Принцип действия криогенной газовой машины.

Принцип действия криогенной газовой машины рассмотрим на примере одного из вариантов конструкции машины Стерлинга, схема которой приведена на рис. 5.1. Машина имеет цилиндр с двумя противоположно расположенными поршнями 1 и 7. Между поршнями расположены теплообменник нагрузки 3 («мертвый» объем V_тн, температура стенки Т_х), регенератор 4 («мертвый» объем V_р, среднемассовая температура газа в объеме Т_р) и холодильник 5 («мертвый» объем V_х,, температура стенки Т_от близкая к условиям окружающей среды Т₀). Объем 2, расположенный между торцом левого поршня 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 максимальных – V_од и V_ок. При этом газ постоянно течет в том или другом направлении в холодильнике 5, регенераторе 4 и теплообменнике нагрузки 3. В первом аппарате газ непрерывно взаимодействует с тепловым источником с температурой Т_от, во втором – с насадкой регенератора с промежуточными температурами (температурный градиент между торцевыми поверхностями регенератора равен Т_от–Т_х) и в третьем – с тепловым источником с температурой Т_х.

Рассмотрим рабочий цикл машины. Предположим, что в начале цикла компрессорный и детандерный поршни 7 и 1 находятся в крайнем правом положении (фаза 1); в этом случае рабочее тело машины находится в основном в компрессорной полости 6, а также в блоке теплообменных аппаратов (рис. 5.1,а,б).

Его объем максимальный, давление соответствует точке 1 на р–V-диаграмме (рис. 5.1,в). Во время процесса сжатия 1–2 компрессорный поршень 7 движется влево, а детандерный поршень 1 остается неподвижным – фаза II на диаграмме перемещения (рис. 5.1,б). Рабочее тело сжимается в компрессорной полости 6, давление газа увеличивается, а теплота сжатия Q_к отводится от газа в холодильнике 5 в окружающую среду.

В процессе 2–3 оба поршня движутся одновременно таким образом, что объем между ними остается постоянным (фаза II). При переталкивании из компрессорной в детандерную полость рабочий газ охлаждается в холодильнике 5 и далее, непрерывно взаимодействуя с пористой теплоемкой насадкой регенератора, охлаждается от Т_от до Т_х. Постепенное уменьшение температуры газа при прохождении его через насадку при постоянном суммарном объеме вызывает уменьшение его давления (процесс 2–3 на рис. 5.1,в). Компрессорный поршень 7 достигает своего левого крайнего положения.

В процессе расширения 3–4 детандерный поршень 1 продолжает свое движение влево – объем расширительной полости V_д увеличивается и достигает максимальной величины V_од; компрессорный поршень остается неподвижным в левой крайней точке вблизи холодильника (фаза III). С увеличением объема в системе происходит уменьшение давления и температуры рабочего газа.

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 – фаза IV. При прохождении газа через теплообменник нагрузки 3 к нему подводится теплота Q_х от внешнего теплового источника Т_х. При прохождении через пористую насадку регенератора рабочий газ нагревается, отнимая теплоту, аккумулированную насадкой во время процесса 2–3, и достигает уровня температур T_от.