Obieg Ackeret-Kellera i lewobieżny obieg Philipsa(Stirlinga)

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
adiabatycznych
których
ciepło
pomiędzy
jest
nimi,
doprowadzane
podczas
których
i
przemian
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.
Qdop Tmin
εA−K= =
=εc
N Tmax−Tmin
gdzie:
εA-K- sprawność obiegu A-K
Qdop- ciepło doprowadzone
N- moc obiegu
Tmin- temperatura minimalna
Tmax- temperatura maksymalna
εc- sprawność obiegu Carnota
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
w turbinie gazowej [7]
Rys.4. Przekrój turbiny 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 S = ε A−K = ε C
Natomiast
sprawność
egzergetyczna,
czyli
stosunek
sprawności
rzeczywistej do teoretycznej wynosi ok. 40%, co jest stosunkowo dużą
wartością jak na urządzenie cieplne.
8
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