Serbest piston stirling soğutucularının deneysel olarak incelenmesi

Abstract

Serbest piston Stirling soğutucusu, içerisinde iki adet hareketli parça bulunan basınçlı bir kap olarak tanımlanabilir. Piston ve yerdeğiştirici olarak adlandırılan hareketli parçaların eşzamanlı hareketi sayesinde, belirli bir miktarda Helyum gazı basınçlı kabın içerisinde ileri geri sıkıştırılmakta ve bu sayede düşük sıcaklıktaki bir ortamdan çekilen ısıl enerjinin, yüksek sıcaklıktaki bir ortama atılması sağlanmaktadır. Stirling çevrimine göre çalışan serbest piston soğutma makinalarında, kinematik Stirling soğutucularından farklı olarak, hareketli parçalar arasında mekanik bağlantılar bulunmamaktadır. Mekanik bağlantıların ve bu bağlantılar nedeniyle ' meydana gelen kayıpların elimine edilmesi sayesinde yüksek etkinlik katsayılarında çalışabilen serbest piston Stirling soğutucularının, soğutucu akışkan olarak Helyum kullanmaları nedeniyle çevre üzerinde herhangi bir olumsuz etkisi yoktur. Bu nedenlerden dolayı, günümüzde prototip olarak özel şirketler tarafından üretilen serbest piston Stirling soğutucuları, ev tipi buzdolaplarında kullanılan kompresörlere önemli bir alternatif oluşturmaktadır. Bu çalışmada, özel bir şirket tarafından üretilen iki farklı serbest piston Stirling soğutucusu deneysel olarak incelenmiştir. Soğutucuların soğutma kapasitesinin ve etkinlik katsayısının ölçülebilmesi için bir deney düzeneği tasarlanmış ve kurulmuştur. Soğutucunun, dışarıdan ısıl enerji çekme kabiliyetine sahip yüzeyleri belirli bir hacim içerisine alınarak dış ortamdan yalıtılmış, bu hacim içine yerleştirilen rezistanslı ısıtıcılarla soğutucu üzerinde ısıl yük oluşturulmuştur. Soğutucunun dışarıya ısıl enerji veren sıcak yüzeylerini belirli bir sıcaklıkta tutabilmek içinse bir soğutma devresi kurulmuştur. Serbest piston Stirling soğutucularının soğutma kapasitesinin tahrik voltajıyla değişmesi nedeniyle, soğutma kapasitesi deneyleri farklı voltaj basamaklarında yapılmıştır. Belirli bir voltaj basamağında soğutma kapasitesinin soğuk taraf sıcaklığı ile değişimini inceleyebilmek için deneyler, farklı ısıl yükler altında tekrarlanmıştır. Yapılan çalışma dahilinde elde edilen soğutma makinası etkinlik katsayısı değerlerine göre, serbest piston Stirling soğutma teknolojisinin ev tipi buzdolaplarında kullanılmak için güçlü bir alternatif olduğu sonucuna varılmıştır.

A Free piston Stirling cooler may be defined as a pressure vessel that contains two moving parts inside. As a result of the simultaneous motion of the moving parts, which are named the piston and the displaces a certain amount of Helium gas is shuttled back and forth continuously in the pressure vessel and accordingly the thermal energy absorbed from a lower temperature medium is rejected to a higher temperature one. Free piston Stirling coolers differ from the kinematic Stirling cycle refrigerating machines in the manner that, the simultaneous motion of the reciprocating bodies is provided by the pressure swing in the vessel. On the other hand, a kinematic Stirling ' cooler has mechanical linkages between its piston and displacer. Free piston Stirling coolers, which are capable of operating at higher coefficient of performance values as a result of the elimination of the mechanical linkages and the losses associated with them, have no environmental impact since Helium is utilized as the refrigerant. Due to these advantages, free piston Stirling coolers seem to be a strong alternative to the conventional compressors that are currently being used in domestic refrigerators. In this study, two different free piston Stirling coolers which are manufactured as prototypes by a private company are investigated experimentally. A test rig is designed and constructed to measure the refrigeration capacities and thermal performances of the coolers. The cold surface of the cooler which is capable of absorbing heat from the environment is enclosed in a well insulated box and thermal load is applied on the cooler by two resistance heaters. Additionally, a hydraulic circuit is provided to keep the warm surface of the cooler at certain temperatures. The refrigeration capacity experiments are conducted at different input voltage steps since the refrigeration capacity of the cooler varies with the input voltage. Additionally, for a certain voltage step the tests are repeated for different heat loads to observe the cold head temperature dependance of the refrigeration capacity. According to the coefficient of performance values obtained within this study, it is concluded that the free piston Stirling refrigeration technology is a challenging alternative to be used in domestic refrigerators.