13.2 Холодильна машина Стірлінга

У наш час відроджується інтерес до використання машин Стірлінга на рівні помірного холоду. Це визвано, в основному, бурхливим ростом науково-технічних знань і значних успіхів, досягнутих останнім часом, в області створення двигунів і криогенних машин Стірлінга. Все це привело до інтенсифікації наукових досліджень по створенню альтер- нативного холодильного встаткування помірного холоду на основі циклу Стірлінга [46 - 48].

Ідея використання циклу Стірлінга, для створення холодильних машин помірного холоду не нова. В 1834 році Дж. Гершелем були виготовлені експериментальні зразки холодильних машин Стірлінга, які згодом одержали широке застосування. Такі машини успішно експлуатувалися в харчовій промисловості, ними також були оснащені багато промислових суден Англі, з метою заморожування риби. З 1876 року холодильні машини Стірлінга використовувалися в Шотландії на фабриках по виробництву парафінових мастик. Однак через свою тодішню недосконалість, до початку XX сторіччя вони були повністю витиснуті компресійними холодильними машинами.

За кордоном, перспективність використання машин Стірлінга в галузі помірного холоду, стає очевидним. У цей час, у світі проблемами створення нових зразків машин Стірлінга і їхнього виробництва займається не менш 140 великих компаній і науково-дослідних організацій, багато хто з яких досягли значних успіхів і вийшли на серійне виробництво. Отримані результати досліджень вказують, що досягнутий рівень у проектуванні машин Стірлінга, дозволяє створю- вати холодильні машини Стірлінга помірного холоду (продуктивністю до 100 квт) з ефективністю в 1,5 рази вище, ніж у кращих зразків парокомпресійних холодильних машин, при цьому масогабаритні характеристики скорочуються до 20-30%. Вже в цей час на ринку холодильного встаткування великих магазинів і складів для зберігання продуктів харчування з’явилися високоефективні й екологічно чисті холодильні машини Стірлінга помірного холоду. У цьому напрямку досягнуті результати, які із упевненістю дозволяють говорити про їхнє серійне виробництво.

Перші ефективні машини Стірлінга помірного холоду для побутових холодильників були створені у Великобританії в 1957 році. Як робоче тіло використалося повітря, при цьому їхня ефективність на температурному рівні 233 К була порівнянна із компресійними машинами.. Однак, перші моделі холодильних машин Стірлінга помірного холоду, коштували набагато дорожче парокомпресійних аналогів через складну технологію виготовлення окремих вузлів машини. У цей час найбільш серйозних результатів у серійному виробництві високоефективних машин Стірлінга помірного холоду домоглися американці. Ще наприкінці 90-х років фірмою “Sunpower Inc” була створена холодильна машина помірного холоду для КЛАБВ “Spase Shuttle”. Бортовий холодильник був призначений для заморожування проб крові й урини космонавтів під час проведення медико-біологічних експериментів на борті “Шатлів”. Холодильна машина Стірлінга працювала на двох температурних рівнях: + 4 ⁰С і - 22 ⁰С. Бортовий холодильник успішно пройшов цикл літних випробувань під час польоту КЛАБВ “Spase Shuttle STS -60” у лютому 1994 року.

Фірмою створена нова холодильна машина Стірлінга для побутового холодильника, що має ексергетичний к.к.д. близько 60%, продуктивність 200 Вт на рівні 258 К. Вартість цієї моделі, по попередніх прорахунках буде становити 88 дол. США за одиницю (при серійному виробництві 250 тис. холодильників у рік).

В Інституті прикладної термодинаміки й холодильної техніки в університеті м. Еssen (Німеччина) створена холодильна машина Стірлінга продуктивністю 10 квт при t = - 35 ⁰C для великих магазинів, що конкурує по своїх характеристиках і ціні із компресійними на R12.

За кордоном щорічно виробляється до 30 млн. автомобільних кондиціонерів, що входять у стандартну комплектацію понад 50% нових машин. Незважаючи на постійне вдосконалення цих систем, автомобільні кондиціонери є одними з головних джерел витоків в атмосферу холодоагентів. Так, в 1996 році зі зроблених 84000 тонн R134а, основна його частина пішла для покриття саме цього сектора холодильної техніки. У зв’язку із цим викликає величезний інтерес питання використання машин Стірлінга помірного холоду для кондиціювання повітря в автомобілях.

