ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. академика С.П. КОРОЛЕВА»

(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

(СГАУ)

Кафедра «Теплотехники и тепловых двигателей»

Курсовая работа

по курсу «Системы охлаждения, кондиционирования и вентиляции энергетических установок»

«РАСЧЁТ ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ СТИРЛИНГА»

Выполнил: Шепелев Е.А.

студент гр.2407 С334

Проверил: Белозерцев В.Н.

Самара 2016

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка: 30 стр, 15 рис, 3 таблицы, 3 источника

ЦИКЛ СТИРЛИНГА, ТЕМПЕРАТУРА ГОРЯЧЕЙ ПОЛОСТИ, ТЕМПЕРАТУРА ХОЛОДНОЙ ПОЛОСТИ, ОБЪЁМ ГОРЯЧЕЙ ПОЛОСТИ, ОБЪЁМ ХОЛОДНОЙ ПОЛОСТИ, ОБОРОТЫ ВАЛА, МАССА ЗАПРАВКИ, ПОТЕРИ В РЕГЕНЕРАТОРЕ, ХОЛОДОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

В работе, по заданным температурам горячей и холодной полостей Т_Г и Т_Х; оборотам вращения коленчатого вала n; давлению заправки Р_З рабочего тела; виду рабочего тела; относительному мертвому объему (здесь объём пор регенератора); соотношению максимальных описанных объемов рабочих полостей ; определены максимальные объёмы компрессорной и детандерной полостей , рассчитаны энергетические характеристики базового образца: теплоты внешних источников Q₁, Q₂ и работу цикла , оценен регенеративный теплообменник; найдены действительные энергетические характеристики двигателя с учетом потерь в регенераторе.

СОДЕРЖАНИЕ

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 4

1 Описание принципа работы холодильной машины Стирлинга 6

МЕТОДИКА ШМИДТА РАСЧЁТА ХОЛОДИЛЬНОЙ МАШИНЫ СТИРЛИНГА 9

1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО УГЛА ПОВОРОТА 10

2 РАСЧЁТ ТЕКУЩЕГО ДАВЛЕНИЯ В ЦИКЛЕ 11

3 РАСЧЁТ РАБОТЫ В ЦИКЛЕ 13

4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕКУЩИХ ОБЪЁМОВ РАБОЧИХ ПЛОСКОСТЕЙ 14

5 ПОСТРОЕНИЕ P-V ДИАГРАММЫ РАБОЧИХ ПЛОСКОСТЕЙ 16

6 Расчёт регенеративного теплообменника двигателя стирлинга 18

6.2 РАСЧЁТ ПОТЕРЬ В РЕГЕНЕРАТОРЕ 25

7 Расчёт действительных характеристик с учётом потерь в регенераторе 31

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 32

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 33

Исходные данные

Рабочее тело гелий

Температура горячей полости Т_Г=300 К

Температура холодной полости Т_Х=80 К

Теплота внешнего источника Q₂=10 Вт

Обороты вала n=1500 об/мин

Давление заправки P_З=1 МПа

Температура заправки Т_З=300 К

Относительный мёртвый объём Х=8

Соотношение объёмов К=8

ВВЕДЕНИЕ

До недавнего времени системы автономного энергоснабжения, использовавшие традиционные тепломеханические агрегаты, удовлетворяли существующему уровню развития общества и техники. Однако обострение общенациональных, глобальных проблем, требующих срочного решения (истощение природных ресурсов, надвигающийся энергетический кризис, загрязнение окружающей среды, уменьшение озонового слоя Земли, усиление «парникового эффекта» и т.д.) привело к необходимости принятия в конце XX века ряда крупных международных и российских законодательных актов в области экологии, природопользования и энергосбережения. Основные требования этих законов направлены на сокращение выбросов С0₂, прекращение производства озоноразрушающих веществ и фреона R-12 как холодильного агента для парокомпрессионных холодильных машин (ПКХМ), ресурсо- и энергосбережение, перевод автотранспорта на экологически чистые моторные топлива и т.д.

Одним из перспективных путей в решении экологических и энергетических проблем является разработка и внедрение энергопреобразующих систем на основе машин, работающих по прямому и обратному циклам Стирлинга.

Конструктивно машины Стирлинга представляют собой сочетание в одном агрегате компрессора, детандера и теплообменных устройств: теплообменника нагрузки (нагревателя или конденсатора), регенератора и холодильника. В качестве рабочего тела используется, как правило, гелий, который во внутреннем контуре машины совершает прямой или обратный термодинамический цикл, состоящий из двух изотерм и двух изохор.

1 Описание принципа работы холодильной машины Стирлинга

Идеальный цикл Стирлинга состоит из четырёх термодинамических процессов – двух изотермических и двух изохорных, рисунок 1. Для иллюстрации работы холодильной машины на рисунке 1 изображен цилиндр с двумя поршнями и расположенным между ним регенератором. Регенератор – это пористая насадка, обладающая способностью поочередно поглощать и отдавать тепло. Он представляет собой металлическую насадку, состоящих из отдельных тонких проволочек или полосок. Объём цилиндра между левым поршнем и регенератором с находящимся в нем рабочим телом при высокой температуре Tmax – полость расширения, а объём между регенератором и правым поршнем с низкой температурой рабочего тела Tmin – полость сжатия. Следовательно, температурный градиент между торцевыми поверхностями регенератора равен Тmax - Тmin, в продольном направлении предполагается, что материал насадки имеет нулевую теплопроводность. Здесь так же, как и в цикле Карно, принимается, что движение поршней происходит без трения и без утечек рабочего тела, находящегося между поршнями.

В процессе изотермического сжатия (кривая 1-2) левый поршень неподвижен, а правый перемещается, сжимая газ в полости сжатия. Объём газа уменьшается от V₁ до V₂, давление увеличивается от P₁ до P₂; теплота Q₂ отводится от полости сжатия в окружающую среду; температура газа T_min=const.

В процессе изохорического сжатия (кривая 2-3) оба поршня перемещаются одновременно: правый поршень к регенератору, левый – от регенератора. Газ при постоянном объёме V₂ переходит из полости сжатия через регенератор в полость расширения. При прохождении газа через насадку регенератора теплота от материала насадки передаётся рабочему телу, вследствие чего температура его понижается и достигает значения Tmin – температуры полости расширения.

В процессе изотермического расширения (кривая 3-4) левый поршень перемещается от регенератора, а правый остается неподвижным. Объём газа увеличивается от V₃ до V₄, давление уменьшается от P₃ до P₄; теплота Q₂ подводится к газу в полости расширения; температура газа T_min=const. В процессе изохорического расширения (кривая 4-1) движение поршней одновременное: левый поршень движется к регенератору, правый – от регенератора. Газ при постоянном объёме V₄ возвращается из полости расширения через регенератор в полость сжатия. При прохождении газа через насадку регенератора теплота от рабочего тела передаётся материалу насадки, вследствие чего температура газа увеличивается и достигает значения T_max – температуры полости сжатия. Холодильный коэффициент идеального цикла Стирлинга равен холодильному коэффициенту. цикла Карно:

Рисунок. 1 - P-V, T-S диаграммы цикла Стирлинга и положение поршней для узловых точек цикла при прерывистом законе движения поршней.