Obieg Ackeret-Kellera i lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga

Konspekt
Obieg Ackeret-Kellera i lewobieżny obieg
Philipsa (Stirlinga) – podstawy teoretyczne
i techniczne możliwości realizacji.
Wykonała: KATARZYNA ZASIŃSKA
Kierunek: Inżynieria Mechaniczno-Medyczna
Studia/Semestr: Dzienne MGR/ II
Przedmiot: Techniki niskotemperaturowe w medycynie
Spis treści:
1.
Obiegi gazowe
2.
Obieg Ackereta-Kellera i obieg Stirlinga
3.
2.1
Zarys historyczny
2.2
Opis teoretyczny i zasada działania
2.3
Zalety
2.4
Zastosowanie
Lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga)
3.1
Opis teoretyczny i zasada działania
3.2 Zastosowanie
4.
Literatura
1.
Obiegi gazowe
Obiegi gazowe realizowane są przez gazy doskonałe, rzadziej przez półdoskonałe.
Przemiany gazów doskonałych odznaczające się szczególnie prostymi sposobami
obliczania ciepła
i pracy nadają się dobrze do tworzenia obiegów porównawczych, czyli
uproszczonych odwzorowań procesów odbywających się w rzeczywistych urządzeniach
działających cyklicznie.
Istnieje szereg, historycznie ukształtowanych, obiegów odgrywających dużą rolę
w technice. Są to obiegi porównawcze: tłokowych silników spalinowych,
silników turbogazowych, silników z regeneracją ciepła oraz lewobieżny obieg porównawczy
chłodziarki gazowej.
2.
Obieg Ackereta-Kellera (ericsona) i obieg Stirlinga
2.1 Zarys historyczny

1816 r. – Silnik Stirlinga jest tłokową maszyną roboczą pracującą w obiegu zamkniętym
z dowolnym gazem roboczym (np. hel, wodór, neon, powietrze) oraz z regeneracją ciepła przy
stałej objętości. Jedną z pierwszych wersji takiego silnika skonstruował i opatentował w 1816r.
Robert Stirling, w którym jako gaz roboczy zastosował powietrze tzw. Silnik na gorące
powietrze.
Rys.1. Schemat oryginalnego silnika Stirlinga z 1816r

1941 r. – J. A ckeret i C. Keller ich największym wynalazkiem była turbina gazowa
z obiegiem zamkniętym.
2.2 Opis teoretyczny i zasada działania
Obieg Ackereta-Kellera zwany też obiegiem Ericsona oraz obieg Stirlinga są obiegami
gazowymi, prawobieżnymi z regeneracją ciepła.
Obiegi prawobieżne z regeneracją ciepła charakteryzują się tym, że odpowiednio
wykonane ogrzewanie sprężonego gazu ciepłem regeneracji Qr, pochodzącym z gazu
rozprężonego, pozwala uzyskać większą pracę obiegu Lob. Ilość uzyskanej pracy Lob jest taka,
jaką daje obieg zasilany powiększonym ciepłem Qd+Qr .
Opisywane dwa obiegi z regeneracją ciepła wyróżniają się tym, że nie występuje w nich
przemian adiabatyczna.
Sprężanie i rozprężanie są w nich izotermiczne: T = const i w trakcie tych przemian
ciepło jest doprowadzane qd i wyprowadzane qw z systemu realizującego obieg. Natomiast
przemiany:
izobaryczne P = const
izochoryczne v = const
Przemiany
służą w całości do
przenoszenia
ciepła regeneracji qr.
Rys.2. Obiegi bez przemian adiabatycznych – z regeneracją ciepła
a)
Ackereta-Kellera (Ericsona); b) Stirlinga
Zespół urządzeń realizujących obieg Ackellera-Kellera (Ericsona) – z regeneracją ciepła przy
P=const, Stirlinga – z regeneracją ciepła przy V=const
Rys.3. Zespół urządzeń
W systemie urządzeń realizujących obieg Ericsona występują dwie maszyny, których
cylindry są tak intensywnie ogrzewane wzgl. chłodzone, że osiąga się niezmienność
temperatury (i energii) odbywającego przemianę gazu: T = const. W regeneracyjnym
wymienniku ciepła obydwa gazy przepływają bez zmiany ciśnień: P = const.
W silniku Stirlinga regeneracja ciepła odbywa się przy stałej objętości V = const, ale nie
w spoczynku. Przez odpowiednią kinematykę obu tłoków uzyskuje się stałość objętości gazu
podczas przepływu przez porowatą masę regenerującą energię cieplną.
2.3 Zalety
Silnik Stirlinga:
•
wysoka sprawność cieplna,
•
bardzo niski poziom hałasu,
•
niezawodność uruchamiania,
•
bardzo niski poziom emisji szkodliwych składników spalin,
•
ogromna różnorodność źródeł energii cieplej
Rys.4. Silnik Stirlinga
2.4 Zastosowanie

