Obieg Ackeret-Kellera i lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga

Obieg Ackeret-Kellera i lewobieżny obieg
Philipsa (Stirlinga) - podstawy teoretyczne
i techniczne możliwości realizacji.
Wykonała: Anna Grzeczka
Kierunek: Inżynieria Mechaniczno-Medyczna sem. II mgr
Przedmiot: Techniki niskotemperaturowe w medycynie
Spis treści:
1. Obieg termodynamiczny gazowy
2. Obieg Ackeret- Kellera
2.1. Zasada działania
2.2. Zastosowanie
3. Lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga)
3.1. Zasada działania
3.2. Zastosowanie
4.Podsumowanie
5. Bibliografia
1.Obieg gazowy
Obiegiem (cyklem) termodynamicznym nazywamy zespół kolejnych
przemian, w wyniku których stan rozpatrywanego układu powraca
do stanu początkowego. Geometrycznie obieg pr zedstawiany jest
w postaci zamkniętej pętli [4]. Obiegi dzielimy przede wszystkim
na odwracalne i nieodwracalne . Aby obieg był odwracalny musi
składać się wyłącznie z przemian odwracalnych. Nieodwracalność,
chociaż jednej przemian y czyni obieg nieodwracalnym [4, 10 ].
Obiegi zwykle przedstawi ane są na wykresach p-V oraz T-s.
Przedstawiane na wykresach pole ograniczone przemianami
tworzącymi obieg reprezentują pracę i ciepło obiegu.
Dwa omawiane przeze mnie obiegi są obiegami z regeneracją ciepła
i wyróżniają się tym, że nie występuje w nich przemiana
adiabatyczna. (przemiana w której zmieniają się parametry stanu
gazu np. ciśnienie, objętość, temperatura, energia, entalpia).
2. Obieg Ericsona, zwany obiegiem AckeretaKellera
Obieg Ackeret-Kellera jest to prawobieżny obieg gazowy z pełną
regeneracją ciepła. Jest to teoretyczny obieg z wielostopniowym
izotermicznym rozprężaniem i sprężaniem. W trakcie tych przemian
ciepło jest doprowadzane i wyprowadzane z systemu realizującego
obieg. Pozostałe przemiany ( izobaryczne; p = const) służą
w całości do przenoszenia ciepła regeneracji urządzeń
realizujących [3]. Obieg ten tworzą izotermy oraz izobary. Można
go odwzorować w układzie T -s, który przedstawia rysunek 1.
Rys . 1 Ob ie g Ack er et -Ke l le ra , sp rę ża n ie i r oz p r ęż an ie g az u p r z ycz y ną
wy mi a ny cie pł a.
2.1.Zasada działania
W realizacji obieg Ackeret-Kellera zbudowany jest z dwóch
cylindrów z tłokie m pełniącym funkcję sprężarki ( rozprężarki). Są
one połączone regeneracyjnym wymiennikiem ciepła. W wyniku
ogrzewania i och ładzania gazu w wymienniku nastę puje wewnętrzna
wymiana ciepła (niezmienność energii) . W celu utrzymania stałej
temperatury , podczas rozprężania intensywnie doprowadza się
ciepło z zewnętrznego źródła. Przy spr ężaniu natomiast, ciepło jest
odprowadzane do otoczenia. Na rys. 2 przedstawiono
schematycznie system urządzeń realizujących ten obieg.
Rys.2 S ch e m at u rz ą dz eń re al iz u ją cyc h obi e g E r ic s o na — z re g e ne r ac ją c iep ł a
prz y P = co n st ,
Maszyny realizujące schemat mogą być również wirnikowe [Rys.3].
W regeneracyjnym wymienniku ciepła obydwa gazy przepływają
bez zmiany ciśnień: P = const (niewielki spadek ciśnienia
spowodowany oporami przepływu jest pomijalny).
Rys . 3 Zespół urządzeń realizujących obieg Ericsona
Największą z aletą prezentowanego obiegu jest zapewne jego
sprawność. Trudne jest utrzymanie stałej temperatury oraz
ciśnienia podczas przemian. Jednak w miarę zwiększania liczby stopni
sprężania oraz liczby stopni rozprężania, sprawność teoretycznego obiegu
Ackereta-Kellera dąży do sprawności obiegu Carnota [3].
gdzie:
T – temperatura maksymalna
To – temperatura minimalna
- Sprawność obiegu Carnota
- moc obiegu
Q- ci ep ło o bi eg u
2.2.Zastosowanie Obiegu Ackereta- Kellera
(Ericsona)
Głównym zastosowanie tego obiegu jest Silnik Ericsona. Tworzy go grupa
silników z rozrządem i regeneracją ciepła przy stałym ciśnieniu [8].
W turbinie i sprężarce realizowane są przemiany izotermiczne. Regeneratorem
jest przeponowy przeciwprądowy wymiennik ciepła. Kiedy mamy idealny
przypadek, to wówczas ciepły strumień gazu z turbiny ochładza się
w wymienniku ciepła do T min , a chłodny czynnik roboczy ze sprężarki
podgrzewa się do temperatury T max . W obiegu Ericsona występują dwie
maszyny, których cylindry są tak intensywnie ogrzewane względnie
chłodzone, że osiąga się niezmienność temperatury (i energii) odbywającego
przemianę gazu: T = const [6].
