Załóż konto na portalu i bezpłatnie pobierz wydanie Rynku Instalacyjnego 7-8/2018

Wybrane aspekty projektowania urządzeń pracujących w obiegu Stirlinga

Projektowanie urządzeń Stirlinga – wybrane aspekty - Model matematyczny - Gaz roboczy_ ciśnienia napełniania
Schemat urządzenia Stirlinga w konfiguracji alfa
Schemat urządzenia Stirlinga w konfiguracji alfa
arch. autora
Ciąg dalszy artykułu...

Projektowanie urządzeń Stirlinga – wybrane aspekty

Model matematyczny

Ze względu na konstrukcję urządzenia realizujące obieg Stirlinga można podzielić pod względem konfiguracji geometrycznej na trzy grupy, tj. alfa, beta oraz gamma. Dodatkowo, jako kolejną konfigurację, można rozpatrywać tzw. urządzenia termoakustyczne z falą biegnącą [1, 2, 3, 4, 6].

Największą efektywność osiągają urządzenia typu alfa. Wynika to z najmniejszej liczby procesów nieodwracalnych oraz najmniejszej przestrzeni szkodliwej spośród wszystkich konfiguracji. Wadą jest tu konieczność uszczelnienia obu tłoków. Rys. 1 (patrz: rysunek główny) przedstawia schemat konfiguracyjny urządzenia Stirlinga typu alfa.

W rzeczywistym urządzeniu Stirlinga gaz roboczy zamknięty jest w przestrzeni składającej się z cylindrów oraz wymienników ciepła, w tym regeneratora.

Podczas pracy urządzenia gaz przemieszcza się w przestrzeni roboczej i jest poddawany przemianom. Jednak nigdy nie dochodzi do sytuacji, w której opuszcza on całkowicie którykolwiek z elementów przestrzeni roboczej. Czynnik roboczy pozostaje podczas cyklu we wszystkich składowych przestrzeniach komory roboczej w temperaturze zależnej od tej przestrzeni. Stanowią  one przestrzeń szkodliwą urządzenia i dąży się do ich minimalizacji.

Dlatego do teoretycznej analizy obiegu najlepiej wykorzystać metody uwzględniające wyżej opisany charakter procesów zachodzących w maszynie Stirlinga, takie jak np. analiza Schmidta, która jest podstawowym i najprostszym narzędziem do wstępnego wymiarowania opisywanych urządzeń. Zakłada ona izotermiczne przemiany czynnika roboczego w cylindrach. W modelu zakłada się, że przemiany termodynamiczne zachodzą w poszczególnych sekcjach urządzenia, które są traktowane jako odrębne objętości kontrolne (rys. 2).

Rys. 2. Schemat dyskretyzacji przestrzeni maszyny Stirlinga w analizie Schmidta
Rys. 2. Schemat dyskretyzacji przestrzeni maszyny Stirlinga w analizie Schmidta; rys. archiwum autora

Cykl pracy urządzenia (jeden obrót wału) dzieli się na elementarne kąty dΦ, w których stan gazu rozpatrywany jest jako ustalony.

Efektem końcowym są stany gazu w poszczególnych objętościach składowych przestrzeni roboczej w danych, dyskretnych chwilach cyklu Stirlinga (przy założeniu, że Φ = 2PI/czę­stotliwość).

Uzupełniając model o nieodwracalność poszczególnych procesów zachodzących w wymiennikach poprzez wprowadzenie oporów przepływu gazu oraz strat ciepła przez regenerator i obudowę urządzenia, można przeprowadzić optymalizację urządzenia, wyznaczając przesunięcie fazowe cylindrów.

Opracowany w ten sposób termodynamiczny model matematyczny z dyskretyzacją czasu pozwala na wyznaczenie wymiarów poszczególnych elementów urządzenia, tj. wymienników ciepła, regeneratora, cylindrów oraz skoku tłoka i kąta przesunięcia fazowego [7, 9, 12, 15, 19, 24, 25].

Gaz roboczy, ciśnienia napełniania

Oprócz samej konstrukcji silnika na jego sprawność ma również wpływ rodzaj zastosowanego gazu roboczego. Spośród gazów technicznych najczęściej mających zastosowanie w urządzeniach Stirlinga należy wymienić hel, wodór oraz powietrze [8, 13, 14, 21, 24, 25, 27]. Największą sprawność wykazują silniki, gdzie jako gazu roboczego użyto wodoru oraz helu, ponieważ z analizy termodynamicznej wynika, że sprawność urządzenia rośnie wraz z wykładnikiem izentropy oraz indywidualnej stałej gazowej. Pozostałe parametry mające wpływ na sprawność to m.in. współczynnik lepkości dynamicznej oraz współczynnik przewodności cieplnej.

Z tych trzech wymienionych gazów technicznych najlepsze parametry mają wodór oraz hel. Zastosowanie wodoru i helu zapewnia dużą sprawność regeneratora i wymienników ciepła przy równoczesnych małych stratach ciśnienia na przepompowanie gazu przez pakiet wymienników.

