Расчет газовой холодильной машины, работающей по обратному циклу Стирлинга

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО СПбНИУ ИТМО

Институт холода и биотехнологий

Кафедра криогенной техники

Курсовая работа

«Расчет газовой холодильной машины, работающей по обратному циклу Стирлинга».

                       Выполнил: Гаврилин Д. П.,

студент 451 группы

               Проверил: Пахомов О. В.

Санкт-Петербург

2012 г.

Содержание.

1.  Задание по курсовой работе……………………………………   2

2.  Условные обозначения………………………………………….   3

3.  Выбор схемы…………………………………………………….   5

4.  Расчет криогенной газовой машины…………………………..    7

5.  Поверочный расчет криогенной газовой машины……………  10

6.  Расчет регенератора…………………………………………….   20

7.  Расчет конденсатора…………………………………………….  24

8.  Расчет холодильника……………………………………………  27

9.  Расчет динамики кривошипно-шатунного механизма КГМ…. 32

10. Список литературы……………………………………………... 34

1.  Задание по курсовой работе.

Рассчитать газовую холодильную машину, работающую по обратному циклу Стирлинга, на основе следующих данных:

Температурный уровень – T = 95 К;

Начальная температура – T₀ = 310 K;

2.  Условные обозначения.

T,t – температура, К(⁰C);

P – давление, Па;

 – плотность, кг/м³;

V – объем, м³;

m – масса, кг;

m’ – массовый расход, кг/с;

V’ – объемный расход, м³/с;

R – газовая постоянная, Дж/(кгК);

k – показатель адиабаты;

D,d – диаметр, м;

L – длина шатуна, м;

E – величина смещения кривошипно-шатунного механизма, мм;

F,f – площадь, м²;

S – ход поршня, м;

n – частота вращения вала, об/мин

w – скорость, м/с;

a, – относительный мертвый объем;

η – КПД;

τ – время, с;

L – работа, Дж;

N – мощность, кВт;

Q – холодопроизводительность, Вт;

Q’ – тепловой поток, Вт;

α, β, θ, φ – углы, град;

G – количество газа в полостях машины, кг;

G’ – расход газа, кг/с;

w_уд – удельная массовая скорость, кг/(м²*с);

λ – теплопроводность, Вт/(м*к);

µ - вязкость, Н*с/м²;

3.  Выбор Схемы

В последнее время широкое распространение получили газовые холодильные машины (ГХМ) благодаря их компактности и высокой эффективности. Наибольшее распространение получили ГХМ, работающие по обратному циклу Стирлинга, по циклу Гиффорда-Мак-Магона, по циклу Вюлемье-Такониса.          Цикл Стирлинга представляет собой цикл, образованный двумя изохорами и двумя изотермами(рис. 1).          Осуществить цикл Стирлинга можно только в машине, рабочий объем которой является общим как для компрессора, так для расширительной машины. Реализация цикла Стирлинга в холодильной машине сводится к следующему. Два поршня в цилиндре движутся прерывисто с некоторым углом сдвига по фазе. В рабочем пространстве помещен регенератор, который делит рабочую полость на две части, условно называемые полостями сжатия и расширения. В полости сжатия поддерживается постоянная температура Т₀  за счет отвода q_H2O  в холодильнике, а в полости расширения – Т (подвод теплоты Q через охладитель).          Осуществление данного цикла можно представить следующим образом:          Процесс 1-2 – изотермическое сжатие, при котором поршень компрессор К изотермически сжимает газ при температуре Т_0. Поршень вытеснителя В во время изотермического сжатия неподвижен.          Газ в изохорическом процессе 2-3 при одновременном движении поршней К и В проталкивается через регенератор Р. При прохождении газа через охлажденный регенератор его температура и давление понижаются. Конечная температура Т.          Процесс 3-4 – изотермическое расширение газа, осуществляется при Т за счет движения поршня В влево до положения нижней мертвой точки (НМТ). В изохорическом процессе 4-1 при одновременном движении поршня К из положения ВМТ в НМТ и поршня В из положения НМТ в ВМТ газ проталкивается через регенератор и ему сообщается некоторое количество теплоты. Давление и температура повышается до исходных значений. В действительном газовом холодильном цикле поршни совершают гармоническое движение. В конструктивном отношении для ГХМ такого типа характерна следующая схема: с одним рабочим поршнем и вытеснителем регенератором, в котором подвижной регенератор играет одновременно роль вытеснителя.          Важную роль в создании ГХМ играет кинематика машины. В последнее время в ряде машин применяют ромбические кривошипно-шатунные механизмы, особенно симметричные ромбические механизмы с центральными шатунами(рис. 2).          В рассматриваемом примере принимаем компоновку ГХМ с вытеснителем, при которой рабочий поршень и вытеснитель располагаются соосно в одном цилиндре. Данная компоновка, несмотря на некоторую конструктивную сложность, позволит уменьшить величину «мертвых объемов», создать более компактную машину.

4.  Расчет криогенной газовой машины.

Во время первоначальных расчетов ставится целью определить V₀ и V_к – максимальные объемы полости расширения и сжатия, знание которых позволит определить основные конструктивные размеры ГХМ. С этой целью используется метод расчета ГХМ, предложенный в [1; 2; 3]

Максимальный объем полости расширения

V₀ =  , где Q_T – теоретическая холодопроизводительность,

Q_T = Q/K_η = 1000/0,3 = 3333,33 Вт, где K_η = 0,3 – коэффициент пересчета холодопроизводительности.

θ – угол фазового сдвига между максимальным давлением и минимальным объемом полости расширения,

tg θ =  , где τ = Т_ос/Т – отношение температур холодильника и ожижителя,

τ = 310/95= 3,26;

ω =   - отношение максимально изменяющихся объемов полостей сжатия и расширения; принимается  3,4.