Холодильник стирлинга: Холодильник Стирлинга

Холодильник или двигатель стирлинга наоборот

domolov | 18.12.2015 | Двигатель Стирлинга | 1 комментарий

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.

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.

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°.

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.

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.

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).

Холодный Стирлинг — frwiki.wiki

Стирлинга холод холодное производство с использованием термодинамического цикла Стирлинга. Хотя машины Стирлинга мало известны широкой публике, холодильные установки, использующие этот термодинамический цикл, многочисленны в промышленности, от криогеники до аэрокосмической техники и кондиционирования воздуха , а также в военном секторе. требования к материалам и производственному процессу не являются серьезным препятствием.

Резюме

• 1 История
• 2 Холодильник с приводом от двигателя Стирлинга
  • 2.1 Текущая работа двигателя Стирлинга для производства холода
  • 2.2 Приложения
• 3 Холодильник Стирлинга с приводом от электродвигателя
• 4 Холодильник Стирлинга со свободным поршнем
  • 4.1 Презентация
  • 4.2 Принцип работы свободнопоршневого холодильника
• 5 машин Duplex и Vuilleumier
  • 5.1 Дуплексный аппарат
  • 5.2 Приложения
  • 5.3 Машина Вюйюмье
    • 5.3.1 Теоретическое исследование
    • 5.3.2 Реальные циклы
  • 5.4 Существующие архитектуры
• 6 Примечания и ссылки
• 7 См. Также
  • 7.1 Библиография
  • 7.2 Статьи по теме
  • 7.3 Внешние ссылки

Исторический

Первоначально использовавшийся для привода вагонов на угольных шахтах, двигатель Стирлинга не имел большого промышленного успеха из-за материальных проблем и стоимости, намного превышающей аналогичные показатели его конкурентов.

Но его можно использовать и наоборот. Затем он становится отличным тепловым насосом или холодильной машиной. И большинство промышленных применений цикла Стирлинга касается производства холода, особенно в криогенике, где цикл Стирлинга имеет огромные преимущества.

Обратимость цикла Стирлинга используется для генерации холода. Приводимая в движение двигателем, машина становится тепловым насосом. Первоначальная цель заключалась в том, чтобы использовать машину Стирлинга в качестве двигателя для конкуренции с паровыми двигателями, но первое настоящее промышленное применение машины Стирлинга использовало обратный цикл для генерации холода. Действительно, среди множества научно-исследовательских проектов, выполненных компанией Philips , холодильник с горячим воздухом, называемый холодильником Стирлинга, является единственным выбранным продуктом. Затем он был продан в области жидкого воздуха в течение 1950-х. Секция охлаждения Stirling «обрела независимость» в конце 1990-х, образовав компанию Stirling Cryogenies, которая существует до сих пор.

Затем технология Стирлинга используется во многих других компаниях для промышленных разработок. General Motors , немецкая группа Maschinenfabrik Augsburg-Nurnberg (MAN) и Motorenwerke Mannheim (MWM), а также United Stirling AB из Мальмё, Швеция и Ford получили право на эксплуатацию двигателя Стирлинга в течение периода с 1958 по 1972 год. двигателем Стирлинга.

Группа из лаборатории Дональда Дугласа в Лос-Анджелесе, которая позже стала Stirling Technology Company (STC), начала работать под руководством Уильяма Мартини. Они разрабатывают масштабную модель человеческого сердца на основе технологии Стирлинга. Они также разрабатывают солнечные системы Стирлинга и системы охлаждения. Недавно в результате сотрудничества STC и Carrier Corp. производится холодильная камера Стирлинга. для охлаждения электрических элементов.

Охладитель Стирлинга со свободным поршнем (FPSC) был изобретен Уильямом Билом в 1964 году в лаборатории Университета Огайо. Затем он основал компанию Sunpower, в которой был произведен и продан первый холодильник FPSC. Эта компания по-прежнему поставляет машины мощностью от 35  Вт до 7,5  кВт для военного, аэрокосмического и промышленного применения. FPSC производства Sunpower был использован НАСА для охлаждения спутниковой аппаратуры.

