Expansionsmaschine. Prinzip: Arbeitsgas: Helium "Brayton-Verfahren" z. B. Luftverflüssigung: Kondensation am Kaltkopf Destillation mit Trennsäule
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- Sigrid Hoch
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1 5.1.1 Expansionsmaschinen Prinzip: Kompressor Kühler (Wasser, Luft, fl. N 2 ) Arbeitsgas: Helium "Brayton-Verfahren" z. B. Luftverflüssigung: Kondensation am Kaltkopf Destillation mit Trennsäule 77,4K 87,3K 90,2K N 2, Ar, O 2 warm kalt Kaltkopf Gegenstrom- Wärmetauscher Expansionsmaschine kühlen Schutzgas schweißen
2 5.1.1 Expansionsmaschinen Bauformen von Expansionsmaschinen: Kolben-Zylinder-Maschinen Kurbelwelle, Nockenwelle, Ventile ähnlich wie Auto-Motor Kühlturbinen großtechnisch höherer Wirkungsgrad bei großem Durchsatz Prinzip: Bremse an Turbinenachse: regelt die Drehzahl vernichtet die Arbeit Gas zurückweichende Wand
3 Fazit: Expansionsmaschinen Expansionsmaschinen sind einfach mehrstufige Anordnung für tiefere Temperaturen möglich bis nahezu 4,2 K aber: Wirkungsgrad nicht optimal (nur mit Kühlturbine) besser für kleinere Anlagen: regenerative Maschinen
4 5.1.2 regenerative Maschinen neu: "Regenerator" statt Wärmetauscher = Rohr mit Stapel feiner Metallnetze (Cu, Pb) hohe Wärmekapazität wenig Wärmeleitung in Strömungsrichtung warm Strömung abwechselnd: kaltes Gas von unten nach oben kühlt die Netze warmes Gas von oben nach unten wird vorgekühlt wird beim Stirlingprozess verwendet Regenerator kalt
5 Stirlingprozess: regenerative Maschinen Prinzip: p Isochoren δv = 0 (b) Isothermen δt = 0 (a) (d) (c) Wassergekühlt Regenerator V=const V Kaltkopf Bewegung nahezu sin-förmig Phasenverschiebung um 90 t
6 Bauformen: regenerative Maschinen nur 1 Zylinder mit Arbeits- und Verdrängerkolben Regenerator als Verdränger: Regenerator ortsfest:
7 Fazit: regenerative Maschinen Vorteile: Stirling-Maschine hat hohen Wirkungsgrad geeignet für kleine Anlagen oder dezidierte Kleinkühler "Cryocooler" nicht als Turbine realisierbar Nachteile: komplizierte Mechanik Arbeitskolben (Kompressor) bei tiefer Temperatur einfachere Variante: Gifford-McMahon - Maschine aber: Wirkungsgrad etwas geringer!
8 regenerative Maschinen Gifford-McMahon (GM)-Maschine: Kompressor mit Umschaltventil statt Arbeitskolben: Unterdruck Kompressor Kühler Druck (a) Kompression im Warmen (b) Abkühlung isochor (c) Expansion im Kalten (d) regenerieren isochor (a) Kompression im Warmen
9 regenerative Maschinen Neueste Entwicklung: Pulsröhrenkühler pulse tube refrigerator Stirlingoder GM- Antrieb Regenerator Pulsröhre Engstelle Hilfsvolumen Stoßwelle akust. Impedanz Unterdruckwelle
10 regenerative Maschinen Pulsröhrenkühler-Ausführungen Druckpuls- Erzeugung warm Hilfsvol. Engstelle GM-Ventil Regenerator kalt Pulsrohr Wärmetauscher Prinzip kommerzieller Pulsröhrenkühler mit GM-Antrieb 0,5W bei 4,2K Tmin=2,3K (2-stufig)
11 Fazit: regenerative Maschinen Pulsröhrenkühler sind derzeit in rascher Entwicklung keinerlei bewegte Teile bei tiefer Temperatur lange Lebensdauer Mobilfunkstationen und Satelliten mit SL HF-Filtern fast frei von Vibrationen gut für SQUIDs Wirkungsgrad noch etwas schlechter als Verdrängerkolben nur eine Methode ist noch einfacher: Joule-Thomson-Kühler
12 5.1.3 Joule-Thomson-Kühler reales Gas (s. 1. Semester) V interatomares Potenzial: r abstoßend "Kovolumen" anziehend "Binnendruck" van der Waals-Gleichung: Expansion: a p+ 2 ( V m b) = Vm RT niedriger Druck: Anziehung kostet Arbeit: Abkühlung hoher Druck: Abstoßung leistet Arbeit: Erwärmung
13 Enthalpie: Joule-Thomson-Kühler Prinzip: p 1 V 1 V 2 p 2 Rohr poröser Stopfen oder Drossel V 1 strömt durch die Drossel und expandiert auf V 2 1. Hauptsatz: U = Q + W U 2 -U 1 = 0 (adiabatisch) V 0 2 p dv V konstant 1 p dv= pv+ pv U 2 +p 2 V 2 = U 1 +p 1 V 1 bzw. H U+pV= const Enthalpie
14 H(T,p) für ideale Gase: Joule-Thomson-Kühler 3 5 H(T,p) = U + pv = NkBT + N kbt = NkBT 2 2 Gleichverteilungssatz (1-atomig) ideales Gasgesetz unabhängig von p H H T T H = const. -Flächen Schnittlinien mit H=const p Isenthalpen T = const kein Kühleffekt
s [kj/kgk]
![s [kj/kgk]](/thumbs/67/58007944.jpg "s [kj/kgk]")
4.3 Stirling-Prozess 49 450 2 400 350 T [K] 300 3 1 250 200 150 4 6 5 100 0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 s [kj/kgk] Abb. 4.8 Zustandsänderungen des optimierten Joule-Kälteprozesses
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Adiabatische Zustandsänderungen Adiabatische Zustandsänderungen δq= 0 (ohne Übergang der Wärme) Adiabatischer Prozess (Q = const) Adiabatisch = ohne Wärmeaustausch, Temperatur ändert sich bei Expansion/Kompression
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