13.6 Обратный цикл Стирлинга
В холодильном цикле Стирлинга два поршня движутся в цилиндре прерывисто со сдвигом по фазе. Между поршнями размещен регенератор Р, который делит рабочую полость на теплую и холодную части. Газ изотермически сжимается (процесс 1-2), параллельным движением поршней изохорно перемещается через регенератор (процесс 2-3) и охлаждается до температуры Тх. Затем за счет движения правого поршня газ расширяется, его температура снижается и oт охлаждаемого тела к нему подводится теплота (процесс 3-4). Поршни параллельно сдвигаются влево, холодный газ изохорно перемещается через регенератор, охлаждая его, и после этого процесс повторяется.
Одноступенчатые
машины используют для получения холода
на уровне 150…70 К и до 40 К при
небольшой холодопроизводительности;
,
.
Более низких температур достигают,
применяя двухступенчатые машины с
,
трехступенчатые машины обеспечивают
Тх
= 8.5 К.
Современные приборы, основанные на цикле Стирлинга, - криокулеры и ожижители. В широких масштабах их начали производить около десяти лет назад - преимущественно для использования в военной технике: на танках и самолетах требовалось устанавливать высокочувствительные, охлаждаемые до температур порядка (-200 ºС) датчики и приемники. Для их охлаждения и были разработаны криокулеры на основе обратного цикла Стирлинга.
Принципиальными особенностями цикла Стирлинга являются следующие.
Цикл характеризуется нестационарными во времени параметрами потоков рабочего тела в каждой точке системы. Практически это означает, что машина Стирлинга, рабочие полости которой входят в один объем, неизбежно должна быть машиной с периодическим изменением объемов сжатия и расширения, т.е. поршневой машиной. В виду этого, преимущественные области применения таких машин –машины малой и средней мощности.
Цикл предназначен только для работы с газообразным рабочим телом. Чтобы размеры машин при заданной мощности были приемлемы, а внешний и внутренний теплообмен рабочего тела в этих условиях проходил достаточно эффективно, давление в машине должно быть существенно выше атмосферного. По тем же причинам рабочее тело должно иметь малую вязкость, возможно большуюие теплопроводность и теплоемкость, мало зависящуюие от давления (иначе возникнут большие собственные потери в регенераторе вследствие различных тепловых эквивалентов теплообменивающихся потоков).
В цикле регенерация тепла позволяет работать в большом интервале температур (верхняя и нижняя температуры цикла) при относительно малых отношениях давлений сжатия и расширения.
Для реализации цикла в качестве рабочих тел могут быть использованы водород, гелий, азот, воздух и другие газообразные вещества. Использование в качестве рабочего тела газов с высоким значением газовой постоянной (R), например, водорода или гелия, позволяет получать в машинах Стирлинга эксергетический к.п.д. свыше 50%;
Цикл универсален. На его основе возможно создание преобразователей как прямого, так и обратного цикла.
К достоинствам машин, работающих по циклу Стирлинга, следует отнести высокую степень экологической чистоты, как самих рабочих тел машин Стирлинга, так и отработанных сред, возникающих при их эксплуатации, а также их энергетическую эффективность.
К недостаткам следует отнести сложность конструктивного исполнения отдельных узлов, проблемы в области уплотнений, регулирования мощности и т.д. Особенности конструктивного исполнения обуславливаются применяемыми рабочими телами. Так, например, гелий обладает сверхтекучестью, что определяет повышенные требования к уплотняющим элементам рабочий рабочих поверхностей поршней, штока вытеснителя и т.д. Формирование облика перспективных, предполагаемых к производству машин Стирлинга невозможно без разработки новых технических решений основных узлов.
Следующая проблема - это высокий уровень технологии производства. Данная проблема связана с необходимостью применения в машинах Стирлинга жаростойких сплавов и цветных металлов, их сварки и пайки. Отдельный вопрос - изготовление регенератора и насадки для него, обеспечивающих одновременно высокую теплоемкость и низкое гидравлическое сопротивление. Все это требует высокой квалификации рабочего персонала и современного технологического оборудования.
Ожижитель, построенный с использованием цикла Стирлинга, показан на рисунке.
Особенности:
отсутствуют клапаны;
нет расхода рабочего тела.