Wodór pomimo łatwej dostępności oraz niskiej ceny nie jest chętnie stosowany, nie tyle ze względów bezpieczeństwa, co z powodu, że w wysokich temperaturach ulega dyfuzji i bardzo łatwo przenika przez ścianki i uszczelnienia. Wiąże się to z koniecznością jego okresowego uzupełniania.

Z kolei powietrze, mimo że jest tanie i łatwo dostępne, ze względu na dużo niższe parametry termodynamiczne jest jak na razie rzadziej brane pod uwagę jako gaz roboczy podczas projektowania silnika Stirlinga. Najczęściej więc gazem roboczym stosowanym w tych urządzeniach jest hel.

Jednym z trudniejszych zadań stojących przed projektantami jest uszczelnienie zamkniętej porcji gazu w komorze roboczej maszyny Stirlinga (szczególnie dotyczy to przypadku, gdy gazem roboczym jest wodór oraz, w mniejszej skali, hel).

Jak wspomniano, w celu osiągnięcia wysokiej gęstości energii uzyskiwanej w silniku (stosunku mocy silnika do jego masy) wskazane jest jak największe ciśnienie robocze w komorze urządzenia.

Zastosowanie skrzynki korbowej pracującej w ciśnieniu atmosferycznym (np. SOLO) wymaga uszczelnienia pierścieniowego poddawanego dużej różnicy ciśnień, które wynika z różnicy ciśnienia panującego chwilowo w przestrzeni roboczej (ciśnienie średnie + 1/2 amplitudy ciśnienia) oraz ciśnienia atmosferycznego. Z tego powodu lepszym rozwiązaniem jest skrzynka korbowa ciśnieniowa.

Urządzenie (zarówno przestrzeń robocza, jak i skrzynka korbowa) jest wtedy napełnione czynnikiem o średnim ciśnieniu pracy. Można założyć, że zmiany ciśnienia w relatywnie dużej (w porównaniu z przestrzenią roboczą) objętości gazu wypełniającego skrzynkę korbową wynikające z adiabatycznego sprężania poprzez ruch elementu roboczego (tłoka) są pomijalne. W tym rozwiązaniu maksymalna różnica ciśnień, jakiej poddawane jest uszczelnienie tłoka, wynika jedynie z 1/2 amplitudy ciśnienia, co oznacza, że jest kilkukrotnie niższa niż w przypadku skrzynki korbowej pracującej w ciśnieniu atmosferycznym.

Rozwiązanie to wymaga napełnienia znacznie większą porcją gazu całego urządzenia, ale uszczelnienie staje się znacznie prostsze, gdyż jest realizowane na złączach kołnierzowych, a nie na ruchomym elemencie, którym jest tłok. Dzięki temu raz napełnione urządzenie nie będzie wymagało okresowego dopełniania stosowanego w urządzeniach bez ciśnieniowej skrzynki korbowej.

Czynione są próby zastosowania powietrza lub azotu jako gazu roboczego (zamiast wodoru i helu), godząc się z obniżeniem sprawności urządzenia, ale zyskując na zmniejszeniu problemów z uszczelnieniem.

Czytaj też: Ocena sposobu rozliczania kosztów ogrzewania lokalu w budynku wielorodzinnym na podstawie indywidualnego rachunku >>>

Chcesz być na bieżąco? Czytaj nasz newsletter!
   07.06.2016

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie

 


Zdradzamy sposób na projektowanie instalacji najwyższej jakości »

projektowanie

 



Z jakiego powodu tworzywa sztuczne zdominowały rynek wod-kan » Jak bez problemowo przeprowadzić iniekcję mikropali, kotew i gwoździ gruntowych »
bezpieczeństwo instalatora pomoc w projektowaniu
czytam więcej » poznaj go dziś »

 


Czy można dobrze odseparować wodę kanalizacyjną od gruntowej »

innowacyjne projektowanie

 



Poznaj bezpieczne systemy do dezynfekcji wody pitnej i basenowej » Jak zabezpieczyć wentylatory dachowe »
czysta woda wentylator dachowy
wiem więcej » spróbuj już dziś »

 


Przedłuż certyfikat HVAC bez wychodzenia z firmy »

szkolenia hvac

 



Czy łatwo zainstalować podwieszaną toaletę » Z jakego powodu ta pompa wyprzedza przyszłość »
podwieszana toaleta pompy ciepła
wiem więcej » wiem więcej »

 


Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »

Co Szperacz wyszperał ;-)

źle wykonana instalacja

Sztywniactwo i niechlujstwo - zobacz i skomentuj »

Dla tych, którzy szukają bardziej elektryzujących wrażeń Szperacz ma dziś coś specjalnego - rozdzielnia w toalecie.

zaślepka


TV Rynek Instalacyjny


 tv rynek instalacyjny
10/2019

Aktualny numer:

Rynek Instalacyjny 10/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Ogrzewanie obiektów przemysłowych
  • - Wentylacja domów jednorodzinnych
Zobacz szczegóły
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright © 2011 - 2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl