Laboratorium 4.pdf

PODSTAWY CHŁODNICTWA I KRIOGENIKI

Laboratorium 4

Wydajno Ļę cieplna chłodziarki typu Gifford - McMahon

WST Ħ P

Regeneracyjne wymienniki ciepła.

Chłodziarki typu Gifford McMahon , obok chłodziarek typu np. Stirlinga czy rur pulsacyjnych, s Ģ

przykładem technicznego wykorzystania regeneracyjnych wymienników ciepła. Zasady działania

regeneracyjnego wymiennika ciepła przedstawia rysunek 1.

Rysunek 1. Zasada działania regeneratora.

Przez regenerator gaz przepływa cyklicznie raz w jednym, raz w drugim kierunku. W trakcie

przepływu przez regenerator ciepły gaz b ħ d Ģ cy pod wysokim ci Ļ nieniem ozi ħ bia si ħ , nast ħ pnie

przechodzi przemian ħ , w której jego temperatura jeszcze bardziej obni Ň a si ħ i ponownie przepływaj Ģ c

przez regenerator ogrzewa si ħ , ozi ħ biaj Ģ c równocze Ļ nie wypełnienie regeneratora. Regeneratory

pracuj Ģ zawsze w sposób niestacjonarny. Wypełnieniem regeneratora powinien by ę materiał porowaty

o du Ň ej pojemno Ļ ci cieplnej (np. kulki ołowiane). Zgodnie z III Zasad Ģ Termodynamiki (Teoremat

Nernsta) w temperaturach bliskich temperaturze zera bezwzgl ħ dnego pojemno Ļ ci cieplne wszystkich

materiałów d ĢŇĢ do zera. St Ģ d istniej Ģ materiałowe trudno Ļ ci budowy regeneratorów przeznaczonych

do pracy w temperaturch ni Ň szych od 10 K. Trudno Ļę t ħ pokonano stosuj Ģ c do budowy regeneratorów

materiały magnetyczne, w których przemiana namagnesowania zachodzi w bardzo niskich

temperaturach. Obecnie chłodziarki gazowe z regeneratorami osi Ģ gaj Ģ temperatury rz ħ du kilku K.

Budowa chłodziarki typu Gifford - McMahon

W trakcie obrad Mi ħ dzynarodowego Kongresu Chłodnictwa w Kopenhadze w roku 1959 W.E.

Gifford oraz H.O. McMahon zademonstrowali oryginaln Ģ chłodziark ħ gazow Ģ , w której procesem

prowadz Ģ cym do uzyskania niskich temperatur był proces swobodnego wypływu. Schemat chłodziarki

Gifforda-McMahona został pokazany na rysunku 2.

Rysunek 2. Chłodziarka Gifforda-McMahona, a) - schemat, b) - odwzorowanie procesów w układzie

p-v , c) - odwzorowanie procesów w układzie T-s, 1, 2 - zbiorniki wyrównuj Ģ ce ci Ļ nienie gazu, 3 -

regenerator, 4 - cylinder roboczy z tłokiem, 5 - spr ħŇ arka, 6, 7 – zawory wlotowy i wylotowy, A -

cz ħĻę wysokotemperaturowa cylindra, B – cz ħĻę niskotemperaturowa cylindra.

Praca chłodziarki typu Gifford – Mcmahon

Cykl pracy chłodziarki składa si ħ z czterech etapów:

1. Napełnianie gazem.

Tłok znajduje si ħ w dolnym poło Ň eniu, zawór wlotowy jest otwarty. Gaz o temperaturze T o wpływa do

"ciepłej" cz ħĻ ci cylindra 4, w wyniku spr ħŇ ania gazu znajduj Ģ cego si ħ ju Ň w cylindrze i zmieszaniu go

z gazem nowo napływaj Ģ cym temperatura gazu podnosi si ħ i osi Ģ ga warto Ļę T fin (proces 1' - 2' na rys.

2 c):

2. Przetłaczanie gazu.

Przy otwartym zaworze wlotowym nast ħ puje ruch tłoka w gór ħ . Gaz zostaje przetłoczony przez

regenerator do niskotemperaturowej komory B. Poniewa Ň regenerator jest zimny z poprzedniego

cyklu, gaz obni Ň a swoj Ģ temperatur ħ do warto Ļ ci T 4' . W wyniku ozi ħ biania maleje obj ħ to Ļę gazu.

Przez otwarty zawór wlotowy do komory zimnej wpływa dodatkowa porcja gazu.

3. Wypływ swobodny gazu.

Kiedy tłok osi Ģ ga górny martwy punkt zawór wlotowy si ħ zamyka, natomiast zawór wylotowy si ħ

otwiera. Nast ħ puje nierównowagowy proces swobodnego wypływu gazu. Temperatura i ci Ļ nienie w

komorze zimnej obni Ň aj Ģ si ħ (przemiana 4' - 5'). Wytworzona zostaje moc chłodnicza q i gaz pozostały

w komorze zimnej ogrzewa si ħ do temperatury 6' na skutek dopływu ciepła od kriostatowanego

obiektu.

