Холодильник из стирлинга или всё наоборот

Многие знают что такое двигатель Стирлинга и каковы его преимущества. Есть много литературы, чертежей и готовых устройств. Но почему-то совсем мало информации на тему холодильных качеств сего устройства. Ведь двигатель Стирлинга это обратимая машина. Если приложить к ней тепло с одной стороны, а холод с другой, то мы получим механическую энергию, а если приложить к Стирлингу механическую энергию, то мы сделаем одну сторону двигателя холодной, а другую горячей. Это свойство можно использовать как холодильную машину или попросту холодильник. Ещё один вариант использования — тепловой насос. Для удобства расчёта эффективности холодильника вы можете воспользоваться статьёй  Калькулятор расчёта эффективности (КПД) теплового насоса.


Принцип действия холодильника на базе двигателя Стирлинга

Холодильник стирлинга, сжатие и сброс тепла
Этап 1. Сброс тепла из горячей камеры

Первый этап это максимальное давление рабочего газа. Рабочий поршень находится в ВМТ. Весь газ вытеснен из холодной зоны, т.е. из верхней части цилиндра. При постоянном объёме увеличилось давление, а значит и увеличилась температура рабочего тела. Поэтому избыточное тепло через стенки горячей области (нижняя часть цилиндра) сбрасывается в атмосферу, тем самым уменьшая свою температуру.

Чем выше степень сжатия газа, тем большее тепло можно отдать в окружающую среду. Но и в свою очередь необходимо прилагать большее усилие для сжатия рабочего тела. И ещё, что более важно, необходимо делать более мощную систему охлаждения для горячей части цилиндра. Как и в двигателях стрирлинга, в холодильниках очень большую роль играют теплообменники.

Холодильник стирлинга, уменьшение давления
Этап 2. Начало уменьшения давления

Во втором этапе рабочий поршень начинает перемещаться вниз рабочего цилиндра. Это уменьшает давление газа и тем самым уменьшает его температуру. Полезная работа на это не тратится, так как давление в рабочем цилиндре всё ещё избыточное и оно больше, чем в картере холодильника стирлинга. В многоцилиндровых машинах это является положительным фактором, так как рабочий поршень помогает повышать давление в другом цилиндре. который отличается в такте на 180°.

Читайте также:  Тепловой парадокс в двигателях Стирлинга

Вытеснитель всё ещё находится в ВМТ (верхней мёртвой точке). Сброс тепла в окружающую среду уменьшается. При этом падает температура и в регенераторе. Также температура начинает стремительно снижаться в обоих частях теплообменников, в горячей его части и, соответственно, в холодной. Тем самым предвещая начала ещё большего остывания холодной части цилиндра.

Холодильник стирлинга, перемещение газа в холодную область
Этап 3. Перемещение рабочего газа в холодную зону

В третьей части такта (3 этап) рабочий цилиндр достиг своей НМТ (нижней мёртвой точки). Т.е. давление в цилиндре почти минимальное. И для приближения поршня к НМТ необходимо было приложить некоторую энергию. Так как из-за сброса потенциального тепла мы потеряли часть энергии, а когда максимально уменьшили давление, то оно оказалось меньше, чем в картере холодильника.

Вытеснительный поршень начал своё движение из ВМТ. При этом рабочее тело начинает вытесняться из горячей области в холодную, проходя поочерёдно через нагреватель, регенератор и холодильник. А так как они сильно снизили свою температуру на 2 этапе, то газ ещё больше остывает.

Холодильник стирлинга, максимальное охлаждение холодной части цилиндра
Этап 4. Максимальное остывание холодной части цилиндра

Четвёртый этап — минимальная температура в холодильнике. В данной части положение положение обоих поршней (и рабочего и вытеснительного) находятся в НМТ. Давление в системе минимальное и, соответственно температура тоже минимальна.

Весь рабочий газ находится в холодной области цилиндра. А рабочий поршень и вытеснитель (дисплейсер) уже начинают устремляться вверх.

Как только оба поршня пойдут к ВМТ, давление станет снова возрастать и достигнет своего максима. И снова всё повторится, начиная с первого этапа.

 
А кому интересны данные темы, предлагаю подписаться на новые статьи (в правом сайтбаре).

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *