LABORATORIUM

KRIOGENIKI

Ćwiczenie 4

Wydajność cieplna chłodziarki Gifford-McMahon

Prowadzący: dr inż. Jarosław Poliński

Data przeprowadzenia ćwiczenia: 18.12.2012

Data oddania sprawozdania: 08.01.2013

Skład grupy:

1. Jolanta Pęcherz

2. Katarzyna Poznalska

3. Jakub Szpala

I Podstawy teoretyczne

Chłodziarka Gifforda-McMahona działa dzięki wykorzystaniu regeneracyjnych wymienników ciepła. Jest to chłodziarka gazowa, w której procesem prowadzącym do uzyskania niskich temperatur jest proces swobodnego wypływu.

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

Poniżej odwzorowano 4 etapy pracy chłodziarki:

1. Tłok znajduje się w dolnym położeniu. Cylinder napełnia się gazem poprzez zawór wlotowy (6). 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. Przy otwartym zaworze wlotowym tłok porusza się w górę i przetłacza gaz przez regenerator (3) do dolnej, zimnej komory cylindra. Gaz obniża swoją temperaturę do T_4’ w czasie przelotu przez regenerator. Maleje jego objętość, w wyniku czego do komory wpływa dodatkowa porcja gazu.

3. Przy osiągnięciu przez tłok martwego 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’, w wyniku dopływu do niego ciepła od chłodzonego obiektu.

4. W ostatnim etapie 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 dolny martwy punkt, zawór wylotowy zamyka się i cykl się powtarza.

II Cel ćwiczenia

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

III Schemat stanowiska pomiarowego

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

- czujnik temperatury: dioda silikonowa typu DT-670

- grzejnik elektryczny o oporze 55 Ω

- regulator Lake Shore type 331S

IV Przebieg pomiarów

W chwili podejścia do stanowiska pomiarowego chłodziarka działała już od dłuższego czasu, nie można było więc wyznaczyć 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.

V Wyniki pomiarów

Tabela 1. Wyniki pomiarów

wypełnienie	zakres	Q	T
%		W	K
0	0	0	3,25
18,5	med	1	4,7
37	med	2	5,6
91	med	5	7,4
18,5	high	10	12,5
27	high	15	21,9
37	high	20	41,2

Wykres 1. Charakterystyka chłodziarki we współrzędnych Q-T

VI Wnioski

Temperatura helu, którą zmierzono przed rozpoczęciem pomiarów wyniosła 3,25 K. Jest to wartość niższa niż temperatura wrzenia helu: 4,2K. Uzyskanie temperatury niższej niż normalna temperatura wrzenia helu było możliwe dzięki niskiemu ciśnieniu krytycznemu helu, które umożliwiło pozostanie helu w stanie gazowym.

Analizując wykres Q-T chłodziarki widać, że wzrost temperatury ma charakter wykładniczy.

Pomiary temperatury podczas eksperymentu mocno się wahały. Temperatura stabilizowała się przez dłuższy czas, tym większy, im większe było ciepło doprowadzane do układu. Wynikało to z gwałtownych zmian wartości ciepła właściwego w regeneratorze. Właściwość ta należy do materiałów ziem rzadkich, z których robione są elementy gromadzące ciepło w regeneratorze.

Chłodziarka Gifforda-McMahona posiada wiele zalet. Do najważniejszych należy jej niezawodność ze względu na prostą konstrukcję. Poza tym działa ona w układzie zamkniętym, co znacząco zmniejsza zużycie helu. Chłodziarka posiada również niskie ciśnienie pracy, co oznacza, że może pracować ze standardową sprężarką, która jest tańsza od wielostopniowych. Do niewątpliwych wad chłodziarki należy jej wysoka cena, która wynika z użycia drogich materiałów przy produkcji urządzenia i dużej precyzji i dokładności przy wykonywaniu elementów chłodziarki. Jest ona również mniej efektywna termodynamicznie od chłodziarki Stirlinga, ponieważ swobodny wypływ jest procesem nieodwracalnym.