3.8. Газовые криогенные циклы

Обобщенный цикл Карно

Рассмотрим ряд циклов, рабочим телом которых является идеальный газ. Кроме цикла Карно в качестве примера рассмотрим циклы, состоящие из двух изотерм и двух изобар – цикл Эриксона - или двух изотерм и двух изохор – цикл Стирлинга. На рисунке 3.8 изображены : 12341 – цикл Карно; 1'234'1' – цикл Стирлинга ; 1''234''1''– цикл Эриксона.

Рис. 3.8. Циклы Карно, Стирлинга и Эриксона

Рис. 3.8. Циклы Карно, Стирлинга и Эриксона

Для рассматриваемых циклов (Карно, Стирлинга и Эриксона) можно записать

(3.18)

Обобщенным циклом Карно будем называть цикл, состоящий из двух изотерм и двух политроп.

Рассматривая реальное вещество в качестве рабочего тела газового криогенного цикла, следует ответить на вопрос: какие из линий (например, изобары или изохоры) наиболее эквидистантны (эквидистантность рассматриваемых линий напрямую связана с полнотой регенеративного теплообмена). Так как наклон этих линий в диаграмме T-S определяется теплоёмкостью, то предстоит ответить на вопрос - какая из теплоёмкостей изобарная Ср или изохорная Сv менее существенно меняется с изменением параметров состояния. Опыт показывает, что С_v является весьма слабой функцией параметров состояния, в то время как Сp существенно изменяется с изменением параметров состояния и достигает бесконечно больших значений в двухфазной области и в критической точке. Таким образом, оказывается, что для реального вещества холодильный коэффициент цикла Стирлинга будет выше, чем холодильный коэффициент цикла Эриксона. Из реальных веществ наилучшим рабочим телом для газовых циклов является гелий, вследствие весьма низкой критической температуры ( Ткр = 5,2 К ) и близости его свойств в интересующем диапазоне температур и давлений к свойствам идеального газа.

Р ис. 3.9. Цикл Стирлинга в диаграмме P - V

Принцип работы цикла Стирлинга представлен в Р-V диаграмме ( рис. 3.9), где 1 – 2 - изотермическое сжатие с отводом тепла qотв.; 2 – 3, 4 – 1 - процессы изохорного регенеративного теплообмена; 3 – 4 - изотермическое расширение с подводом тепла q0 при температуре Т0..

Принципиальный способ реализации обратного цикла Стирлинга в поршневой машине состоит в следующем. Два поршня движутся в цилиндре прерывисто с углом сдвига по фазе. В рабочем пространстве между поршнями размещён регенератор, который делит рабочую полость на две части – тёплую и холодную. Иногда их условно называют полостями сжатия и расширения. В тёплой полости поддерживается постоянная температура равная температуре окружающей среды Т _{окр. ср.} за счёт отвода теплоты qотв. в холодильнике. В холодной полости температура Т0. постоянна (за счёт подвода теплоты q0 через охладитель). В действительности цикл чаще всего реализуют в машине с гармоничным движением поршней, причём существует несколько конструктивных схем подобной машины.

Р ис. 3.10. Принципиальная схема реализации цикла Стирлинга

Принципиальная схема реализации цикла Стирлинга представлена на рис. 3.10.