LABORATORIUM

CHŁODNICTWA I KRIOGENIKI

Kriogenika: Ćwiczenie 4

Wydajność cieplna chłodziarki Gifford-McMahon

Prowadzący: dr inż. Jarosław Poliński

Data przeprowadzenia ćwiczenia: 19.12.2012

Data oddania sprawozdania: 08.12.2012

Skład grupy:

1. Karolina Żegiestowska

Podstawy teoretyczne_____________________________________

Chłodziarka typu Gifford-McMahon działa dzięki wykorzystaniu regeneracyjnych wymienników ciepła i procesu swobodnego wypływu gazu. Schemat ideowy takiego urządzenia znajduje się na rycinie 1.

Rysunek 1. Schemat chłodziarki Gifforda-McMahona (a), odwzorowanie procesów w układzie p-v (b), i T-s (c)

Cykl pracy chłodziarki:

1. Chłodziarka napełnia się gazem poprzez zawór wlotowy (6). Tłok znajduje się w dolnym położeniu. Gaz ma temperaturę T_0, następuje sprężanie gazu, który wcześniej znajdował się w cylindrze (4), wymieszanie z nową porcją gazu i ocieplenie gazu do temperatury T_fin.

2. Tłok porusza się w górę i przetłacza gaz przez regenerator (3) do dolnej, zimnej komory cylindra. Gaz obniża swoją temperaturę do T_4’ przy przejściu przez zimny regenerator. Maleje jego objętość, więc do komory wpływa dodatkowa porcja gazu.

3. Przy osiągnięciu przez tłok górnego punktu cylindra zawór wlotowy się zamyka, a wylotowy (7) otwiera. Następuje nierównowagowy wypływ swobodny gazu. Temperatura i ciśnienie gazu obniżają się. Wytworzona zostaje moc chłodnicza q i pozostały gaz ogrzewa się do temperatury T_6’, ponieważ dopływa do niego ciepło od kriostatowanego obiektu.

4. Następnie tłok porusza się w dół przy otwartym zaworze wylotowym. Gaz zostaje ogrzany w regeneratorze i przetłoczony do ciepłej części cylindra. Objętość gazu rośnie i nadmiar wypływa przez zawór wylotowy. Kiedy tłok osiągnie najniższy punkt, zawór wylotowy zamyka się i cykl się powtarza.

Cel ćwiczenia____________________________________________

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z pracą chłodziarki Gifforda-McMahona, oraz narysowanie charakterystyki schładzania we współrzędnych Q-T.

Schemat stanowiska pomiarowego_________________________

Schemat ideowy przedstawiony został na rysunku 1. Na rysunku 2. przedstawiono widok stanowiska pomiarowego.

Rysunek 2. Widok stanowiska pomiarowego chłodziarki typu Gifford –McMahon. 1 – Dwustopniowa chłodziarka typu Gifford-McMahon DE – 210SF, 2 – zbiornik próżniowy chłodziarki, 3 – kompresor helu, 4 – regulator temperatury zimnej głowicy chłodziarki GM, 5 – komputerowy system akwizycji danych pomiaru temperatury

Dodatkowe przyrządy:

- czujnik temperatury: dioda silikonowa typu DT-670

- grzejnik elektryczny o oporze 55 Ω

- regulator Lake Shore type 331S

Przebieg pomiarów________________________________________

W chwili rozpoczęcia ćwiczenia chłodziarka działała już od dłuższego czasu, niemożliwym więc było wyznaczenie czasu rozruchu chłodziarki. Zanotowano najniższą temperaturę chłodziarki i przystąpiono do stopniowego dostarczania ciepła do głowicy. Przeprowadzono odczyty dla wartości ciepła 1, 2, 5, 10, 15, 20 Ω. Po każdej regulacji czekano na ustabilizowanie się temperatury.

Wyniki pomiarów__________________________________________

Tabela 1. Wyniki pomiarów

Q	T
W	K
0	3,23
1	4,65
2	5,6
5	7,4
10	11,2
15	22,05
20	39,77

Wykres 1. Charakterystyka chłodziarki we współrzędnych Q-T

Wnioski_________________________________________________

Najniższa zarejestrowana temperatura helu wynosiła 3,23K. Jest to wartość niższa niż temperatura wrzenia helu: 4,2K. Uzyskanie tak niskiej temperatury było możliwe dzięki niskiemu ciśnieniu krytycznemu helu, które pozwoliło na pozostanie helu w stanie gazowym. Na wykresie zależności temperatury od dostarczonego ciepła można zauważyć, że ta charakterystyka wzrasta wykładniczo.

Podczas pomiarów zauważono, że pomiary temperatury podlegają znaczącym wahaniom i potrzeba wiele czasu na ustabilizowanie się temperatury. Wynika to ze skoków wartości ciepła właściwego w wymienniku regeneracyjnym chłodziarki. Skoki ciepła właściwego są własnością materiałów ziem rzadkich, z których robione są elementy akumulujące ciepło w wymienniku.

Do zalet chłodziarki Gifforda-McMahona należy jej niezawodność ze względu na dość prostą konstrukcję. Oprócz tego działa ona w układzie zamkniętym, co minimalizuje zużycie helu. Ponadto to urządzenie pracuje pod stosunkowo niskim ciśnieniem, więc do jego napędu można używać standardową sprężarkę, która jest tańsza od wielostopniowych. Z tego powodu zwiększa się również bezpieczeństwo pracy i zmniejsza zużycie prądu.

Wadą chłodziarki jest jej wysoka cena, co jest spowodowane użyciem drogich materiałów i precyzją wykonania tłoka.