Дослідження, проведені японськими фірмами “Sanden” і “Zexel Corporation”, що є основними виробниками автомобільних кондиціонерів, показали, що холодильні машини Стірлінга мають більші можливості в даних системах, чим компресійні. Як промисловий зразок розроблена і проходить натурні випробування двухпоршнева холодильна машина Стірлінга продуктивністю 1,5 квт, що працює в діапазоні температур 270-303 К с гелієм як холодоагент. Фірмою “Western Research Centre” розроблена 3 квт установка з машиною Стірлінга, призначена як для військових, так і для цивільних транспортних засобів.

Застосування холодильних машин Стірлінга для виробництва автомобільних кондиціонерів характерно не тільки для японських виробників. Відомо, що в Європі автомобільний концерн “ВМW” також віддає перевагу застосуванню холодильних машин Стірлінга для оснащення ними своїх нових автомобілів.

Всі розглянуті вище газові зворотні цикли характеризувалися стаціонарним протіканням основних процесів. У кожній точпці такого циклу всі параметри постійні в часі, і їхня зміна відбувається тільки при переході робочого тіла з однієї точки в іншу. У деяких частинах таких циклів можуть бути й нестаціонарні процеси, наприклад у поршневих компресорах і детандерах, регенераторах і ін. Однак на вході в ці машини або апарати й виході з них параметри робочого тіла можна вважати постійними. Заміна агрегатів із квазістаціонарними потоками пристроями з стаціонарними потоками не вносить у процес принци- пових змін.

Останнім часом розроблені й знайшли практичне застосування газові цикли на процесах з нестаціонарними потоками. В установках, створених на основі таких циклів, параметри робочого тіла міняються не тільки при переході від однієї точки в іншу, але й у кожній точпці в часі, вертаючись наприкінці кожного машинного циклу у вихідний стан.

Для установок з нестаціонарними процесами характерні деякі важливі особливості. Вони визначаються в значній мірі характером внутрішнього регенеративного теплообміну. У газовій холодильній машині зі стаціонарними потоками такий теплообмін може проводитися або в рекуперативному теплообміннику (рис. 13.2а), або в двох (або більшому числі) регенераторах (рис. 13.2б). У системах з нестаціонарними потоками (рис. 13.2в) використовується один регенератор, по якому прямий і зворотний потоки пропускають по черзі.

Для роботи кожної із цих трьох систем необхідно насамперед сполучення процесів стиску робочого тіла при Т_з.с. із відводом тепла Q_з.с. у навколишнє середовище з розширенням при Т<Т_з.с. і підведенням тепла Q₀ від об'єкта, який охолоджується. У перших двох схемах стиск і розширення здійснюються безупинно й роздільно – стиск у компресорі , а розширення в детандері. У машині з нестаціонарними потоками, як видно зі схеми на рис. 10.2,в стиск і розширення здійснються періодично, по черзі. При цьому як стиск, так і розширення видбуваються у всіх ступенях, що становлять загальний обсяг, одночасно. Тому в такій системі для стиску необхідно, щоб сумарний обсяг системи зменшився, а для розширення, щоб збільшився. Цього можна досягти переміщенням поршня в теплом VІ або холодному VІІ циліндрі або одночасному їхньому переміщенні. Найбільш ефективною була б така організація процесів, при якій весь газ під час стиску перебував би в циліндрі VІ, потім пропускався для охолодження через регенератор ІX, після чого весь розширювався в циліндрі VІІ, пропускався через регенератор при низькому тиску, нагрівався й вертався в циліндр VI.

Повністю дотримати на практиці ці умови неможливо, тому що в кожній фазі процесу не можна зібрати весь газ в одному циліндрі або регенераторі. Частина газу неминуче повинна перебувати у вільному обсязі регенератора, комунікаціях або іншому циліндрі.