С 2002 года в игру вступила японская компания Twinbird, которая стала крупным производителем FPSC. В Афинах (штат Огайо) создается коммерческий центр, в котором такие компании, как Twinbird и Sunpower, делятся своими знаниями и проблемами, связанными с холодом Стирлинга. Аккумулятор модели «SC-C925 Portable Freezer Cooler 25L» может гарантировать автономность более 24 часов для поддержания отрицательной температуры.

Компания Infinia начала разрабатывать термоакустическую систему хладагента в 1986 году. Менее чем за 30 лет только эта компания разработала 30 моделей, использующих различные источники энергии, в основном тепловые или солнечные.

Машины Стирлинга-Виллёмье появились в Японии во время нефтяного кризиса 1973 г. В то же время профессор Франц Ксавер Эдер из Технического университета Мюнхена изучал возможность использования машин Виллёмье для тепловых насосов. Он создал лабораторию по изучению машин Стирлинга. В сотрудничестве с Датским университетом Дортмундский университет разработал несколько машин со свободным поршнем Vuilleumier.

Холодильник с приводом от двигателя Стирлинга

Текущая эксплуатация двигателя Стирлинга для холодного производства

Двигатель Стирлинга можно использовать вместо других тепловых двигателей для привода компрессоров парокомпрессионных холодильных машин или «обычных» тепловых насосов . Однако эта практика относительно слабо развита в холодильной промышленности, потому что более выгодно использовать цикл Стирлинга непосредственно для производства холода, в частности, для криогенного охлаждения .

В контексте более строгого законодательства в области защиты окружающей среды и истощения ископаемых ресурсов двигатель Стирлинга имеет большие потенциальные преимущества перед своими конкурентами ( паровой двигатель , двигатель внутреннего сгорания и т. Д.). Однако он больше используется в производстве тепловых насосов, чем в холодильной промышленности.

Типы возможных конфигураций теплового насоса Стирлинга.

Архитектура тепловых насосов Стирлинга так же разнообразна, как и количество моделей, разработанных в разных компаниях или институтах:

• двигатель Стирлинга может быть динамическим или свободнопоршневым;
• соединение осуществляется прямо или косвенно;
• компрессора может быть винт , лопасти , поршень или турбокомпрессора .

Приложения

В 1978 году компания Philips впервые представила на рынке бытовой тепловой насос, приводимый в действие двигателем Стирлинга мощностью 3  кВт .

Затем Sunpower разработала несколько тепловых насосов для двигателей Стирлинга для Института газовых исследований , отделения тяжелой промышленности и механических технологий Каваши .

Холодильник Стирлинга с приводом от электродвигателя

Гораздо интереснее использовать машину Стирлинга для непосредственного производства холода, чем использовать двигатель Стирлинга для питания тепловых насосов, работающих по другим циклам: в силу второго принципа термодинамики мы обязательно будем иметь меньше потерь из-за необратимых реальных явлений. если цикл производства холода состоит из меньшего числа шагов. . Тогда мы должны обеспечить его работой. Для этого существует несколько решений . ..

Холодильник Стирлинга типа альфа

Холодильник Стирлинга со свободным поршнем

Презентация

Холодильник Стирлинга со свободным поршнем (RSPL), призванный упростить производство машины цикла Стирлинга, технически проще в эксплуатации и экономически более надежен, чем другие традиционные машины Стирлинга с шатунным механизмом. Действительно, устранение этого механизма устраняет необходимость в сложной системе смазки и уплотнения, что приводит к лучшему теплообмену и превосходным характеристикам. Среди достоинств такого холодильника можно отметить:

1. В холодильнике Стирлинга со свободным поршнем присутствует только гелий , являющийся инертным газом, что приводит к нулевым выбросам парниковых газов, связанных с хладагентом.
2. Смазочное масло заменяется гелием, который присутствует между механическими частями, как «газовый подшипник», что приводит к очень низкому уровню трения и высокому механическому КПД.
3. Благодаря размещенному в корпусе линейному двигателю утечка гелия сводится к минимуму, а регулирование мощности холодильника становится простым: достаточно контролировать входное напряжение.
4. Движения деталей квазигармонические, поэтому вибрация ограничена, что приводит к очень низкому уровню шума.
5. Простота изготовления, за счет того, что движущихся частей в таком холодильнике всего две.

Принцип работы свободнопоршневого холодильника

Холодильник Стирлинга со свободным поршнем представляет собой полностью закрытую систему. Холод производится в верхней части холодильника. Термин «свободный поршень» означает, что поршень приводится в движение не обычной системой шатун-кривошип, а линейным двигателем, генерирующим продольное движение поршня.

