Obieg Ackereta-Kellera i lewobieżny obieg Philipsa(Stirlinga)

Obieg Ackereta-Kellera
i lewobieżny obieg Philipsa(Stirlinga)
Opracowała:
Natalia Strzęciwilk
nr albumu 127633
IM-M sem.01
Gdańsk 2013
Spis treści
1. Obiegi gazowe
2. Obieg Ackereta-Kellera
2.1.
Podstawy teoretyczne
2.2.
Techniczne możliwości realizacji
3. Lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga)
3.1.
Podstawy teoretyczne
3.2.
Techniczne możliwości realizacji
4. Literatura
1. Obiegi gazowe
Obieg temodynamiczny jest połączeniem kilku przemian, po przejściu przez które
substancja robocza powraca do stanu równowagi. Substancja robocza krąży w obiegu
zamkniętym, co powoduje stałość jej masy – m=const.
Rys. 1. Przykładowy obieg termodynamiczny gazu w cylindrze
Wszystkie substancje mogą podlegać przemianą. Jeden z parametrów pozostaje bez
zmian, natomiast pozostałe parametry są zmienne w czasie w zależności od tego warunku.
Dzięki oddziaływaniu na system na jego granicy uzyskuje się stałość parametru . Dla
podstawowych parametrów p, T, V wyróżnia się przemiany charakterystyczne:

Izobaryczną, gdzie P = const, tzn. P1 = P = P2 = idem,

Izotermiczną, gdzie T = const, tzn. T1 = T = T2 = idem,

Izochoryczną, gdzie v = const, tzn. v1 = v = v2 = idem.
Dodatkowo wyróżnia się przemianę, która nie niesie ze sobą wymiany ciepła z otoczeniem –
adiabatyczną. Charakteryzują ją parametr s=const.
Obiegi termodynamiczne można podzielić na prawobieżne i lewobieżne. Obiegi
prawobieżne charakteryzują się dodatnią pracą obieg, co oznacza, że czynnik roboczy oddaje
ciepło do otoczenia na sposób pracy. Natomiast obiegi lewobieżne po zbilansowaniu
wykonują pracę ujemną.
Rys. 2. Obieg prawobieżny i obieg lewo bieżny
2. Obieg Ackereta – Kellera
2.1. Podstawy teoretyczne
Obieg Ackereta – Kellera, nazywany także obiegiem Ericsona, jest obiegiem z
regeneracją ciepła. Charakterystyczną cechą tego obiegu jest brak przemiany adiabatycznej.
Sprężanie i rozprężanie odbywają się w nim na sposób izotermiczny T=const. W trakcie
przemian izotermicznych ciepło jest doprowadzane oraz wyprowadzane z układu. Natomiast
przemiana izobaryczna P=const służy przenoszeniu ciepła regeneracji .
Rys. 3. Obieg Ackereta – Kellera w układzie P-v
Teoretyczny obieg Ericsona zakłada rozprężanie przy stałej temperaturze –
doprowadzenie ciepła z zewnętrznego źródła (1-2), następnie regenerację przy stałym
ciśnieniu, czyli przepływ ciepła wewnątrz układu od czynnika roboczego do regeneratora (23). Przemiana 3-4 realizowana jest dzięki sprężaniu przy stałej temperaturze –ciepło
odprowadzone jest do otoczenia. Jako ostatnia odbywa się regeneracja przy stałym ciśnieniu,
w której przepływ ciepła odbywa się wewnątrz układu z regeneratora do czynnika roboczego
(4-1).
2.2. Techniczne możliwości realizacji
Techniczna możliwość realizacji obiegu Ackereta – Kellera opiera się na układzie
złożonym ze sprężarki, silnika i regeneracyjnego wymiennika ciepła. Cylindry maszyn układu
są tak silnie ogrzewane lub ochładzane, że uzyskuje się niezmienność temperatury gazu
odbywającego przemianę T=const. W regeneracyjnym wymienniku ciepła gazy przepływają
bez zmiany ciśnień P=const. Silnik może być również zastąpiony turbiną. W idealnym
przypadku ciepły strumień gazu ochładza się w wymienniku ciepła do temperatury Tmin i
analogicznie chłodny czynnik roboczy ze sprężarki podgrzewa się do temperatury Tmax.
Rys. 4. Schemat układu realizującego obieg Ackereta – Kellera
Sprawność układu realizującego obieg Ackereta – Kellera dąży do sprawności układu
realizującego obieg Carnota.
3. Lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga)
3.1. Podstawy teoretyczne
Obieg Philipsa, nazywany także odwróconym obiegiem Stirlinga, jest obiegiem z
regeneracją ciepła. Charakterystyczną cechą tego obiegu jest brak przemiany adiabatycznej.
Sprężanie i rozprężanie odbywają się w nim na sposób izotermiczny T=const. W trakcie
przemian izotermicznych ciepło jest doprowadzane oraz wyprowadzane z układu. Natomiast
przemiana izochoryczna v=const służy przenoszeniu ciepła regeneracji.
Jest on obiegiem porównawczym dla chłodziarki gazowej firmy Philips stosowanej do
osiągania bardzo niskich temperatur równych w przybliżeniu 20 K, a w przypadku
dwustopniowym nawet 10 K.
Rys. 5. Obieg Philipsa w układzie P-v
Teoretyczny obieg Stirlinga zakłada rozprężanie przy stałej temperaturze –
doprowadzenie ciepła z zewnętrznego źródła (1-2), następnie regenerację przy stałej
objętości, czyli przepływ ciepła wewnątrz układu od czynnika roboczego do regeneratora (23). Przemiana 3-4 realizowana jest dzięki sprężaniu przy stałej temperaturze –ciepło
odprowadzone jest do otoczenia. Jako ostatnia odbywa się regeneracja przy stałej objętości,
w której przepływ ciepła odbywa się wewnątrz układu z regeneratora do czynnika roboczego
(4-1).
3.2. Techniczne możliwości realizacji
Techniczna możliwość realizacji obiegu Philipsa, podobnie jak w przypadku obiegu
Ackereta – Kellera, opiera się na układzie złożonym ze sprężarki, silnika i regeneracyjnego
wymiennika ciepła. Cylindry maszyn układu są tak silnie ogrzewane lub ochładzane, że
uzyskuje się niezmienność temperatury gazu odbywającego przemianę T=const. W
regeneracyjnym wymienniku ciepła gazy przepływają bez zmiany objętości v=const. Silnik
może być również zastąpiony turbiną. W idealnym przypadku ciepły strumień gazu ochładza
się w wymienniku ciepła do temperatury Tmin i analogicznie chłodny czynnik roboczy ze
sprężarki podgrzewa się do temperatury Tmax.
Rys. 6. Schemat układu realizującego obieg Stirlinga
Rys. 7. Przykład układu realizującego obieg Stirlinga
Realizacja obiegu Philipsa wykorzystywana jest w silniku Stirlinga. Regeneracja ciepła
odbywa się przy stałej objętości V = const, która nie jest wywołana spoczynkiem, ale
odpowiednią kinematyką obu tłoków. Stałą objętość gazu uzyskuje się podczas przepływu
przez porowatą masę regenerującą energię cieplną.
Sprawność układu realizującego obieg Philipsa dąży do sprawności układu
realizującego obieg Carnota. Poniższy wzór opisuje sprawność obiegu.
4. Literatura

Chorowski M., Podstawy kriogeniki, Wykład 10

Pudlik W., Termodynamika, Wydawnictwo PG, Gdańsk 2011

Smołka J., Technika cieplna II, Tłokowe silniki spalinowe, www.itc.polsl.pl/smolka

Szargut J., Termodynamika techniczna, Wydawnictwo PŚ, Gliwice 2011

Targański W., Techniki niskotemperaturowe, materiały z wykładów