Контрольные вопросы и задания:

1. Изобразите схему цикла с простым дросселированием и его процессы в T-s координатах.

2. Как определяются основные характеристики цикла с простым дросселированием?

3. Изобразите схему цикла с предварительным охлаждением и дросселированием, его процессы в T-s координатах.

4. Как определяются основные характеристики цикла с предварительным охлаждением и дросселированием?

5. Изобразите схему цикла с двойным дросселированием и циркуляцией части потока и его процессы в T-s координатах.

6. Как определяются основные характеристики с двойным дросселированием и циркуляцией части потока?

7. Изобразите схему цикла с двойным дросселированием и циркуляцией части потока и его процессы в T–s координатах.

8. Как определяются основные характеристики с двойным дросселированием и циркуляцией части потока?

9. Изобразите схему цикла с двойным дросселированием и предварительным охлаждением и его процессы в T-s координатах.

10. Как определяются основные характеристики цикла с двойным дросселированием и предварительным охлаждением?

11. Изобразите схему цикла Клода и его процессы в T-s координатах.

12. Как определяются основные характеристики цикла Клода?

13. Изобразите схему цикла Гейляндта и его процессы в T-s координатах.

14. Как определяются основные характеристики цикла Гейляндта?

15. Изобразите схему цикла Капицы и его процессы в T-s координатах.

16. Как определяются основные характеристики цикла Капицы?

17. Изобразите схему цикла Гейляндта и его процессы в T-s координатах.

18. Как определяются основные характеристики цикла Гейляндта?

19. Изобразите схему цикла с расширением в детандере, дросселированием и предварительным охлаждением и его процессы в T-s координатах.

20. Как определяются основные характеристики цикла с расширением в детандере, дросселированием и предварительным охлаждением?

8. Газовые холодильные машины

Газовые холодильные машины (ГХМ) относятся к классу поршневых. Характерной особенностью ГХМ является то, что изменяющиеся объемы полостей расширения и сжатия постоянно гидравлически связаны с объемами теплообменных аппаратов.

В теплообменных аппаратах ГХМ производится регенерация теп-лоты, подвод и отвод теплоты от рабочего газа машины к внешним тепловым источникам. Блок теплообменных аппаратов состоит из аппаратов внешнего теплообмена и регенераторов. Аппараты внешнего теплообмена предназначены для связи рабочего вещества с внешними источниками теплоты.

Регенератор в ГХМ является обязательным элементом и играет роль теплового аккумулятора, который попеременно получает и отдает теплоту, протекающую через аппарат, рабочему веществу.

Принцип действия ГХМ рассмотрим на примере машины Стирлинга. В замкнутом цикле Стирлинга рабочее тело совершает круговой процесс, состоящий из двух изохор и двух изотерм (рис. 31). Теп-лота отводится из цикла в окружающую среду при температуре Т₀ в процессе сжатия, а теплота от охлаждаемого тела передается в цикл при температуре Т в процессе расширения. Регенерация теплоты в цикле осуществляется теоретически в процессе v = const.

Машина имеет цилиндр с двумя противоположно расположенными поршнями 1 и 7. Между поршнями расположены теплообменник нагрузки 3, регенератор 4 и холодильник 5. Объем 2, расположенный между левым поршнем 1 и теплообменником нагрузки 3, называют полостью расширения или детандерной полостью V_д. Объем 6 между холодильником 5 и торцом правого поршня 7 называют полостью сжатия или компрессорной полостью V_К. При перемещении поршней 1 и 7 объемы рабочих полостей V_д и V_К изменяются от своих минимальных значений до соответственно максимальных V_од и V_ОК. При этом газ постоянно течет в том или другом направлении в холодильнике 5, регенераторе 4 и теплообменнике нагрузке 3. В первом аппарате газ непрерывно взаимодействует с источником высокой температуры; во втором - с насадкой регенератора и в третьем - с источником низкой температуры Т_х.

Рассмотрим рабочий цикл машины. Предположим, что в начале цикла компрессорный и детандерный поршни 7 и 1 находятся в крайнем правом положении. В этом случае рабочее тело находится в основном в компрессорной полости и блоке теплообменных аппа-ратов. Объем рабочего тела - максимальный.

Фаза 1. Во время процесса сжатия 1-2 компрессорный поршень 7 движется влево, а детандерный поршень 1 остается неподвижным.

Фаза 2. Рабочее тело сжимается в компрессорной полости 6, давление газа увеличивается, а теплота сжатия Q_K отводится от рабочего тела в холодильнике 5 в окружающую среду.

Фаза 3.В процессе 2-3 оба поршня движутся одновременно таким образом, что объем между ними остается постоянным. При переталкивании из компрессорной в детандерную полость рабочий газ охлаждается в холодильнике 5 и далее в регенераторе 4.

а)

б) в)

Рис. 31. Обратный цикл Стирлинга. Принципиальная схема машины Стирлинга и реализация рабочего цикла:

а) положение поршней в основных точках цикла; б) диаграмма «время-перемещение-объем»; в) изображение цикла в координатах p-v и Т-s

Фаза 4. В процессе расширения 3-4 детандерный поршень 1 продолжает свое движение влево, объем расширительной полости увеличивается и достигает максимальной величины; компрессорный поршень остается неподвижным. С увеличением объема в системе происходит уменьшение давления и температуры рабочего вещества.

Фаза 5. Замыкающим процессом цикла является процесс 4-1, во время которого поршни синхронно перемещаются вправо, переталкивая рабочий газ из полости расширения в компрессорную полость при постоянном объеме. При прохождении рабочего вещества через теплообменник нагрузки 3 к нему подводится теплота Q_x от внешнего теплового источника Т_х, от источника низкой температуры (ИНТ). При прохождении через пористую насадку регенератора рабочий газ нагревается, отнимая теплоту, аккумулированную насадкой во время процесса 2-3, и достигает уровня температуры T_oт.

Для получения криогенных температур необходимо обеспечить прерывистое перемещение поршней и провести следующие процессы: изотермическое сжатие с отводом теплоты к тепловому источнику с источником высокой температуры (ИВТ), охлаждение газа при неизменном объеме до Т_х; расширение газа с подводом теплоты от ИНТ с температурой Т_х и нагрев газа при постоянном объеме от Т_х до Т_ос. Таким образом, цикл Стирлинга осуществляется в одном объеме газа, который поочередно связывают с тепловыми источниками разной температуры. На практике в машине Стирлинга прерывистое движение поршней заменяется непрерывным, т.к. первое сопряжено с созданием сложной конструкции приводов поршней.

Рис. 32. Схемы (а-г) и диаграммы (д) газовых холодильных машин, работающих по обратному циклу Стирлинга: а) с двумя рабочими (нагруженными) поршнями; б) с одним рабочим поршнем и поршнем-вытеснителем (с двумя цилиндрами); в) с одним рабочим поршнем и поршнем-вытеснителем, расположенными соосно; г) с одним рабочим поршнем и перемещающимся регенератором-вытеснителем; 1 - компрессорный, или рабочий поршень; 2 - водяной (или воздушный) холодильник; 3 - регенератор; 4 - детандерный поршень, или вытеснитель; 5 - теплообменник для снятия нагрузки (охладитель)

Колебания поршней осуществляются по гармоническому закону. Движение детандерного и компрессорного поршня сдвинуты по фазе на угол .

В конструктивном отношении для холодильных машин такого типа характерны следующие схемы:

с двумя рабочими поршнями (под рабочим подразумевается поршень, нагруженный силами давления) (рис. 32, а);

с одним рабочим поршнем и поршнем-вытеснителем, разгруженным в идеальной машине от сил давления (рис. 32, б-г);

с одним рабочим поршнем и подвижным регенератором, играющим одновременно роль вытеснителя (рис. 32, г).

В машинах с вытеснителем и вытеснителем-регенератором рабочий поршень и вытеснитель могут быть расположены соосно в одном цилиндре (рис. 32, в) или в разных цилиндрах (рис. 32, г).

Газовые холодильные машины получили широкое применение благодаря компактности и эффективности. Циклы газовых холодильных машин используют в так называемой микрокриогенной технике. Кроме цикла Стирлинга, в криогенных газовых машинах используются циклы Эриксона, Гиффорда-Мак-Магона, Велюме-Танониса.