Зміна тиску Р у системі й обсягів теплого V_т і холодного V_x ци- ліндрів показано якісно на графіку рис. 13.3. Сумарний обсяг (V_т + V_x ) даний штрих-пунктирною лінією.

У фазі А внаслідок зменшення обсягу V_т теплої порожнини циліндра із V_т1 до V_т2 тиск у системі зростає з Р₁ до Р₂. При цьому тепло Q_з.с. виділяється в навколишнє середовище (у межі процес може бути ізотермічним).

У фазі Б обсяг теплої порожнини V_т продовжує зменшуватися (з V_т2 до V_т3, у межі V_т3 0), а холодний V_x – збільшується з V_x2 0 до V_x3 = V_т2. Таким чином, у цій фазі сумарний обсяг системи залишається незмінним – газ просто проштовхується через регенератор з порожнини V_т у порожнину V_x, охолодження в регенераторі приводить до деякого зниження загального тиску з P₂ до P₃.

Процеси у фазі B визначаються збільшенням обсягу V_т із V_т3 0 до V_т4 (холодний обсяг V_x залишається незмінним). При цьому газ розширюється, віддаючи роботу через теплий циліндр VІ, (рис. 10.2), і до нього підводиться тепло Q₀ (у межі розширення може бути ізотермічним).

а Q_з.с. б Q_з.с. Q_з.с. в

II II II

І І VI

III VIII IX

VII V IV IV V V Рис. 13.2. Схеми газових холодильних систем. а – холодильна система з рекуперативним теплообмінником ; б – холодильна система з двома регенераторами, що перемикаються; в – холодильна система з одним регенератором; І – компресор; ІІ – холодильник; ІІІ – теплообмінник; ІV – детандер; V – нагрівач; VІ – теплий циліндр з поршнем; VІІ – холодний циліндр з поршнем; VІІІ – пара регенераторів, що перемикаються; ІX – регенератор.

У фазі Г обсяг V_т збільшується настільки ж, наскільки зменшується обсяг V_x (V_т1 – V_т4 = V_x4 – V_x1 ), і розширений газ проштовхується з холодної порожнини в теплу. При цьому його тиск у результаті підігріву в регенераторі трохи зростає – Р₄ до Р₁. Таким чином , тиск у системі пульсує, періодично міняючись від найвищого Р₂ до щонайнижчого Р₄, у результаті чого й здійснюється трансформація тепла з рівня Т₀ до рівня Т_з.с.

Розглянута ідеалізована модель із нестаціонарними потоками дозволяє встановити додатково до вже відзначеного (загальний тиск у системі й один регенератор) деякі загальні положення, що відносяться до особливостей установок з нестаціонарними потоками

Для забезпечення роботи системи необхідно дотримати три умови.

1. Створити пульсацію тиску в робочому обсязі.

2. Погодити процеси так, щоб у період стиску максимальна частка робочого тіла перебувала в циліндрі VI ( теплий обсяг ) і мінімальна – у циліндрі VII (холодний обсяг), а при розширенні, навпаки, максимальна – у VII й мінімальна – у VI.

3. Забезпечити перехід газу з теплого обсягу в холодний (для охолодження в регенераторі) після стиску; з холодного в теплий (для нагрівання в регенераторі) після розширення.

Способи забезпечення цих умов можуть бути всілякими, ними й обумовлені особливості всіх численних видів холодильних машин Стірлінга.

Перша умова – пульсацію тиску можна забезпечити не тільки зворотно-поступальним рухом поршнів, але й двома іншими методами: тепловим і клапанним.

Перший з них заснований на з’єднанні порожнини установки з термокомпресором. У ньому створюється пульсацію тиску за рахунок періодичного переміщенням частини газу при постійному обсязі з гарячої порожнини в холодну. Другий спосіб заснований на почерговому підключенні порожнини установки до ресиверів, що містять робоче тіло високого і низького тисків.

Друга й третя умови можуть забезпечуватися не тільки рухом поршнів. У деяких установках використовується спеціальний пристрій - витескатель, що переміщає газ із холодної порожнини у теплу й навпаки, або зворотно-поступальний регенератор, що рухається.

