Исследование процесса работы низкотемпературной установки глубокого холода

Н.А.Федосеев, А.М.Симонов

В технике низких температур в числе установок машинного охлаждения широко распространены криогенные газовые машины (КГМ), работающие по циклу Стирлинга. Эти машины объёмного действия имеют сложный механизм движения, обеспечивающий гармоническое движение поршней компрессорной и детандерной полостей, соответственно, сжатия и расширения. Перспективна разработка конструкции с прерывистым движением поршней компрессора и детандера, что позволяет осуществить теоретический цикл с протеканием процессов по изотермическим и изохорическим процессам изменения параметров рабочего вещества по законам T=const и v=сonst.

Для получения основных показателей такого обратного цикла протекающие процессы полагаются обратимыми. Процесс изотермического сжатия в цилиндре компрессора от некоторого начального состояния 1 до состояния 2 протекает на верхнем температурном уровне Т внешней среды, в которую отводится удельное количество тепла q. Затем рабочее вещество-газ протекает из цилиндра компрессора в цилиндр детандера, проходя через регенератор, в котором, сохраняя постоянный удельный объём v, отдаёт тепло насадке регенератора qрег в процессе 2-3, достигая низкого температурного уровня T0 в точке 3. В полости цилиндра детандера происходит процесс изотермического расширения при T0=сonst  сжатого холодного газа 3-4 с поглощением тепла q0 от охлаждаемой внешней среды. В данном процессе вырабатывается холод с удельной холодопроизводительностью q0. Далее следует заключительный процесс 4-1 прохождения газа из цилиндра детандера в цилиндр компрессора через регенератор, в котором при v=const рабочее вещество нагревается до температуры верхнего уровня Т.  Учитывая, что при осуществлении цикла приращение энтропии рабочего вещества Δs=0, сумма энтропий составляющих процессов равна  Δs1-2+ Δs2-3+ Δs3-4+ Δs4-1=0. Из этого условия следует, что изменения энтропий по модулю при процессах сжатия и расширения равны, т.е. Δs1-2= Δs3-4. Критерий термодинамической эффективности цикла – холодильный коэффициент ε определяется отношением холодопроизводительности  к затраченной работе цикла.

Учитывая приведённые соотношения, получим выражение для определения холодильного коэффициента в виде: Ɛ=Т0/(Т-Т0). Проведённые расчёты показателей цикла, параметров компрессора и детандера при различных температурных условиях охлаждения позволили установить, что с понижением температуры охлаждения значительно возрастает затрачиваемая работа. В частности, для достижения перевода азота в жидкое состояние затрата работы на охлаждение от верхнего уровня температуры криогенной области 120К до температуры ожижения 77К в 1,8 раза выше, чем для ожижения кислорода, для которого эта температура равна 90К. Для водорода с нормальной температурой сжижения 20К работа возрастает в15 раз.

 Проведённое исследование показывает, что для приближения теоретического цикла КГМ к циклу Т=const, v=const, имеющему высокий холодильный коэффициент, целесообразно использовать прерывистое движение поршней компрессора и детандера. В частности, рекомендуется применить конструкцию машины с приводными линейными электродвигателями. Эффективность работы машины возрастает при уменьшении интервалов температур верхнего и нижнего уровней. Это обуславливает применение КГМ как источника предварительного охлаждения в дроссельных циклах на небольшие перепады температур.

Литература

 Архаров А.М., Марфенина И.В., Микулин Е.И. Криогенные системы: Основы теории и расчёта – М.: Машиностроение, 2008.-464 с.