Lewobieżny obieg gazowy Joule`a a obieg parowy Lindego

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 A1 i A2 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 Lk (pole 1-A-B-3-4-1) jest większa od pracy ekspansji Lex
(pole 1-A-B-3-2-1) i ma wartość ujemną. Tak więc praca obiegu Lob 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