Silnik Stirlinga:
-
energetyka:
stacjonarne
i
przenośne
generatory
energii
elektrycznej,
systemy
skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej, systemy przetwarzania energii słonecznej;
-
przemysł samochodowy: napęd główny pojazdów samochodowych, hybrydowe zespoły
napędowe pojazdów samochodowych;
-
przemysł morski: napęd okrętów podwodnych, pomocnicze zespoły napędowe
i prądotwórcze, systemy utylizacji ciepła spalin wylotowych silników okrętowych, generatory do
ładowania akumulatorów łodzi żaglowych, napęd małych robotów podwodnych;
-
przemysł kosmiczny: pomocnicze źródła energii w systemach elektroenergetycznych
pojazdów kosmicznych;
-
medycyna: pompa sztucznego serca, urządzenia chłodnicze, klimatyzacyjne
i kriogeniczne, pompy ciepła i pompy wodne
-
modelarstwo:
napęd
miniaturowych
modeli
pojazdów
samochodowych,
miniaturowych modeli jednostek pływających;

Obieg Ackereta-Kellera (Ericsona): w obiegach turbin gazowych
napęd
3.
Lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga)
3.1 Opis teoretyczny i zasada działania
W chłodziarkach Philipsa (Stirlinga) realizowany jest lewobieżny obieg termodynamiczny
składający się z dwóch izoterm i dwóch izochor.
Rys.5. Schemat idealnej chłodziarki Stirlinga, a - odwzorowanie obiegu w układach Ts oraz p-v;
b - realizacja obiegu w chłodziarce z dwoma niezależnymi tłokami, regeneratorem R, oraz
dwoma wymiennikami ciepła (qH2O - ciepło odprowadzane do otoczenia, q – ciepło
doprowadzane do chłodziarki od kriostatowanego obiektu.
Chłodziarka składa się z cylindra, w którym umieszczono dwa tłoki. Pomiędzy tłokami
znajduje się regenerator R. Komora znajdująca się z lewej strony regeneratora jest komorą
ciepłą i jej temperatura wynosi To. Z komory tej do otoczenia odprowadzane jest ciepło
oznaczone na rysunku umownie jako qH2O. Komora znajdująca się z prawej strony tłoka jest
komorą zimną, znajduje się w temperaturze T i w trakcie pracy chłodziarki pochłania ciepło q.
Rys.6. Lewobieżny obieg philipsa (stirlinga)
3.2 Zastosowanie

Lewobieżny obieg Philipsa:
Jest on obiegiem porównawczym dla chłodziarki gazowej firmy Philips stosowanej do
osiągania bardzo niskich temperatur (ok. 20 K, a w wykonaniu dwustopniowym nawet ok. 10 K).
4.
Literatura
1)
Chorowski M. „Podstawy Kriogeniki, wykład 10”
2)
Grote, Antonsson „Springer Handbook of Mechanical Engineering”
3)
Pudlik Wiesław „Termodynamika”
4)
Staniszewski Bogumił „Termodynamika”
5)
Szargut Jan „Termodynamika techniczna”
6)
http://www.kmciso.ps.pl