Для работы такого холодильника выделены четыре фазы: сжатие, движение передаточного поршня вверх и вниз (правый конец цилиндра — головка холодильника), расширение и движение передаточного поршня. Снизу вверх. .

Во время фазы 1 сжатие достигается за счет подъема силового поршня, приводимого в действие линейным двигателем в нижней части узла. Это сжатие приводит к увеличению давления в пространстве сжатия и пространстве расширения в верхней части передаточного поршня. Учитывая, что давления в этих двух пространствах очень близки (p _c = p _e ) и что верхняя поверхность передаточного поршня больше, чем его нижняя поверхность (A = A _p + A _R > A _p ), из-за наличие штока поршня переноса), на поршень переноса действует нисходящий результат, отсюда перемещение поршня переноса вверх и вниз (правый конец цилиндра является головкой холодильника) в фазе 2.

Гелий также переносится в пространство расширения (холодная сторона цилиндра). Во время фазы 3 гелий расширяется на холодной стороне в присутствии источника холода (охлаждаемой среды), который толкает передаточный поршень и силовой поршень вниз. Наконец, в фазе 4 передаточный поршень перемещается снизу вверх под действием разности давлений (p _c > p _e ), и часть гелия возвращается в пространство сжатия.

Машины Duplex и Vuilleumier

Дуплексная машина

Поскольку цикл Стирлинга может работать как двигатель и как тепловой насос , можно объединить два цикла Стирлинга, первый, двигатель, обеспечивая необходимую работу для второго. Таким образом, это трехтепловая машина: цикл двигателя работает между горячим источником при температуре Tc и окружающей средой при температуре Ta, в то время как цикл «теплового насоса» работает между окружающей средой и источником холода при температуре Tf. Такой аппарат называется дуплексным. Его принципиальная схема выглядит следующим образом:

принцип работы дуплексной машины Стирлинга

Циклы Стирлинга, за которыми следуют два содержащихся в нем поршня, могут быть представлены на диаграммах PV и TS следующим образом:

Схема дуплексной машины Стирлинга

Теоретическое исследование
Количества теплообмена, передаваемого во время различных фаз циклов Стирлинга, можно собрать в следующей таблице:

	Двигатель		Холодильная машина
1 → 2	Q a = n ∙ R ∙ T a ∙ ln (1⁄r)	1 ‘→ 2’	Q ‘ r = m’ ∙ c v ∙ (T a -T f )
2 → 3	Q r = m ∙ c v ∙ (T c -T a )	2 ‘→ 3’	Q ‘ a = n’ ∙ R ∙ T a ∙ ln (1⁄r ‘)
3 → 4	Q c = n ∙ R ∙ T c ∙ ln (r)	3 ‘→ 4’	-Q ‘ r = m’ ∙ c v ∙ (T f -T a )
4 → 1	-Q r = m ∙ c v ∙ (T a -T c )	4 ‘→ 1’	Q ‘ f = n’ ∙ R ∙ T f ∙ ln (r ‘)

Где r — степень сжатия Vmax / Vmin.

На следующем рисунке показано, что КПД дуплексной машины гораздо больше зависит от температуры окружающей среды T _a и от температуры холодного источника T _f, чем от горячего источника T _c . Кривые «iso-T _c  » практически одинаковы, несмотря на большую разницу в 300 K между представленными значениями.

Зависимость КПД при разных температурах

Когда T _f приближается к T _a , COP стремится к бесконечности. Однако это означает, что степень сжатия r также стремится к бесконечности, что невозможно.