4. Opró Ň nianie komory zimnej.

Po zako ı czeniu procesu swobodnego wypływu rozpoczyna si ħ ruch tłoka w dół przy otwartym

zaworze wylotowym. Pozostały w komorze zimnej gaz zostaje ogrzany w regeneratorze i przetłoczony

do komory ciepłej. W trakcie ogrzewania obj ħ to Ļę gazu ro Ļ nie i jego nadmiar wypływa przez zawór

wylotowy. Kiedy tłok osi Ģ ga dolne martwe poło Ň enie, zawór wylotowy zamyka si ħ i cykl si ħ

powtarza. Przyjmuj Ģ c pełn Ģ regeneracje ciepła w regeneratorze i adiabatyczno Ļę Ļ cianek cylindra, całe

ciepło wytworzone podczas napełniania komory ciepłej i spr ħŇ ania znajduj Ģ cej si ħ w niej pocz Ģ tkowej

ilo Ļ ci gazu i przekazane regeneratorowi, musi zosta ę całkowicie usuni ħ te przez zimny gaz

powracaj Ģ cy przez regenerator i oddane do otoczenia. Poniewa Ň tłok przesuwa si ħ tylko przy

otwartych zaworach i przy braku oporów hydraulicznych regeneratora nie wykonuje Ň adnej pracy,

chłodziarka mo Ň e wytwarza ę moc chłodnicz Ģ jedynie wtedy kiedy strumie ı zimnego gazu ogrzeje si ħ

w regeneratorze do temperatury T 1' wy Ň szej od temperatury otoczenia.

PRZEBIEG Ę WICZENIA

Cel ę wiczenia:

Celem ę wiczenia jest:

1. Wyznaczenie czasu rozruchu chłodziarki typu Gifford – McMahon

2. Wyznaczenie minimalnej temperatury chłodziarki

3. Okre Ļ lenie wydajno Ļ ci cieplnej chłodziarki dla ró Ň nych poziomów temperatury zimnej

głowicy chłodziarki

Opis stanowiska:

Widok stanowiska przedstawia rysunek 3.

Rysunek 3. Widok stanowiska pomiaru wydajno Ļ ci chłodziarki typu Gifford –McMahon.

1 – Dwustopniowa chłodziarka typu Gifford-McMahon, 2 – zbiornik pró Ň niowy chłodziarki, 3 –

kompresor helu, 4 – regulator temperatury zimnej głowicy chłodziarki GM, 5 – komputerowy system

akwizycji danych pomiaru temperatury

Głównym elementem stanowiska jest dwustopniowa chłodziarka typu Gifford-McMahon DE – 210SF

firmy Advanced Research Systems (www.arscryo.com), której szczegółowy widok przedstawiono na

rysunku 4. Chłodziarka współpracuj Ģ cej z kompresorem helu poprzez elastyczne w ħŇ e wypełnione

helem. Zimna głowica chłodziarki znajduj ħ si ħ we wn ħ trzu zbiornika pró Ň niowego, w którym

wytwarza si ħ pró Ň ni ħ izoluj Ģ cej termicznie o warto Ļ ci poni Ň ej 1 . 10 -3 Pa. Na zimnej głowicy chłodziarki

umieszczony jest czujnik temperatury (dioda silikonowa typu DT-670) oraz grzejniki elektryczny o

oporze 55 Ȫ , dzi ħ ki czemu mo Ň liwe jest monitorowanie oraz regulowanie poziomu temperatury

głowicy za pomoc Ģ regulatora Lake Shore type 331S, umieszczonego na zewn Ģ trz układu.

Maksymalne moc cieplne układu regulacji wynosi 55W.

Regulator temperatury wy Ļ wietla aktualn Ģ temperatur ħ zimnej głowicy chłodziarki, temperatur ħ

zadan Ģ oraz aktualn Ģ moc grzania układu regulacji (w % mocy maksymalnej). Regulator podł Ģ czony

jest do komputerowego systemu akwizycji danych, dzi ħ ki czemu mo Ň liwa jest zapisywanie wskaza ı

regulatora w stałym odst ħ pie czasu.

Rysunek 4. Widok dwustopniowej chłodziarki typu Gifford Mcmahon (Foto: www.arscryo.com)

Zadania do wykonania:

1. Wytworzy ę pró Ň ni ħ izolacyjn Ģ wokół zimnej głowicy chłodziarki

2. Uruchomi ę spr ħŇ ark ħ helu i chłodziark ħ

3. Monitorowa ę zmian ħ temperatury zimnej głowicy chłodziarki T do czasu osi Ģ gni ħ cia stabilnej,

minimalnej temperatury głowicy. Temperatur ħ T notowa ę co 1 min.

4. Na regulatorze temperatury ustawi ę kolejny poziom temperatury zimnej głowicy chłodziarki

T . Monitorowa ę temperatur ħ T do czasu ustabilizowania si ħ tej temperatury.

5. Dla stabilnej temperatury z regulatora temperatury odczyta ę moc ciepln Ģ Q rozpraszan Ģ na

zimnej głowicy chłodziarki.

6. Kroki z punktów 4 i 5 powtórzy ę dla nast ħ puj Ģ cych temperatur T zimnej głowicy: 5K, 10K,

20K, 30K, 50K i 77.3K

Zadania:

1. Na podstawie pomiarów narysowa ę charakterystyk ħ schładzania chłodziarki

2. Okre Ļ li ę minimaln Ģ temperatur ħ chłodziarki oraz czas rozruchu chłodziarki (czas po jakim

chłodziarka osi Ģ gnie minimaln Ģ temperatur ħ )

3. Opracowa ę charakterystyk ħ chłodziarki we współrz ħ dnych Q-T

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: