Матеріали до уроку"Автономна холодильна установка на базі двигуна Стірлінга"

Міністерство освіти і науки України

Департамент освіти і науки Дніпропетровської облдержадміністрації

Дніпропетровське територіальне відділення МАН України

Автономна холодильна установка

на базі двигуна Стірлінга

Роботу виконав:

Тищенко Владислав Олександрович,

учень 11 класу Криворізької  загальноосвітньої школи

 I-IIIступенів № 123

Науковий керівник:

Чернюк Євгенія Володимирівна,

 вчитель фізики та астрономії Криворізької  загальноосвітньої школи I-IIIступенів

№ 123спеціаліст вищої кваліфікаційної категорії,

вчитель-методист

Дніпро – 2018

ЗМІСТ

Вступ…………………………………………………………………………………...3

Розділ 1. Iсторія  створення  двигунів   внутрішнього   та зовнішнього згоряння  5

1.           Передумови розробки теорiї теплових двигунiв.…..……………………….5
2.           Потреба в досконалих теплових машинах………………………………….7

1.3   Принципова  схема двигуна зовнiшнього згоряння Р. Стiрлiнга……………10

1.4. Термодинамічний розрахунок двигуна Стірлінга…………………………..14

РОЗДІЛ 2  Фізичні принципи отримання низьких температур………………..16

2.1 Принцип дії парокомпресіонних холодильних машин…………………….16

 2.2Принцип дії термоелектричного охолодження……………………………..18

 2.3 Принцип дії охолодження з використанням вихрової труби……………..   19

2.4 Результати дослідження холодильної  машини.  …..…………………………20

Висновок…………………………………………………………………………......23

Список використаних джерел……………………..………………………...……..24

ВСТУП

У наш час в кожній сім’ї  є багато побутової техніки ,не виключенням  холодильники.Примітивні холодильники були придумані ще у давньому Римі. при правлінні Нерона  Клавдія Цезаря Августа Германка. його раби використовували  лід ,щоб продукти зберігалися на більш довгий час.

   Холодильник , яким ми  звикли його бачити, з’явився лише у першій половині 20 століття . Для того, щоб зрозуміти мету моєї роботі потрібно зробити екскурс  в  історію.1816  рік шотландський священник Роберт Стірлінг винайшов конструкцію двигуна ,що просто перевершив  парові двигуни які  були  популярні  на той час. В 1843 році був відкритий холодильний принцип двигуна Стірлінга, який полягав у тому, що при розкручуванні махового колеса  отримаємо  холодильну енергію на циліндрі двигуна.  В 1861 році  в Америці намагалися створити газову холодильну установку,  але так як у холодильному принципі покладена основа теплового насоса то ця система з тріском провалилась.

Мета роботи:

1. Створити діючу модель  холодильної  установки  на базі двигуна Стірлінга.

2. Довести , що дана система має цілий ряд переваг у порівнянні зі звичайними холодильниками оскільки є генератором,  яка  може перетворювати будь яку механічну енергію .

3. Розробити систему креслення для промислового  виробництва.

4. Віднайти помилки, які  були допущенні при конструюванні   системи зразка 1861року

5. Дізнатись ,як додавання нових  вузлів до конструкції буде впливати на ККД системи.

6. Відшукати її цільове застосування у побуті та промисловості.

Об’єкт   дослідження  - зміна параметрів двигуна Стірлінга

Предмет   дослідження  -  двигун Стірлінга

     Гіпотеза  полягає в тому, що при зміні параметрів двигуна залежних від нього елементів конструкції    зможемо отримати енергоефективну холодильну установку на базі двигуна Стірлинга що відображається на графіку.

Методи, які будуть використані в роботі: теоретичні та експериментальні.

Актуальність роботи  полягає у збереженні  енергоресурсів нашої планети.

      В роботі було визначено    термодинамічний розрахунок ідеального циклу Стірлінга виконано для параметрів зменшеної моделі двигуна.     В наслідок розрахунків визначено основні термодинамічні параметри в робочих точках ідеального циклу Стірлінга. Також визначені основні параметри процесів, такі як відношення довжини циліндра до  його діаметра,що дорівнює ¼ для 500 обертів за хвилину та  перевірити роботу дроселя та процесу дроселювання - зниження тиску газу або пари при протіканні через звуження прохідного каналу трубопроводу - дросель, або через пористу перегородку.

РОЗДІЛ 1. IСТОРIЯ СТВОРЕННЯ ДВИГУНIВ ВНУТРIШНЬОГО ТА ЗОВНIШНЬОГО ЗГОРЯННЯ.

1.           Передумови розробки теорiї теплових двигунiв.