Приложения

Хотя в этой области было проведено достаточное количество исследований, для дуплексных машин было мало коммерческих приложений. И если в конце 1980-х у них был своего рода период расцвета, то сейчас их нет на рынке. Компания Sunpower стремилась разработать несколько дуплексных машин в течение 1980-х годов: сжижитель природного газа и бытовой холодильник. Sunpower провела исследовательскую программу в начале 1980-х годов по разработке сжижителя природного газа с использованием дуплексного цикла. Основной интерес этой концепции заключался в использовании газа, добываемого вторичными скважинами, для облегчения транспортировки большей части добычи. Целевыми показателями были: общий КПД 20% и холодопроизводительность 500 Вт при 110 К. Изначально холодильный цикл приводился в действие электрически. Проблемы нестабильности и холодопроизводительности, не оправдавшей ожиданий, привели к использованию двигателя с мощностью, превышающей требуемую 2,5 кВт. В ходе этих испытаний температура 150 К достигалась более 8 ч. Испытания в дуплексном режиме показали, что устройство работает только на малой скорости и становится нестабильным при увеличении подводимой тепловой мощности. Затем программа была остановлена. Однако, хотя он и не достиг своих первоначальных целей, он обеспечил лучшее понимание дуплексных систем Стирлинга и модификаций, необходимых для будущего развития. Sunpower также разработала в сотрудничестве с газовой промышленностью бытовой холодильник, работающий с дуплексным циклом. Это был демонстратор, целью которого было доказать возможность применения этого типа системы, чтобы предложить ее потенциальным производителям.

Машина Vuilleumier

Машина Vuilleumier была изобретена Рудольфом Vuilleumier в 1918 году. Это дуплексная машина, части двух поршней которого при комнатной температуре (источник холода для двигателя и источник тепла для холодильной машины) соединены (см. Рисунок). Таким образом, давление в обоих цилиндрах всегда одинаково.

Принцип работы станка Vuilleumier

Таким образом, все происходит так, как если бы два поршня «взаимно объединили» свои объемы при комнатной температуре. Каждый передаточный поршень служит приводным поршнем для другого. Таким образом, теоретические циклы, которым следует каждый из цилиндров, можно представить на термодинамических поверхностях следующим образом.

Гидравлическая схема станка Vuilleumier

Следовательно, это дуплексный цикл, в котором точки 2 и 2 ‘совпадают.

Теоретическое исследование

Расчет тепла или работы, связанной с каждым переходом, и равенство работы между циклом двигателя и тепловым циклом машины позволяют рассчитать теоретический коэффициент производительности машины, так же, как для Duplex машина.

Реальные циклы

Несколько потерь, как и в любой термической машине, происходят в реальной машине Вюйюмье. Приводной поршень рассеивает определенную часть тепла, которое он получает от горячего источника, во время изоэнтропических переходов возникают необратимые изменения, а регенераторы не работают на 100%. Кроме того, поршни создают механические потери. Таким образом, машине Vuilleumier необходим электродвигатель для компенсации этих различных потерь. Он используется периодически при нормальной работе, а также может использоваться для запуска машины.

Существующие архитектуры

Принципиальная схема соответствует так называемой «традиционной» машине Vuilleumier. Он включает в себя два передаточных поршня, но без силового поршня. Сжатие обеспечивается тепловым расширением рабочего газа (обычно гелия).

• Так называемая традиционная машина Vuilleumier.
  Все происходит так, как если бы два цикла Стирлинга «разделили» объем при комнатной температуре. Когда один из поршней находится в верхней (или нижней) мертвой точке, другой движется, что выполняет фазу переноса своего собственного цикла, позволяя сжимать или расширять другой цикл.
  Система шатун-кривошип, соединяющая два поршня, также приводится в действие электродвигателем, роль которого заключается в компенсации механических потерь.
• Машина Vuilleumier с силовым поршнем
  Однако производительность, достигаемая этим типом машины, остается посредственной, в основном из-за низкой степени сжатия. Чтобы исправить это, можно добавить силовой поршень.
• Машина Кука-Ярборо
  Существует три типа машин Кука-Ярборо. Первый имеет три приводных поршня, один с температурой горячего источника, другой — с температурой источника холода, а последний — с комнатной температурой. Второй включает два силовых поршня, работающих при температуре источника, и передаточный поршень, работающий при комнатной температуре. Наконец, у третьего есть только один мотор-поршень.
  Основное различие между показанной машиной Кука-Ярборо и традиционными и силовыми поршневыми машинами состоит в том, что два перемещающих поршня находятся в фазе. Поэтому следовать теоретическому циклу труднее.

