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 - Regenerator - Węzeł kinematyczny tłok_cylinder
Schemat urządzenia Stirlinga w konfiguracji alfa
Schemat urządzenia Stirlinga w konfiguracji alfa
arch. autora
Ciąg dalszy artykułu...

Regenerator

Wskaźniki pracy urządzenia realizującego obieg Stirlinga zależą przede wszystkim od sprawności takich elementów, jak nagrzewnica, chłodnica i regenerator.

Żeby uzyskać największą sprawność obiegu teoretycznego Stirlinga, należy zapewnić największą temperaturę gorącego źródła, najdoskonalszą regenerację ciepła w regeneratorze oraz jak najniższą temperaturę w cylindrze kompresyjnym.

Częścią regeneratora odpowiadającą za procesy wymiany ciepła oraz charakterystykę pracy jest wkład, który w celu uzyskania wysokiej sprawności powinien się charakteryzować małym promieniem hydraulicznym (0,1–0,2 mm) kanałów (lub porów), poprzez które przepływa gaz, wysokim współczynnikiem dyfuzyjności cieplnej w kierunku prostopadłym do przepływu gazu oraz małą przewodnością cieplną w kierunku przepływu gazu. Jest to konieczne w celu utrzymania na podobnym poziomie temperatury matrycy oraz gazu w przekroju poprzecznym do przepływu. Dodatkowo duża pojemność cieplna wkładu jest wymagana w celu zapobieżenia wahaniom temperatury wpływającym na różnicę temperatur na wylotach z regeneratora.

Rys. 3. Przykład wkładu płytkowego regeneratora wykonanego z materiału ceramicznego [25]
Rys. 3. Przykład wkładu płytkowego regeneratora wykonanego z materiału ceramicznego [25]; rys. arch. autora

Wymienione cechy mają bardzo istotny wpływ na prawidłowe działanie regeneratora. Spełnienie tych wszystkich wymagań nie jest możliwe, ponieważ często wykluczają się one wzajemnie i zaprojektowanie efektywnego wymiennika pociąga za sobą konieczność kompromisu. W praktyce tworzy się modele matematyczne regeneratorów i poddaje je optymalizacji.

We współcześnie produkowanych regeneratorach stosuje się materiały ceramiczne lub metalowe. Zwykle wyższe sprawności wykazują regeneratory ceramiczne, gdyż mniejszy wpływ na obniżenie sprawności mają wahania temperatury matrycy niż przewodność cieplna wzdłuż przepływu (rys. 3).

Na podstawie wieloletnich badań oraz doświadczeń związanych z budową maszyn Stirlinga można stwierdzić, że najlepszymi materiałami na wkłady regeneratora stanowiących jego złoże są [6, 8, 13, 18, 20, 25, 27]:

  • kulki ceramiczne lub metalowe,
  • materiał ceramiczny w formie cienkich płytek lub pianki,
  • skrętki z drutu metalowego,
  • wełna metalowa,
  • metal gąbczasty,
  • druty metalowe o kształcie falistym umieszczone wewnątrz metalowych rurek prostoliniowych,
  • siatka druciana,
  • metalowe rurki prostoliniowe.

Podsumowując, regeneratory muszą mieć w założeniu dużą sprawność wymiany ciepła przy jednocześnie małych oporach przepływu czynnika, niską cenę oraz odpowiednią trwałość w temperaturach pracy.

Węzeł kinematyczny tłok – cylinder

Obieg gazu w maszynach realizujących obieg Stirlinga jest obiegiem zamkniętym, w którym gaz nie jest wymieniany, a instalacja przez cały okres eksploatacji powinna być szczelna. W niektórych rozwiązaniach konstrukcyjnych muszą być stosowane dodatkowe zapasowe zbiorniki gazu roboczego w celu jego uzupełniania w razie wystąpienia drobnych nieszczelności.

W urządzeniach, w których węzeł kinematyczny tłok – cylinder jest smarowany olejami, bezpośredni kontakt oleju smarnego i gazu powoduje jego przemieszczanie w postaci mikrokropel. Z tego powodu w urządzeniu Stirlinga działającym jako hermetyczne zastosowanie smarowania olejem cylindrów jest kłopotliwe lub wręcz niemożliwe.

Jednym z najbardziej istotnych problemów jest możliwość przedostawania się oleju do szczelin regeneratora. Szczeliny te charakteryzują się małym promieniem hydraulicznym w celu osiągnięcia dużej sprawności regeneratora i dlatego pracujące w urządzeniu grupy tłokowe powinny być wykonane jako bezolejowe, tzn. pracujące w warunkach tarcia technicznie suchego.

Rys. 4. Przełom poprzeczny warstwy tlenkowej (pow. 300×) [5]
Rys. 4. Przełom poprzeczny warstwy tlenkowej (pow. 300×) [5]; rys. arch. autora

Takie rozwiązanie wymusza zastosowanie zupełnie innych niż w tradycyjnych sprężarkach czy silnikach materiałów, zarówno na gładzie cylindrów, jak i pierścieni tłokowych [5, 11, 15, 16, 22, 25]. Tuleje cylindryczne mogą być wykonane ze stopu na bazie aluminium, a pierścienie tłokowe z kompozytu opartego na policzterofluoroetylenie (nazwy handlowe to m.in. Teflon i Tarflen).

Badania [5, 11, 22] potwierdziły, że właściwości tribologiczne (tarcia) takiego skojarzenia zapewniają lepszą współpracę ślizgową niż pierścieni tarflenografitowych z gładziami wykonanymi ze stali stopowych i powierzchni chromowanych.

Warstwa tlenkowa, która tworzy gładź cylindra, ma strukturę włóknisto-kanalikową. Ponieważ kanaliki rozchodzą się w kierunku prostopadłym do gładzi (rys. 4), umożliwia to wprowadzenie do porów dodatkowego materiału w celu jeszcze większego zmniejszenia tarcia i zużycia warstwy tlenkowej.

Są to skojarzenia nowej generacji, których właściwości tribologiczne (tarcia) mogą być regulowane w sposób zaplanowany poprzez zastosowanie odpowiedniej technologii wykonania.

Czytaj też: Inteligentny budynek – znaczenie instalacji HVAC i OZE >>>

Chcesz być na bieżąco? Czytaj nasz newsletter!
   07.06.2016

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie

 


Czym mogą Cię zaskoczyć nowoczesne pompy do wody »

pompy do wody

 



Zadbaj o bezpieczeństwo swoje i swoich pracowników » Szukasz partnera w projektowaniu inżynieryjnym i specjalistycznym? »
bezpieczeństwo instalatora pomoc w projektowaniu
czytam więcej » poznaj go już dziś »

 


Jak projektować instalacje najwyższej jakości »

innowacyjne projektowanie

 



Poznaj bezpieczne systemy do dezynfekcji wody pitnej i basenowej » Jakich zabezpieczeń wentylatorów dachowych potrzebujesz »
czysta woda wentylator dachowy
wiem więcej » spróbuj już dziś »

 


Czy klimatyzacja jest zdrowa »

wentylacja

 



Kompendium wiedzy o procesach wymiany ciepła » Czy ogrzewanie może wpływać na nasze zdrowie »
pompy woda powietrze pompy ciepła
wiem więcej » wiem więcej »

 


Jak dobrze odseparować wodę kanalizacyjna od gruntowej »

studzienka kanalizacyjna

 


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
9/2019

Aktualny numer:

Rynek Instalacyjny 9/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Dofinansowanie ogrzewania i fotowoltaiki
  • - Eksploatacja gruntowych pomp ciepła
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