Учебный вопрос № 4. Газовые холодильные машины

Газовые холодильные машины (ГХМ) получили широкое применение благодаря компактности и эффективности. Они относятся к классу поршневых. Характерной особенностью ГХМ является то, изменяющиеся объемы полостей расширения и сжатия постоянно гидравлически связаны с объемами теплообменных аппаратов.

В теплообменных аппаратах ГХМ производится регенерация теплоты, подвод и отвод теплоты от рабочего газа машины к внешним тепловым источникам. Блок теплообменных аппаратов ГХМ, как правило, состоит из одного или нескольких аппаратов внешнего теплообмена (АВТ) и одного или нескольких регенераторов. АВТ предназначены для передачи теплоты от среды с более высокой температурой к среде с низкой температурой, т.е. для обеспечения связи рабочего газа машины с внешними тепловыми источниками.

Регенератор в ГХМ является обязательным элементом и выполняет роль своеобразного «теплового аккумулятора», который попеременно получает и отдает теплоту протекающему через аппарат рабочему газу. Этот «тепловой аккумулятор» обладает специфическим свойствами: значительным перепадом температур на концах. зависящим от температур внешних тепловых источников; большой тепловой нагрузкой; высокой эффективностью передачи теплоты.

Принцип действия газовой холодильной машины рассмотрим на примере одного из вариантов конструкции машины Стирлинга, схема работы которой приведена на рис. 3.

Р

2 Т

qн2 о

2 1

qн2 о Т0

Т0

3 1 V2 V1

q Т

Т 3 4

Рmin 4 q

V2 V1 SV

а)qн2 о – теплота, отводимая в холодильнике в окружающую среду; q – теплота, подводимая в охладителе и передаваемая в полость расширения.

Т0 qН2О Т

1

2

3

4

q

1 1

2 2

3 3

4 4

1 1

НМТ ВМТ ВМТ НМТ

SК SД

б)

Рис. 3. Обратный (холодильный) цикл Стирлинга:

а – диаграммы р-v и Т-s; б – схема реализации в поршневой машине с двумя поршнями, регенератором, Р, холодильником и охладителем.

В замкнутом цикле Стирлинга рабочее тело совершает круговой процесс, состоящий из двух изохор и двух изотерм. Теплота 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.

Два поршня движутся в цилиндре прерывисто с углом сдвига по фазе β. В рабочем пространстве между поршнями размещен регенератор Р, который делит рабочую полость на две части – теплую и холодную. Иногда их условно называют полостями сжатия и расширения. В теплой полости поддерживается постоянной температура Т0 за счет отвода теплоты qН2О в холодильнике. В холодной полости температура Т постоянна (за счет подвода теплоты q через охладитель).