Примечания и ссылки

Смотрите также

Библиография

1. USP Shet, T. e. Цикл Ситрлинга (регенеративный цикл). В газовых энергетических циклах (т. 4.2). Индийский технологический институт Мадрас.
2. Stine, W. Б. (1999). Двигатели Стирлинга. В преобразовании энергии (Том 8.5). CRC Press LLC
3. О. Экран Атаер, Х. Карабулут. Термодинамический анализ холодильника V-типа цикла Стирлинга. Международный журнал холода 28 (2005) 183-189, Университет Гаси и Университет Акдениз, Турция, июнь 2004 г.
4. Юсуф Текин, О. Атаер Скрин. Характеристики холодильника цикла Стирлинга V-типа для различных рабочих жидкостей. Международный журнал холода 33 (2010) 12-18, Университет Эрджиес, Турция, август 2009 г.
5. Нобору Кагава, Регенеративные термические машины (цикловые машины Стирлинга и Вюйлумье) для нагрева и охлаждения, Международный институт холода, 2000 г.
6. DM Berchowitz. Свободнопоршневые охладители Стирлинга. Международная конференция по охлаждению и кондиционированию воздуха, Университет Пердью, Западный Лафайет, Индиана, 1992 г.
7. Уильям Т. Бил. Свободнопоршневые двигатели Стирлинга — некоторые модельные испытания и моделирование [SAE 690230]. Общество автомобильных инженеров, INC, Нью-Йорк, 13-17 января 1969 г.
8. Уильям Бил, Уильям Холмс, Стивен Льюис и Эдмунд Ченг. Свободнопоршневые двигатели Стирлинга — Отчет о ходе работы [SAE 730647]. Общество автомобильных инженеров, ИНК, Нью-Йорк, 18-22 июня 1973 г.
9. Джордж Р. Дочат. Разработка небольших двигателей Стирлинга со свободным поршнем и системы линейного генератора для солнечной тепловой энергии [SAE 810457]. Общество автомобильных инженеров, INC, Нью-Йорк, 23-27 февраля 1981 г.
10. Кристиан Дж. Л. Гермес, Ядер Р. Барбоза. Термодинамическое сравнение портативных охладителей Пельтье, Стирлинга и парокомпрессионных. Applied Energy , август 2011 г.
11. Нобору Кагава, Регенеративные термические машины (цикловые машины Стирлинга и Вюйлумье) для нагрева и охлаждения, Международный институт холода, 2000 г.
12. Хенрик Карлсен, Результаты программы испытаний теплового насоса Vuilleumier мощностью 20 кВт , Технический университет Дании, 1994 г.
13. Пьер Рошель, Лавиния Гросу, Машина Стирлинга Виллёмье с жидкостными поршнями, Парижский университет 10, Лаборатория физической механики, 2004 г.
14. Л. Б. Пенсвик, И. Уриэли, Дуплексные машины Стирлинга, Sunpower inc., 1984

Статьи по Теме

• Альтернативная силовая установка
• Термодинамика
• Свободнопоршневой двигатель
• Двигатель Стирлинга-Виллемье
• Двигатель Ericsson
• двигатель Стирлинга
• Криогеника

Внешние ссылки

• простудиться , на сайте motorstirling. com
• форум двигателя Стирлинга на сайте lixium.fr

<img src=»//fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1×1″ alt=»» title=»»>

Цикл Стирлинга — Криогеника Стирлинга

Цикл Стирлинга — это термодинамический замкнутый цикл, изобретенный в 1816 году шотландским министром Робертом Стирлингом. Он использовался в качестве двигателя и в то время считалось, что он может заменить паровой двигатель, поскольку паровые котлы были подвержены опасным для жизни взрывам. Аналог двигателя Стирлинга, холодильник, был впервые обнаружен в 1832 году. Обе машины переживали взлеты и падения в течение девятнадцатого века. Принцип работы машин был почти предан забвению после изобретения двигателей внутреннего сгорания (газовых, бензиновых и дизельных двигателей) и компрессорных холодильников с внешним испарением.
В 1938 году знаменитая голландская исследовательская лаборатория Philips искала средство для питания генераторов электроэнергии для систем связи на коротких волнах в отдаленных районах без электричества. Их внимание привлек практически забытый двигатель Стирлинга.

В 1946 году Philips начала оптимизировать цикл Стирлинга для криогенного охлаждения. Результатом стала разработка покорившего мир криогенератора Стирлинга, положившего начало значительной криогенной деятельности Philips. Хотя сам двигатель Стирлинга так и не стал коммерчески успешным, криогенератор Стирлинга был продан тысячами по всему миру и был включен в оборудование и проекты, используемые от Антарктиды до Северного полюса.

Эффективность Стирлинга

Криогенератор Стирлинга чрезвычайно эффективен по сравнению с другими циклами криогенного охлаждения. Эффективность Карно составляет 30% при 77K, что дает высокую практическую общую эффективность, определяемую как ватты мощности охлаждения, доступной для приложения, деленные на кВт входной электрической мощности. В зависимости от рабочей температуры общий КПД криогенератора Стирлинга варьируется от 10 % для LN ₂ до более 20 % для систем СПГ.

Стирлинг криогенератор

Центральный элемент во всех оборудовании криогеники Стирлинга является криогенератор цикла Стирлинга. Цикл Стирлинга примечателен тем, что это замкнутый цикл, в котором внутренний рабочий газ криогенератора (He) никогда не вступает в контакт с охлаждаемой жидкостью; они соединяются только потоком тепла через стенку теплообменника. Эта концепция устраняет загрязнение технологического процесса заказчика, а также рабочего газа цикла Стирлинга, что приводит к длительным периодам непрерывной работы и долговечности.

Цикл Стирлинга попеременно сжимает и расширяет фиксированное количество гелия в замкнутом цикле. Сжатие происходит при комнатной температуре, чтобы облегчить отвод тепла, вызванного сжатием, в то время как расширение выполняется при криогенной температуре, требуемой приложением

Для пояснения процесс может быть разделен на четыре различных положения поршня, показанных на рис. 1. В положении I весь гелий находится при комнатной температуре в пространстве D. Переходя в положение II, этот газ сжимается поршнем B, повышая температуру газа примерно до 80°C, см. рис. 2, колонка 1. Когда вытеснитель C перемещается вниз из положения II в положение III, газ вытесняется из пространства D в пространство E, вытесняя его сначала через охладитель H, где теплота сжатия рассеивается в охлаждающую воду, снижая температуру газа примерно до 15°C (колонка 2). Далее гелий протекает через регенератор G. Используя холод, запасенный в регенераторе предыдущим циклом, газообразный гелий охлаждается практически до конечной рабочей температуры при поступлении в пространство Е (столбец 3). Последним и основным действием является перемещение вытеснителя и поршня в положение IV, расширяя газообразный гелий. Это расширение создает фактическую мощность охлаждения в холодном теплообменнике J (столбец 4), охлаждая процесс потребителей.

Чтобы начать новый цикл, вытеснитель перемещается вверх в положение I, снова вытесняя гелий в пространство D. Регенератор охлаждается проходящим гелием (колонна 3), сохраняя холод для использования в следующем цикле. Гелий повторно нагревается почти до комнатной температуры, поэтому исходная ситуация цикла теперь восстановлена ​​для повторения цикла. Этот цикл обычно повторяется с частотой 25 Гц, обеспечивая непрерывный отвод тепла.

При запуске в теплом состоянии криогенератор сначала охлаждается, создавая буфер холода в регенераторе (столбец 3). Это охлаждение занимает всего около 10 минут, что позволяет быстро запустить весь процесс.

Более 200 лет истории двигателя Стирлинга

Роберт Стирлинг основал идею и получил патент на первый двигатель Стирлинга в 1816 году. Оттуда его изобретение было впервые использовано в качестве охлаждающего инструмента в 1834 году астроном Джон Гершель. Затем Джон Горри, шотландский иммигрант, живущий в США, был признан в 1876 году первым человеком, который использовал двигатель для производства льда. Этих троих мы считаем отцами-основателями двигателя Стирлинга. Они наметили путь, который привел нас к созданию самой энергоэффективной в отрасли морозильной камеры сверхнизкой температуры.

Развитие технологии Стирлинга

Со временем усовершенствования машин с циклом Стирлинга стали происходить реже, и к 1900 году эти машины почти исчезли, пока в 1940-х годах они не были вновь открыты исследователями компании Philips в Нидерландах. Компания Philips использовала наддув для значительного повышения удельной мощности.

В 1946 году под руководством Дж. В. Л. Келера компания Philips применила цикл Стирлинга для использования при низких температурах при производстве сжиженных газов (патент США 2,9).07,175, 14 марта 1955 г.).