Rys.4 Obieg Ericsona zastosowany w turbinie gazowej
3. Lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga)
Obieg Philipsa tworzą dwie izochory oraz dwie izotermy. Układ realizujący
obieg składa się z dwóch cylindrów zamkniętych tłokami i połączonych
regeneratorem ciepła. Wraz z ruchami tłoków następuje sprężenie
i rozprężenie stałej objętości gazu. Przepchnięcie gazu przez wymiennik
powoduje jego ogrzanie bądź ochłodzenie. Odwzorowanie obiegu Stirlinga
w układzie T-s przedstawione jest na rysunku 5.
Rys 5 .Lewobieżny Obieg Philipsa (Stirlinga)
3.1. Zasada działania
Cykl pracy takiego urządzenia dzieli się na 4 etapy opisane
i zilustrowane poniżej:




przejście 1-2 tłok gorący pozostaje nieruchomy, podczas gdy tłok zimny
przesuwa się w lewo, jednocześnie sprężając gaz. Gaz przekazuje ciepło
do chłodnicy, temperatura pozostaje stała.
przejście 2-3 oba tłoki poruszają się jednocześnie w lewo z tą samą
prędkością. Objętość gazu pozostaje stała. Gaz przepływa przez
regenerator do przestrzeni gorącej pobierając ciepło, rośnie
temperatura i ciśnienie.
przejście 3-4 gaz w przestrzeni gorącej absorbuje energię ze źródła
ciepła rozprężając się izotermicznie i przesuwając zimny tłok w lewo.
Wykonywane jest wówczas praca mechaniczna.
przejście 4-1 oba tłoki poruszają się w prawo, objętość gazu pozostaje
stała. Gaz przepływa przez regenerator do przestrzeni zimnej oddając
ciepło, spada jego temperatura i ciśnienie [7].
Rys . 6 P ra ca tł ok ó w w s i ln ik u St er l in g a
Efektywność teoretycznego obiegu Philipsa jest taka sama jak Carnota.
Czyli również jest porównywalna z obiegiem idealnym. Wszystkie inne obiegi
mają niższy współczynnik wydajności [1, 2].
gdzie:
T – temperatura maksymalna
To – temperatura minimalna
- Sprawność obiegu Carnota
- Sprawność obiegu Philipsa
3.2. Zastosowanie
Lewobieżny obieg Sterlinga realizowany jest w chłodziarkach. Jest on
obiegiem porównawczym dla chłodziarki gazowej firmy Philips
stosowanej do osiągania bardzo ni skich temperatur (ok. 20 K,
a w wykonaniu dwustopniowym nawet ok. 10 K). [3]
W silniku Stirlinga obieg jest prawobieżny. W silniku Stirlinga
regeneracja ciepła odbywa się przy stałej objętości V = const,
ale nie w spoczynku, lecz przez odpowiednią kinematykę obu
tłoków uzyskuje się stałość objętości gazu podczas przepływ u
przez porowatą masę regenerującą energię cieplną.
Rys . 7 Zastosowanie obiegu Stirlinga- Silnik i chłodziarka
4.Podsumowanie
Oba przedstawione obiegi są cyklami odwracalnymi, można dzięki
nim zrealizować urządzenie chłodzące jak i silnik. Oba obiegi mają
pełną regenerację ciepła. Ich sprawność dąży do sprawności obiegu
Carnota, są one jednak prostsze do zrealizowania
w rzeczywistości. Działanie obu obiegów polega na izotermicznym
sprężaniu i rozprężaniu gazu. Jedyną różnicą jest izobaryczne
grzanie i chłodzenie w przypadku obiegu Ackereta- Kellera oraz
izochoryczne grzanie i chłodzenie dla lewo bieżnego obiegu
Philipsa. Obecnie obszarem zastosowań przedstawionych obiegów
jest zarówno energetyka, jak i przemysł kosmiczny, samochodowy,
medyczny, morski oraz produkcja urządzeń kriogenicznych,
chłodniczych i klimatyzacyjnych.
5. Bibliografia
1. Chorowski M., Kriogenika i Chłodnictwo, konspekty do wykładów
2. Chorowski M., Podstawy Kriogeniki, konspekty do wykładu
3. Pudlik W., Termodynamika, Gdańsk 2011
4. www.sgsp.edu.pl/uczelnia/ktp/hydro
5. Targański W., Techniki niskotemperaturowe, wykład
6. Paska J., Elektrownie z turbinami gazowymi
7. Paska J., Energetyka rozproszona z wykorzystaniem silników tłokowych, turbin
i mikroturbin gazowych oraz silników Stirlinga
8. Żmudzki S., Silniki Stirlinga, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1993
9. Smołka J., Technika cieplna II (Tłokowe silniki spalinowe), wykład
10 /pliki_haslo/.../Wykład%202.doc