Реалізація цикла Стірлінга ( рис. 13.2в), із двома поршнями – теплим і холодним – незручна. Більш практичний варіант такої системи з одним теплим поршнем був запропонований ще самим Р. Стірлінгом. Викори- стання тільки одного поршня стає можливим завдяки застосуванню витеснителя – спеціального внутрішнього поршня, що розділяє теплу й холодну порожнини й здійснює тільки переміщення газу з першої порожнини в другу й навпаки.

Принципова схема установки, що працює по зворотному циклі Стірлінга, показана на рис. 13.4. Вона складається із циліндра І, у якому поміщені витескатель V і теплий поршень ІІ. Як поршень, так і витескатель, можуть приводитися в рух через свої штоки (шток витескателя пропущений усередині поршня ІІ). Регенератор VІ з’єднаний з теплою порожниною а циліндра через холодильник VІІ та з холодною б через нагрівач ІV. Тепла зона оточена також охолодним пристроєм ІІІ.

Якщо вважати процеси стиску в і розширення ізотермічними, то можна побудувати відповідний цикл на діаграмі стану. Така діаграма показана на рис. 13.4б. Її відмінність від діаграм установок з стаціо- нарними процесами полягає в тому, що параметри в кожній точці відповідають різним моментам часу, а не відбивають один момент, у який вони існують одночасно, як в установках зі стаціонарними потоками. Тому кожна точка на діаграмі має подвійний індекс: цифра означає фазу циклу, а буква – зону, у якій фіксується даний стан робочого тіла. Цикл 1а-2а-3б-4б, що складається із двох ізотерм і двох изохор, називається зворотним циклом Стірлінга.

Рис. 13.3. Зміна в часі t тиску P (а) теплого V_т і холодного V_x обсягів холодильної системи, показаної на рис. 12.2,в (б).

II T

І V₂ V₄

а T_з.с. 2а 1а

III

VII

V

VI

Т₀

б 3_б 4_б

а б

S

Рис. 13.4. Принципова схема установки, що працює по зворотному циклі Стірлінга (а) і цик стерлінга в Ts – діаграмі (б).

Конструктивно (рис. 13.5) машина Стірлінга являє собою вдале сполучення в одному агрегаті компресора, детандера й теплообмінних пристроїв: конденсатора, регенератора й холодильника.

Роботу машини можна спрощено представити, розглядаючи положення поршня та витекателя в чотирьох фазах циклу.

1. На початку фази А витескатель перебуває в крайньому нижньому, а поршень – у крайньому верхньому положеннях. При нерухомому витискателі поршень рухається вниз, стискаючи газ, що перебуває в порожнині а й регенераторі. При цьому за допомогою охолодного пристрою й холодильника в процесі стиску від газу приділяється тепло Q_з.с., внаслідок чого процес стиску стає близьким до ізотермічного (Т = соnst, процес 1а-2а на діаграмі рис. 13.4б).

2. Наприкінці стиску поршень зупиняється в положенні 2а (початок фази Б) і витекатель рухається нагору, переміщаючи стиснений газ через регенератор з порожнини а в порожнину б. Обсяг газу при цьому не міняється (V = const, процес 2а-Зб на діаграмі ).

3. Витескатель зупиняється у верхнім положенні, а поршень рухається вверх (фаза В). Газ у нижній зоні б та регенераторі розши- рюється й охолоджується. При цьому робота розширення передається на поршень, що у цей час грає ту ж роль, що й поршень детандера. Розширення в зоні б і в нагрівачу внаслідок підведення тепла Q₀ від охолоджуваного об’єкту йде по процесі, близькому до ізотермічного (лінія За-4а на Тs–діаграмі ).

4. Коли розширення закінчене (початок фази Г), витескатель при нерухомому поршні вертається в первісне нижнє положення, витісняю- чи холодний газ через нагрівач і регенератор у порожнину а (про- цес 4б-1б), потім цикл повторюється.

Рис. 13.5. Машина Стірлінга.

Зіставлення цього циклу з описаним раніше (рис. 13.2в) показує, що, незважаючи на розходження конструктивних модифікацій, їхня термодинамічна сутність зовсім однакова.