Laboratorium z chłodnictwa i kriogeniki

Ćw. 4 Wydajność cieplna chłodziarki typu Gifford - McMahon

Data wykonania ćw. 17.12.2012

Data oddania sprawozdania 07.01.2013

Prowadzący: dr inż. Jarosław Poliński

Skład grupy:

Anna Klupś

Agnieszka Manikowska

Przemysław Wojciechowski

1. Schemat układu

Rys. 1.1 a. schemat chłodziarki Gifforda-McMahona; b. odwzorowanie procesów w układzie p-v; c. odwzorowanie procesów w układzie T-s;

2. Pomiary i obliczenia

Lp.	Q	Zakres i nastawienie	T
-	W	-	K
1	0	Wył. grzałka	3,23
2	0,99	Mid – 18%	4,55
3	1,98	Mid – 36%	5,6
4	5,005	Mid – 91%	7,4
5	9,9	High – 18%	11,4
6	14,85	High – 27%	21,8
7	19,8	High – 45 %	39,85

Tab. 2.1 Temperatura uzyskana na „zimnym końcu” urządzenia w zależności od dostarczonego za pomocą grzałki elektrycznej ciepła

Zakres grzałek : Mid 0-5,5 W
High 0-55 W

Q = φ * Q_max

Rys. 2.1 Wykres zależności T (Q), czyli temperatury uzyskiwanej na zimnym końcu urządzenia od mocy grzałki elektrycznej.

3. Wnioski

Najniższa temperatura uzyskana za pomocą chłodziarki to 3,23 K. Mimo, że temperatura wrzenia helu to 4,2 K (czyli więcej niż najniższe uzyskane w niej temperatury), praca układu jest możliwa dzięki niskiemu ciśnieniu krytycznemu helu, które umożliwia pozostawanie helu w stanie gazowym.
Wykres temperatury uzyskanej na zimnym końcu chłodziarki jest nieliniowy (najbliższy jest krzywej ekspotencjalnej), wynika to ze zmiennego ciepła właściwego elementów wymiennika regeneracyjnego chłodziarki.
Punkty na wykresie to wartości uśrednione pomiarów temperatury, w rzeczywistości pomiary charakteryzowały się dużymi wahaniami wartości. Największe fluktuacje miał pomiar dla mocy grzałki 9,9 W, spowodowane to było skokami wartości ciepła właściwego w wymienniku chłodziarki (skoki ciepła wł. są własnością materiałów ziem rzadkich z których robione są elementy gromadzące ciepło w wymienniku).
Dużym plusem tego typu chłodziarki jest to, że pracuje ona w układzie zamkniętym, co powoduje prawie zerowe zużycie helu, dzięki czemu praca urządzenia jest tańsza. Niestety samo urządzenie nie jest tanie, co jest spowodowane przez użycie pierwiastków ziem rzadkich oraz bardzo dużą precyzję w wykonaniu tłoka chłodziarki. Drugim plusem urządzenia jest niskie ciśnienie pracy, co umożliwia współpracę z przeciętną sprężarką (zamiast np. butli z gazem, czy sprężarki o dużej mocy), mniejsze zużycie prądu do zasilenia sprężarki oraz większe bezpieczeństwo pracy (w przeciwieństwie do urządzeń pracujących pod wysokim ciśnieniem).