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

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.

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°.

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.

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.

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).