 Вже з самого початку розробки теплових двигунiв виникла необхiднiсть осмислити  явища,   процеси, якi вiдбуваються в них. Без цього, тiльки шляхом iнтуiтивного пошуку найбiльш досконалих конструктивних рiщень, важко було забезпечити подальший бiльш - менш ефективний розвиток досить складних теплових машин, в яких пiд час роботи здiйснювались рiзнi перетворення стану робочого тiла. Треба було зрозумiти, як теплота, що видiляється при згоряннi тих чи iнших палив, може бути перетворена в роботу, яка замiнить м’язова, - водяну, повiтряну енергiю. Особливо це стосується питань, пов’язаних з пошуком пiдвищення ефективностi перетворення теплоти в механiчну або iншу корисну роботу, тобто до питань збiльшення ККД теплових машин.

 Цi питання не давали спокою людському розуму майже з перших етапiв розвитку теплових машин. Так в 1683 р. англiєць С. Морленд видав твiр, в якому вперше була викладена думка, що для пiдiймання води за рахунок використання теплоти, яка видiляється при згоряннi палива, перш за все, необхiдно перевести воду в пар. Ця очевидна зараз думка, була, по-перше, далеко не такою наочною винахiдникам машин в тi часи, а по-друге, вона дозволяла вибрати найбiльш ефективнi шляхи для розробки теплових машин. С. Морленд  в своєму творi навiть спробував пiдрахувати найбiльшу висоту, на яку можна пiдняти воду iз шахти, якщо машина має конкретнi значення дiаметра цилiндра (D) i ходу поршня (S). Зрозумiло, що при вiдсутностi фiзичних i термодинамiчних характеристик для води i пару, цi розрахунки були досить приблизними.

 Наступний iсторичний крок в питаннi поглиблення розумiння теплових явищ зробив через 15 рокiв (у 1698 р.) фрацуз Д. Папен, який зрозумiв, що для здiйснення роботи, крiм переведення води у пар, необхiдний ще й процес конденсацiї пару, тобто вiн фактично вперше описав замкнутий цикл парової машини. Це вiдiграло значну роль в справi подальшого вдосконалення парових машин, особливо Т. Ньюкоменом, Д. Уаттом та iн. Останнiй у 1765 р. (через 60 рокiв) запропонував i вiдокремив в своїй машинi конденсатор вiд робочого цилiндра i ввiв саму назву - конденсатор.                          

 Наступнi кроки були пов’язанi з накопиченням та систематизацiєю фактiв перетворення одного вида енергiї в другий. При цьому виникла необхiднiсть у введеннi унiверсальної одиницi виконуваної роботи в одиницю часу, тобто потужностi. Таку одиницю, "кiнську силу", що дорiвнювала 33.000 футiв за хвилину або 76 кгм/с, запропонував у 1784 р. Д. Уатт.

 Однак цього було замало для визначення ефективностi парових машин, їх ККД. Потрiбен був механiчний еквiвалент теплоти, тобто кiлькiсть роботи (в кгм), необхiдної для отримання одиницi (ккал) теплоти. Вiн був пiдрахований Р. Майером багато рокiв пiзнiше (в 1840 р.) i дорiвнював 370 кгм/ккал (уточнене значення 427 кгм/ккал).

 Особливо значний  внесок  в початок  розробки  теорiї теплових машин зробив у 1824 р.  28 рiчний С. Карно у  книзi "Роздуми про  рухаючу силу вогню i про машини, якi здатнi розвивати цю силу".

 С. Карно вперше виклав другий закон термодинамiки, напрямок i межi реалiзацiї термодинамiчних процесiв. Його висновки : по-перше, для звершення роботи необхiдна не тiльки теплота, але й холод ; по-друге, сила, яка здатна здiйснювати рух, виникає тiльки там, де є рiзниця температур,- фактично й вiдповiдали змiсту другого закону термодинамiки. Вiн також проаналiзував можливiсть перетворення теплоти в роботу в самому загальному виглядi - незалежно вiд робочого тiла i конструкцiї теплової машини. Це були видатнi, прозорливi рiшення !

 Крiм  того, С. Карно  також  ввiв  поняття  оборотного  i  необоротного циклiв, обгрунтував необхiднiсть наявностi в будь-якiй тепловiй машинi 4-х елементiв ( нагрiвача, охолодника та пристроїв для стиску та розширення газiв), розробив оборотний цикл, який має найбiльший термiчний ККД (2 адiабати та 2 iзотерми). Цей цикл i зараз є еталонним, який дозволяє  оцiнювати ступiнь вдосконалостi iнших циклiв і носить назву “цикла Карно”.

 В 1834 р. Б. Клапейрон, розвиваючи iдеї С. Карно, вперше запропонував графiчну iнтерпретацiю термодинамiчних процесiв i циклiв. Вiн же вивiв рiвняння стану для iдеального газу.

 У 1842 - 1847 рр. Р. Майером i Г. Гемгольцем був сформульований перший закон термодинамiки, а В. Томсоном i Р. Клазiусом був теоритично обгрунтований другий закон термодинамiки. Разом з розробками С. Карно цi роботи заклали основи теорiї теплових машин.

2.           Потреба в досконалих теплових машинах.

        На прикiнцi XVII столiття парова машина стала єдиним унiверсальним тепловим двигуном. В той  же час задовольнити велику кiлькiсть рiзних виробництв, якi швидко розвивались та збiльшувались, вона вже не могла. Потрiбен був порiвняно невеликий, мобiльний, економiчний двигун iз значним дiапазоном змiни потужностi. Але навiть уявити собi такий двигун, який працював би за iншими, нiж парова машина, принципами, в той час було важко. Вважалось, що в будь якiй тепловiй машинi робоче тiло повинне мати властивостi пару, який потрапляє в цилiндр для здiйснення роботи, у виглядi однорiдної маси з однаковими температурою та тиском. Ще з часiв Х. Гюйгенса було вiдомо,що таким робочим тiлом могли бути продукти згоряння (наприклад, пороховi гази). При цьому наочними були деякi їх переваги, головна з яких та, що для отримання роботи бiльш доцiльно користуватись теплотою палива, яке згоряє  без-посередньо в цилiндрi, нiж спалювати його для одержання пара, а потiм вже використовувати теплоту останнього.

 Ранiше зазначалось, що протягом багатьох десятирiч (i навiть сторiч) робились численнi спроби розробки теплових двигунiв, якi б працювали на газовiй сумiшi (пороховi гази, спирт та iн.), але успiху вони не мали. Це можна пояснити декiльками обставинами. По-перше, не було гострого попиту на такi двигуни, по-друге, принцип роботи атмосферного двигуна передбачав значну змiну об’єму робочого тiла пiд час його конденсацiї (такi властивостi найбiльшою мiрою були притаманнi саме пару); по-третє, можливості металургiї та технологiчний рiвень виробництв, для реалiзацiї цих пропозицiй, був занадто низьким.

 Очевидно, що рiшення цiєї проблеми, насамперед, залежало вiд винаходу вiдповiдного палива. Iсторiя зберегла деякi з пошукiв у цьому напрямку.

         Першi спроби розробки ДВЗ (роботи Гюйгенса, Готфельда, братiв Ньєпсiв, Ерiксона та iн.).

           Однi з найперших спроб добитись успiху в замiнi пару як робочого тiла в тепловiй машинi належали Ж. Готфельду (1670 р.) та Х. Гюйгенсу (1680 р.). Обидва розробили схеми атмосферних двигунiв, у яких завдяки тиску порохових газiв поршнi пiдiймались вгору в цилiндрi, де вони фiксувались.

 Далi у Х. Гюйгенса - гази охолоджувались i конденсувались, а атмосферний тиск повертав поршень вниз (пiсля того,як вiдводився упор), здiйснюючи роботу.

 В двигунi Ж. Готфельда - пiд дiєю розрiдження пiдпоршневий простiр заповнювався водою, яка конденсувала газ. Пiсля конденсацiї поршень, що рухався вниз, витискував воду, здiйснюючи роботу.

 Нiодному з них не вдалося реалiзувати свої винаходи, через низький рiвень тодiшньої технiки. Так Х. Гюйгенс не змiг зробити круглий поршень i ушiльнити його в цилiндрi (для цього вiн застосував глину, гiпс та iн.).

 До наступних спроб в цьому напрямку, якi зафiксованi документально, треба вiднести роботи братiв Ньєпсiв (1800 р., тобто через 100 рокiв пiсля Х. Гюйгенса та Ж. Готфельда). Однiєю з спонукаючих для цих робiт причин було бажання знайти iнше паливо для парових машин замiсть дефiцитного для Францiї вугiлля. В 1794 р. брати писали, що пiд час "пошукiв сили, яка б змогла зрiвнятися з силою парових машин, але не потребувала б ... стiльки палива, ми припустили, що нашi вимоги могло би задовольнити атмосферне повiтря, яке розширювалось вогнем". Але як при цьому забезпечити однорiднiсть складу робочого тiла i компенсувати вiдсутнiсть конденсацiї ? "Брати вважали, що для цього повiтря в цилiндрi треба "пронизати надто горючим, дрiбним порошком, який необхiдно розсiяти у всьому об’ємi. Вiн збудить значну енергiю (щось подiбне до вибуху). За такий порошок брати обрали лiкоподiй - насiння спорової рослини плавуна. Цей порошок тодi використувався для ефектних спалахiв пiд час театральних дiй. Двигун вони назвали "пiреолофор" вiд 3-х грецьких слiв : "пiр" - вогонь; "еол" - бог вiтру; "фор" - виробляю.Брати намагались застосувати свiй двигун на суднах, (для пiдйому води) та на екiпажах, але для цього запропонованого палива було занадто мало. Вони пробували як паливо сумiш кам’яного вугiлля та смоли i навiть нафту, та конкурувати з паровою машиною їх двигуни, якi слiд вiднести до перших зразкiв ДВЗ, не могли. Брати припинили свої дослiди з розробкою ДВЗ i захопились фотографiєю, завдяки якiй стали вiдомими.

