3 w obiegu wykonywanym przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (lewobieżnym) praca kompresji L k (pole 1-A-B-3-4-1) jest większa od pracy ekspansji L ex (pole 1-A-B-3-2-1) i ma wartość ujemną. Tak więc praca obiegu L ob jest również ujemna. [5] Obieg Joule a Rysunek 4 Obieg Joule a w układzie p-v oraz T-s [5] Powietrze jako czynnik roboczy chłodziarki jest rzadko wykorzystywane stosuje się je w specjalnych maszynach chłodniczych np. do klimatyzacji samolotów. Jeśli bowiem podczas rozprężania czynnika spadnie poniżej temperatury otoczenia to można pobrać ciepło np. w komorze chłodniczej (ze źródła dolnego). Następnie dokonuje się sprężu czynnika tak, aby jego temperatura przewyższała temperaturę otoczenia, następnie dokonuje się izobarycznego chłodzenia czynnika w wysokim ciśnieniu (rys. 4). Na rys. 5 pokazano schemat chłodziarki, która realizuje obieg lewobieżny Joule a. [3]
Obieg Joule a składa się z przemian termodynamicznych: 1-2 adiabatyczne sprężanie gazu 2-3 izobaryczne chłodzenie gazu o wysokim ciśnieniu 3-4 izentropowe rozprężanie gazu z wykonaniem pracy 4-1 izobaryczne chłodzenie gazu o niskim ciśnieniu. Rysunek 5 Schemat chłodziarki powietrznej realizującej obieg Joule a [3]
Obieg Lindego Obieg Lindego jest podstawowym obiegiem porównawczym dla parowych sprężarkowych urządzeń chłodniczych. W skład obiegu Lindego wchodzą następujące przemiany: izentropowe sprężanie pary 1-2s izobaryczne ochładzanie pary przegrzanej i izobaryczno-izotermiczne skraplanie pary nasyconej 2s-3 izentalpowe dławienie skroplin 3-4 izobaryczno-izotermiczne wrzenie 4-1 Rysunek 6 Obieg Lindego w układzie T-s Obieg Lindego realizuje dwie przemiany izobaryczne i dwie przemiany izentropowe w obszarze dwufazowym. Dzięki temu również i obieg lewobieżny może podnieść swą sprawność i zbliżyć się do sprawności obiegu Carnota.
Rysunek 7 Schemat sprężarkowej chłodziarki parowej [5] Obieg realizowany jest w zespole urządzeń składającym się ze sprężarki, dwóch wymienników ciepła: skraplacza i parownika oraz tzw. zaworu regulacyjnego, który jest właściwie zaworem dławiącym. W układzie chłodniczym znajduje się czynnik termodynamiczny, który ulega odparowaniu w parowniku do momentu aż ostatnia jego kropla przejdzie ze stanu cieczy, cieczy nasyconej, aż do stanu gazowego. Czynnik odparowując odbiera ciepło z komory chłodniczej. Na wejściu do sprężarki czynnik jest zasysany i sprężany z ciśnienia niższego do wyższego. Wraz ze sprężeniem, czynnik podwyższa swoja temperaturę, wyższa od temperatury otoczenia. Czynnik musi posiadać temperaturę wyższą od otoczenia, aby zaszło zjawisko oddawania ciepła do otoczenia. Czynnik sprężony oddaje ciepło w skraplaczu, przechodząc ze stanu gazowego w stan ciekły (ciecz), po czym zostaje rozprężony w zaworze rozprężnym, zmieniając swoje ciśnienie i obniżając tym samym temperaturę. Czynnik następnie trafia ponownie do parownika gdzie proces się powtarza. [7] Podsumowując, zarówno jak w obiegu Joule a jak i Lindego znajdują się wspólne elementy w budowie: sprężarki, wymienniki ciepła, jednak w obiegu Lindego zachodzą zmiany stanu skupienia krążącego czynnika (jest parownik i skraplacz). W obiegu Joule a czynnikiem jest powietrze natomiast w obiegu Lindego ciecz.
Bibliografia: 1. Bohdal T., Charun H., Czapp M., Urządzenia chłodnicze sprężarkowe parowe, Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa 2003 2. Gutkowski K.M., Chłodnictwo i klimatyzacja, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2003 3. http://www.imp.gda.pl/struktura/o2/z3/publications/wyklady/piecwykladow.pdf 4. http://lmal.zut.edu.pl/ 5. http://matrix.ar.krakow.pl/~isig/kbw/pomocnicze/termodynamika.pdf 6. http://www.naukowy.pl/encyklopedia/obieg_lindego 7. http://pl.wikipedia.org/wiki/obieg_lindego 8. http://www.scribd.com/doc/23650955/07-obiegi-termodynamiczne