Изобретение свободнопоршневого двигателя Стирлинга

Различные конфигурации свободнопоршневого двигателя Стирлинга были изобретены и разработаны в 1960-х годах. Этим машинам не требовалось никаких механических соединений, поскольку движущиеся части приводились в движение либо внутренним давлением газа, либо линейным двигателем / генератором переменного тока. Более поздние разработки включали газовые подшипники, в которых и поршень, и вытеснитель опираются на гелиевые подшипники, что устраняет необходимость в какой-либо смазке.

Основание Global Cooling, Inc.

В 1995 г. была создана Global Cooling Inc. для коммерциализации линейки свободнопоршневых двигателей Стирлинга. Первая производственная единица компании, M100, была продана в качестве OEM-продукта другим производителям для использования в ряде устройств, используемых в аэрокосмической, электронной, энергетической и других отраслях промышленности.

В 2004 году компания Twinbird Corporation (Япония), работающая по лицензии Global Cooling, выпустила первый в мире потребительский продукт, охлаждаемый свободнопоршневым двигателем Стирлинга. Этот продукт, первоначально продаваемый как холодильник для рекреационного использования, был предшественником нынешней линейки портативных морозильных камер и холодильников. Twinbird и Global Cooling продолжают активное сотрудничество.

В 2009 году компания Global Cooling определила значительные преимущества охлаждающей способности и энергопотребления технологии Стирлинга со свободными поршнями по сравнению с холодильными системами на основе сверхнизких каскадных компрессоров, используемых в науках о жизни, фармацевтике и клинических исследованиях в больницах.

В 2010 году компания решила создать производственный объект для создания конкурентоспособной линейки морозильных камер хранения со сверхнизкой температурой для удовлетворения растущего спроса со стороны биохранилищ, фармацевтических компаний, больниц и других организаций.

Производственное помещение

В апреле 2011 года компания переехала в помещение площадью 50 000 кв. футов. предприятие в Афинах, штат Огайо, продолжая наследие производства качественных сверхнизких морозильных камер, уже налаженное в юго-восточном Огайо.

Здесь компания производит все свои свободнопоршневые двигатели Стирлинга и проводит непосредственное обучение уполномоченного обслуживающего персонала, сертифицированного для обслуживания продукции Stirling Ultracold в полевых условиях.

Отмеченная наградами разработка продукции

В январе 2013 года, после серьезного бета-тестирования на объектах клиентов в США, Stirling Ultracold представила модель SU780U, чтобы удовлетворить рыночный спрос на большой (27,5 куб. футов) вертикальный сверхнизкий морозильник для замены обычных каскадных морозильников. Успешное развертывание SU780U и независимое тестирование производительности заказчиками вызвали положительные отзывы со стороны экспертов по биорепозиториям и фармацевтов со всего мира.

В мае 2013 года компания Stirling Ultracold получила награду Международного общества биологических и экологических хранилищ (ISBER) за выдающийся новый продукт года за модель SU780U со сверхнизким температурным замораживанием. Награда, ежегодно присуждаемая одному продукту, присуждается за разработку и внедрение компанией самой энергоэффективной в мире сверхнизкотемпературной морозильной камеры Stirling Ultracold SU780U. Год спустя SU780UE второго поколения был признан Международным институтом устойчивых лабораторий (I ² SL), получив награду Go Beyond Award 2014.

Представление морозильной камеры нового поколения SU780XLE

Осенью 2016 года мы представили следующий этап революции морозильных камер Stirling Ultracold. В SU780XLE были улучшены не только отмеченные наградами энергоэффективность и экологичность SU780U/UE, но и усовершенствованные характеристики и надежность охлаждения при сверхвысоких температурах для лучшей защиты биологических образцов в течение всего срока службы морозильной камеры. Новая эргономичная рукоятка XLE, дизайн корпуса и повышенная производительность подтвердили наше лидерство в отрасли по целостности образцов, экологичности и снижению совокупной стоимости владения.

Дистрибьюторское соглашение VWR

В начале 2017 года компания Stirling Ultracold заключила соглашение с VWR о предоставлении нашего продукта североамериканским коммерческим, академическим и некоммерческим исследовательским организациям через представителей VWR. Эти отношения расширили наше присутствие в Северной Америке и расширили портфолио VWR за счет самой энергоэффективной морозильной камеры в отрасли.