 Iсторiї "вiдомi" також роботи iз замiною водяного пару повiтрям у так званих "калорiчних двигунах", якi фактично були аналогами парових машин.

 Швед С. Ерiксон збудував i поставив свої двигуни (чотири) на пароплав. У цих двигунiв , як i у паровiй машинi, пiд робочим                                        

Рис. 1.1 - “Калорічний” двигун Еріксона

цилiндром розмiщувалось вогнище. Цилiндр з’єднувався з теплообмiнником, який по черзi мiг сполучатися або з атмосферою, або з нагнiтальним клапаном компресорного цилiндра. Коли у топцi розводився вогонь, повiтря в робочому цилiндрi нагрiвалося i пiднiмало поршень, який передавав зусилля до механiзму вiдбирання потужностi та перемiщував поршень компресора. Вiдпрацьоване гаряче повiтря через теплообмiнник (мiдну стiнку) видалялось в атмосферу. Потiм в робочий цилiндр через теплообмiнник поступало повiтря,стиснуте в компресорi. Механiзм вiдбирання потужностi повертав поршень до низу i цикл повторювався. Двигун Ерiксона поступався по потужностi, яку розвивав, i економiчностi паровим машинам. Тому розповсюдження не мав.

1.3.Принципова  схема двигуна зовнiшнього згоряння Р. Стiрлiнга.

          Одночасно з роботами над ДВЗ проводились роботи i над двигунами зовнiшнього згоряння, в яких пар замiнювався повiтрям . Головна проблема при створеннi таких двигунiв була в тому,що великi складностi виникали з одержанням стиснутого нагрiтого повiтря, яке б було здатне пiд час розширення вiддавати бiльшу роботу нiж та, яка витрачена на його стиснення.

 В 1816 р. пастор Р. Стiрлiнг, мiнiстр у справах церков Шотландiї, взяв патент на такий двигун. Першi двигуни за таким принципом були побудованi у 1818 р.. Вони приводили в дiю водянi насоси, станки, повiтрядувки та iн.

 Через наявнiсть нагрiвача та теплообмiнника двигуни були надто громiздкими та важкими. Щоб зменшити габарити та масу їх будували без теплообмiнникiв, але через це вони ставали не конкурентноспроможними порiвняно з паровими машинами, а потiм з ДВЗ (через низькi ККД та потужнiсть у зв’язку з обмеженням здiйснюваних перепадiв та, низькою якiстю матерiалiв). До цього двигуна повернулись лише через 100 рокiв (1938 р. фiрма "Фiлiпс").

 Головнi його переваги : робота на будь - якому паливi, плавне збiльшення тиску, вiдсутнiсть шуму, вiбрацiй, клапанiв системи газорозподiлення та системи живлення та iн.

 Кiнематичнi схеми цих двигунiв  можуть бути  рiзними. Принципова наведена на рис. 2.

 Рис1. 2. - Принципова схема двигуна Стірлінга

 В цилiндрi (або цилiндрах) є два поршнi (робочий та поршень-витискувач) та двi порожнини - "гаряча" та "холодна". Вони з’єднуються перепускною магiстраллю, в якiй розмiщенi теплообмiнник, регенератор та нагрiвач. Поршнi рухаються в цилiндрах поперемiнно завдяки складному привiдному механiзму. Їх мертвi точки - змiщенi. Поршень - витискувач - перемiщує робоче тiло iз "гарячої" порожнини в "холодну" i навпаки.

 Регенератор, повертає теплоту вiдпрацьованного робочого тiла цьому ж робочому тiлу перед нагрiванням, що збiльшує ККД (це найважливiша особливiсть) цього двигуна. Створення мініатюрних двигунів Стірлінга є популярним напрямом технічної творчості.

            Власне, двигуни із зовнішнім підводом тепла винахідники пропонували і раніше. Та двигун Стірлінга має суттєву відмінність — це так званий «економ», або рекуператор. Рекуператор відбирає тепло, коли робоче тіло переміщується з камери нагрівача до охолоджувача, і підігріває робоче тіло, коли воно рухається в зворотній бік.

         Двигун, що працює за циклом Стірлінга, відрізняється від двигунів внутрішнього згоряння тим, що в пристрої присутня незмінна кількість робочого тіла. Перші стірлінги використовували як робоче тіло повітря, яке через нещільності витікало назовні. Саме тому перші стірлінги мали низький тиск робочого тіла. Сучасні стірлінги зазвичай виконуються герметичними, а як робоче тіло використовують водень, гелій, азот під високим (вище 100 атм) тиском. Тепло передається у систему, і відбирається із системи через стінки. Всередині системи згоряння немає, і як наслідок, відсутні стрибки тиску, які супроводжують процес згоряння.

     У двигуні є дві робочі зони (це можуть бути дві окремі камери). Зазвичай, робочий об'єм у цих зонах (камерах) змінюється за допомогою поршнів. Поршні можуть бути зв'язані між собою: механічною передачею, пневматичним, гідравлічним, електричним пристроєм.

Важливим компонентом стірлінга є рекуператор. Завдяки рекуператору теоретичний ККД стірлінга вважається еквівалентним циклу Карно.

        Серед інженерів склалася класифікація, згідно якої ДС поділяються на такі конфігурації:

• Альфа-конфігурація. Зона нагрівання і зона охолодження робочого тіла мають кожна свій циліндр і поршень. Гарячий і холодний циліндри з'єднані трубою, в якій розміщений рекуператор.
• Бета-конфігурація. Зона нагрівання і зона охолодження робочого тіла розміщені по різні кінці одного циліндра. Зазвичай, з холодного кінця розміщений робочий поршень. Об'єм холодного та гарячого газу міняється за рахунок переміщення між холодною та гарячою зонами поршня-витискувача.
• Гама-конфігурація. Схожа з бета-конфігурацією, але робочий поршень винесено у окремий циліндр.

  Рис 1.3 Принципова схема машини Стірлінга

   1.4. Термодинамічний розрахунок двигуна Стірлінга.

          Двигун Стірлінга працює за принципом стискування холодного робочого тіла та розширення гарячого. Але на відміну від двигунів внутрішнього згорання підвід теплоти у циклі здійснюється через проміжний теплообмінник, а робоче тіло завжди залишається у замкнутому циклі.

Існує декілька конструкцій двигуна Стірлінга, в яких процеси в циліндрах є досить складними та відрізняються від ідеального цикл.

Ідеальний цикл Стірлінга складається з двох ізотермічних і двох ізохорних процесів. Процес 1-2 - ізотермічний стиск робочої речовини, процес 2-3 - ізохорне підведення теплоти до робочої речовини, процес 3-4 - ізотермічне розширення робочої речовини, процес 4-1 - ізохорне відведення теплоти робочої речовини до регенератора, причому теплота, відведена від робочої речовини в процесі 4-1, підводиться до робочої речовини
в процесі 2-3.

Рис. 1.4 – Схема ідеального циклу Стірлінга

Отримання механічної роботи в теплових двигунах забезпечується за рахунок послідовного підводу та відводу тепла до робочого тіла при різних тисках та температурі. На практиці проблематично підводити та відводити тепло до однієї порожнини.

Наприклад, для реалізації циклу Карно проблематично забезпечити перебіг усіх процесів в одній порожнині.

Р. Стірлінг запропонував підводити тепло з однієї сторони циліндра, а відводити з другої.

При цьому необхідно забезпечити, щоб робоче тіло не було у контакті із гарячою та холодною порожнинами одночасно. Це здійснюється за допомогою витиснювального поршня.

Слід відзначити, що ККД ідеального циклу Стірлінга відповідає ідеальному циклу Карно. Термодинамічний розрахунок ідеального циклу Стірлінга виконано для параметрів зменшеної моделі двигуна. У початковому стані робоче тіло, повітря, має атмосферні параметри. Робочий об’єм циліндру - 4 см³.

Спочатку визначається тиск у точці 2 виходячи з того, що процес ізотермічній. Оскільки у процесі 1-2 температура, а тому й внутрішня енергія не змінюються, то теплота підведена до робочого тіла у цьому процеса дорівнює роботи розширення.

Далі визначаються параметри повітря у точці 3 згідно з законом Шарля.

Наприкінці визначаємо параметри повітря у точці 4, та теплоту підведену у процесі 3-4.

РОЗДІЛ 2 ФІЗИЧНІ ПРИНЦИПИ ОТРИМАННЯ НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР

2.1 Принцип дії парокомпресіонних холодильних машин

Охолоджуючий ефект отримують за допомогою застосування наступних фізичних процесів робочих тіл: фазових перетворень, що супроводжуються поглинанням тепла, десорбції газів, розширення стисненого газу, дроселювання, вихрового і термодинамічної ефектів.

         Теоретичною основою, на якій побудований принцип роботи холодильних машин, є другий початок термодинаміки. Охолоджуючий газ в системі здійснює так званий зворотний цикл Карно. При цьому передача тепла заснована не на циклі Карно, а на фазових переходах - випаровуванні та конденсації. В принципі можливе створення холодильної машини, що використовує лише цикл Карно, але при цьому для досягнення високої продуктивності будуть потрібні або компресор, що створює дуже високий тиск, або дуже велика площа охолоджуючого та нагріваючого теплообмінника.

Основними складовими частинами холодильної машини є:

•          компресор, що створює необхідну різницю тисків;
•          випарник, що забирає тепло з внутрішнього обсягу холодильника;
•          конденсатор, який віддає тепло в навколишнє середовище;

-  терморегулірующий вентиль, що підтримує різницю тисків за рахунок дроселювання холодоагенту.

Всі зазначені елементи з'єднані трубопроводом в єдину, замкнуту герметичну систему, заправлену холодоагентом - речовиною, переносящим тепло від випарника до конденсатора.

Компресор засмоктує з випарника холодоагент у вигляді пари, стискає його (при цьому температура холодоагенту підвищується) і нагнітає в конденсатор. У побутових холодильних приладах і торговому холодильному обладнанні використовуються герметичні поршневі мотор-компресори. У таких компресорах електродвигун розташовується всередині корпусу компресора, що дозволяє запобігти витоку холодоагенту через ущільнення валу. Для поглинання вібрацій застосовується підвіска компресора. Підвіска компресора може бути зовнішньої, коли на пружині підвішується корпус компресора, або внутрішньої, коли підвішений двигун компресора всередині корпусу. У сучасних побутових холодильниках зовнішня підвіска не застосовується, так як вона гірше поглинає вібрації компресора, який до того ж виробляє більше шуму. Для змащення компресора застосовують спеціальні рефрижераторні масла. Варто відзначити, що масло і холодоагент ( при правильному підборі ) добре розчиняються один в одному.

У конденсаторі, нагрітий у результаті стиску, холодоагент знижує температуру до температури конденсації, віддаючи тепло в зовнішнє середовище, і при цьому конденсується, тобто перетворюється в рідину, яка надходить в терморегулірующий вентиль або капілярну трубку. У побутових холодильниках найчастіше застосовуються ребристо-трубні конденсатори, як оребрения застосовується сталевий дріт або сталевий лист з прорізами. Відведення тепла від конденсатора зазвичай природний, за винятком холодильних машин великих обсягів.

Рідкий холодоагент під тиском крізь дроселюючий отвір (капіляр або терморегулюючий розширювальний вентиль) надходить у випарник, де за рахунок різкого зменшення тиску відбувається випаровування рідкого холодоагенту. При цьому холодоагент відбирає тепло від внутрішніх стінок випарника, за рахунок чого відбувається охолодження внутрішнього об'єму холодильної машини.

Терморегулюючий розширювальний вентиль необхідний для створення різниці тисків між конденсатором і випарником. Він дозволяє правильно (найбільш повно) заповнювати внутрішній об'єм випарника скипаючим холодоагентом. Пропускний перетин ТРВ змінюється в міру зниження теплового навантаження на випарник, при при зниженні температури в холодильній камері кількість циркулюючого хладагента зменшується.

У побутових холодильних приладах найчастіше замість ТРВ використовується капілярна трубка. Вона не змінює свій перетин, а дросселює певну кількість холодоагенту, залежно від тиску на вході і виході капіляра, його діаметра, довжини і типу холодоагенту.

Велике значення має чистота холодоагенту: вода і домішки можуть засмітити капіляр або пошкодити компресор. Домішки можуть утворюватися в результаті корозії внутрішніх стінок трубопроводів холодильної машини, а волога може потрапити при заправці холодильної машини, або проникнути через нещільності (особливо в холодильних машинах з відкритим компресором). Тому при заправці ретельно дотримуються герметичності, перед заправкою контур вакумують.

У кожній холодильній машині є фільтр-осушувач , який встановлюється перед капілярною трубкою. Зазвичай в холодильній машині присутній найпростіший теплообмінник, вирівнюючий температуру на виході з конденсатора і з випарника. У результаті до дроселю надходить уже охолоджений холодоагент, який потім ще сильніше охолоджується у випарнику, у той час як холодоагент, що надійшов з випарника, підігрівається, перш ніж надійти в компресор і конденсатор. Це дозволяє збільшити холодопродуктивність холодильної машини, а також запобігти попаданню рідкого холодоагенту в компресор.

             2.2  Принцип дії термоелектричного охолодження

В основі роботи термоелектричного охолодження лежить Ефект Пельтьє - коли при проходженні струму через контакт двох різнорідних провідників у напрямку контактної різниці потенціалів відбувається перенесення теплової енергії так, що один з цих «різнорідних» провідників охолоджується, а другий нагрівається за рахунок теплової енергії від першого і електричної енергії минулого електричного струму. Холодильник на елементах Пельтьє безшумний, надійний і довговічний, але великого розповсюдження не отримав через дорожнечу охолоджуючих термоелектричних елементів. Схема термоелектричної холодильної машини наведена на рисунку 2.1.

1 - охолоджуючі ребра; 2 - вентилятор; 3 - жалюзі;

4 - термоелементи; 5 - теплова ізоляція; 6 - холодні пластини.

 Рис 2.1- Схема термоелектричної холодильної машини.

Ще одним мінусом є залежність холодопродуктивності від температури навколишнього середовища. Проте, сумки-холодильники, невеликі автомобільні холодильники та кулери питної води часто робляться з охолодженням від елементів Пельтьє.

           2.3 Принцип дії охолодження з використанням вихрової труби

1 – дроселюючий вентіль; 2 – сопло; 3 – диафрагма.

                  Рис 2.2 – Схема вихрової труби

        Охолодження здійснюється за рахунок розширення попередньо стисненого компресором повітря в блоках спеціальних вихрових охолоджувачів.

В результаті у вихорі відбувається перерозподіл енергії, периферійні шари газу розігріваються, а центральні в свою чергу переохолоджуються. За допомогою дросельної шайби відбувається поділ шарів газу на холодний і гарячий.

Поширення не отримав через велику шумність, необхідність підведення стисненого (до 10-20 Атм) повітря і дуже великої його витрати, низького коефіцієнта корисної дії. Переваги: безпека (оскільки не використовується електрика і немає ні рухомих механічних частин, ні небезпечних хімічних сполук у конструкції), довговічність, надійність.

                 2.4 Результати дослідження холодильної  машини.  

Перші ефективні машини Стірлінга помірного холоду для побутових холодильних приладів були створені у Великобританії в 1957 році. В якості робочого тіла використовували повітря, при цьому їх ефективність на температурному рівні -40°С була порівнянна з паровою компресійної холодильної машиною. Однак перші моделі холодильних машин Стірлінга помірного холоду коштували набагато дорожче парокомпрессионних аналогів через складну технологію виготовлення окремих вузлів машини.

Рис 2.3– схема робочої  моделі  холодильної установки

           Ми виконали  термодинамічний розрахунок ідеального циклу Стірлінга виконано для параметрів зменшеної моделі двигуна.     В наслідок розрахунків визначено основні термодинамічні параметри в робочих точках ідеального циклу Стірлінга. У  першому  експеременті лежить найбільше відкриття у системах стірлінга у якості холодильника тому ,що холодильний принцип стірлінга  це принцип теплового насосу. Тепловий насос по своїй конструкції не може постійно забирати тепло з одного місця та викидати у навколишнє  середовище.    Основний параметр. що визначає час роботи холодильної установки в основі якої лежить двигун стерлінга- це відношення довжини циліндра до його діаметра. Тобто коли порщень-регенератор проходить по циліндру  двигуна зі зміненими параметрами він буде самоохолоджуватись за рахунок вузьконаправленості повітряного потоку .Другий параметр -це швидкість проходження даного поршня регенератора у циліндрі. Так як у системі використовується кривошипношатунний механізм то цей параметр залежить від редуктора та кількості обертів махового колеса двигуна .Всі параметри були перевірені експерементально і  виведені основні відношення для холодильних установок, які не залежать від розмірів двигуна ,або є  пропорційними(для двигунів великої конструкції) .Тобто  відношення довжини циліндра до  його діаметра дорівнює ¼ для   500 обертів за хвилину.(таблиця 1)

           Другий  експеримент проводився з метою експерементально перевірити роботу дроселя та процесу дроселювання.Дроселювання (від нім. Drosseln - обмежувати, глушити) - зниження тиску газу або пари при протіканні через звуження прохідного каналу трубопроводу - дросель, або через пористу перегородку.

    Дроселювання є близьким до ідеального здійсненням процесу Джоуля-Томсона.  Процес дроселювання не  квазістатичний, рівнозначні тільки початковий і кінцевий, але не проміжні стану. Розгляд процесу дроселювання як квазістатичного можливо тільки тому, що шлях переходу з початкового стану в кінцеве тут не важливий, і можна замінити його деякої теоретичної квазистатической абстракцією.

При дроселюванні відбувається адіабатне розширення від тиску P1 до тиску P2 без здійснення роботи, тобто дроселювання - істотно незворотний процес, що супроводжується збільшенням ентропії і обсягу при постійній ентальпії. У нашому досліді можна побачити що при проходженні дроселя  t, на виході ставала нижчою ніж  t.на вході приблизно на один градус. Отже такий вузол як дросель підвищує  ККД усієї системи. Отже у даній установці він необхідний Найраціональще  використування  дроселя- це два дросіля на одну секцію радіатора(таблиця 2)

   Результати можуть бути використані для подальшого, більш точного розрахунку двигуна Стірлінга, та його проектування.

Робота над проектуванням моделі двигуна Стірлінга буде продовжена надалі.

ВИСНОВОК

          Отже,створена діюча модель холодильної установки на базі давно забутого двигуна Стірлінга. Аналіз літератури показав, що всi  двигуни  не змогли конкурувати з паровою машиною i поступилися їй. Але завершувалось накопичення окремих розробок, пристроїв, якi, якщо їх об’єднати, могли дати змогу побудувати принципово вiдмiнний  вiд парової машини тепловий двигун.. Тому в даній роботі ми проаналізували принцип роботи  двигуна внутрішнього згоряння та двигуна зовнішнього згоряння   . Надихнули мене на це відповідні роботи Р. Стірлінга . В роботі було визначено    термодинамічний розрахунок ідеального циклу Стірлінга виконано для параметрів зменшеної моделі двигуна.     В наслідок розрахунків визначено основні термодинамічні параметри в робочих точках ідеального циклу Стірлінга. Також визначені основні параметри процесів, такі як відношення довжини циліндра до  його діаметра,що дорівнює ¼ для 500 обертів за хвилину та  перевірити роботу дроселя та процесу дроселювання - зниження тиску газу або пари при протіканні через звуження прохідного каналу трубопроводу - дросель, або через пористу перегородку.

       На жаль наявне  обладнання не дозволило отримати ту температуру, при якій можливе  отримання прісної води виморожуваням морської .

Під час виконання даної роботи були реалізовані завдання, які ставилися на початку її виконання. В даний час на ринку холодильного устаткування великих магазинів і складів для зберігання продуктів харчування  можуть з'явилися високоефективні і екологічно чисті холодильні машини Стірлінга помірного холоду. У цьому напрямку досягнуті результати, які з упевненістю дозволяють говорити про їх серійне виробництво.

.

                              СПИСОК  ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

         1 Холодов А. М. История науки и техники автодорожного транспорта, Харьков, 1994. - 113 с.

 2 Вернадський В. И. Избранные труды по истории науки. - М. : Наука, 1981. - 281 с.

 3 Боголюбов А. М. История механики машин. - Киев : Наукова думка, 1964. - 460 с.

 4 Кузнецов Б. В. Развитие тепловых двигателей. Госэнергоиздат, Москва - Ленинград, 1953. - 287 с.

 5 Моравский А. В., Файн М. А. Огонь в упряжке или как изобретают тепловые двигатели. - М. : Знание, 1990. - 192 с.

 6 Нигматулин И. Н., Шляхин П. Н., Цепев В. А. Тепловые двигатели. М. : Высшая школа, - 1974. - 375 с.

 7 Конфедератов И. Я. Иван Иванович Ползунов. Госэнергоиздат, 1951. - 18 с.

 8 Двигатели внутреннего сгорания : Устройсво и работа поршневых и комбинированных двигателей. Учебник /Под ред. А. С. Орлин, М. Г. Круглова. 3-е изд., М. : Машиностроение,1980. - 288 с.

 9 Тимченко I. I., Гутаревич Ю. Ф., Долганов К. Е., Муждобаєв М. Р. Автомобiльнi двигуни /за ред. I. I. Тимченка. -Х. : Основа,1995. - 464 с.

 10 Кукис В. С. Двигатели Стирлинга. Учебное пособие. Челябинск, 1991. - 72 с.

 11 Гумилевский Л. И. Рудольф Дизель. Его жизнь и деятельность. Библиографический очерк, М. : 1934. - 65 с.

 12 Г. Тринклер Двигателестроение за полстолетия. Очерки современника 2-е изд., Л. : Речной транспорт, 1958. - 167 с.

 13 Кошкин В. К, Левин Б. Р., Кутырин И. И. и др. Двигатели со свободно движущимися поршнями в теплосиловых установках. М. : Машгиз, 1957. - 227 с.

 14 Баландин С. С. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. М. : Машиностроение, 1968. - 151 с.