Лабораторная работа №5 «исследование действительного и теоретического циклов газовой криогенной машины»

1. Общие теоретические| положения|

Развитие техники низких температур привело к появлению газовой криогенной машины (ГКМ), что есть в данное время одним из наиболее эффективных типов криогенных устройств. Построение рабочего цикла ГКМ основывается на использовании обычных для всех криогенных устройств процессов сжатия, теплообмена и расширение. При этом конструктивное выполнение ГКМ важное отличается от традиционных схем криогенных установок. Как правило, ГКМ представляет собой единый агрегат, который включает в себя все узлы и элементы замкнутого криогенного цикла. Вследствие этого ГКМ отличаются компактностью, сравнительной простотой и надежностью в работе при высокой термодинамической эффективности.

Наибольшее распространение к действительному времени получили ГКМ, в которых реализуется обратный цикл Стірлінга. Предложенный в 1816 г., этот цикл широко применялся в тепловых двигателях в ХІХ столетии. Возможность получения холода при использовании обратного цикла Стірлінга была высказана Д. Гершелем еще в 1834 г. Однако длительное время не удавалось получать с помощью таких машин довольно низких температур охлаждения. Лишь в 1954 г. обратный цикл Стірлінга был реализован в машине, использованной для ожижения воздуха.

В данное время ГКМ, которые работают по циклу Стірлінга, находят широкое применение в разных областях науки и техники. Малые габариты и вес, высокий энергетическая эффективность в широком интервале температур генерации холода (20…150К) являются основными преимуществами машин такого типа. Распространение получили установки жидкого азота с ГКМ как генератором холода. Промышленность освоила производство таких установок производительностью по жидкому азоту 7 дм³/ч (ЗІФ-702) и 10 дм³/ч (ЗІФ-1002).

Принципиальная схема и цикл идеальной гкм

Принципиальная ГКМ может быть представленная в виде цилиндра (рисунок 1) с поршнями П1 и П2, между которыми установленный регенератор А1. В правой части цилиндра расположенные холодильник А2, что обеспечивает отвод тепла и стабилизацию температуры при сжатии газа; полезная холодопродуктивність привстает в рефрижераторе А3, расположенному в левой части цилиндра.

В цикле осуществляются следующие процессы:

1-2 – изотермическое сжатие. Поршень П2 недвижимый, поршень П1 двигается влево, сжимая газ. Тепло сжатия Q_c отводится в холодильнике А2 при Т_с=const.

2-3 – изохорный теплообмен. Поршни П1 и П2 синхронно двигаются влево, перемещая газ в пустоту с температурой ТО. Давление газа вследствие снижения температуры уменьшается.

3-4 – изотермическое расширение. Поршень П1 недвижимый, поршень П2 продолжает двигаться влево. Газ расширяется при температуре ТО = const. В этом процессе к рефрижератору А3 привстает холодопродуктивність Q_E.

4-1 – изохорный теплообмен. Оба поршни синхронно перемещаются вправо в исходное положение, а газ перемещается в пустоту с температурой Т_с (через генератор А2). Давление газа вследствие повышения температуры увеличиваются.

Изменение температуры газа при перемещении его с одной пустоты цилиндра в другую обеспечивается регенератором А2. В процессе (2-3) газ отдает тепло насадке регенератора, который нагревается; температура газа снижается при этом от Т_С до ТО. В процессе (4 -1) газ охлаждает насадку регенератора, нагреваясь от ТО до Т_С.

Рисунок 4.1. Криогенный цикл идеальной ГКМ:

а- диаграммы P-V и T-S; б- схема реализации.

При рассмотрении идеального цикла ГКМ предполагается, что все процессы термодинамічно оборотные, причем процессы сжатия и расширение - изотермические. Вследствие этого коэффициенты теплоотдачи между рабочим телом и стенками цилиндра принимаются бесконечно большими. Предполагается, что в процессах расширения и сжатия вся масса рабочего тела m находится в соответствующих пустотах (влияние свободных объемов не учитывается). Принято, что поршни двигаются прерывисто, а гидравлическое сопротивление при перемещении массы рабочего тела и механическое трение отсутствуют. Принимается идеальная регенерация теплая: это означает, что коэффициент теплоотдачи между рабочим телом и насадкой регенератора, а также теплоемкость и теплопроводность материала насадки есть бесконечно большими, а осевая теплопроводность по насадке регенератора отсутствующая. В конце концов, считается, что как рабочее тело используется идеальный газ.

Израсходованная в идеальном цикле работа определяется как разность работ изотермического сжатия газа в процессе (1-2) и изотермического расширения в процессе (3-4).

. (1.1)

а холодопродуктивність за один цикл будет эквивалентная работе изотермического расширения газа в процессе (3-4)

. (1.2)

Холодильный коэффициент идеального цикла

(1.3.)

отвечает холодильному коэффициенту цикла Карно, т.е. максимально возможном в интервале температур Т_С и ТО.