Nghiên cứu động cơ stirling sử dụng nhiệt thải luận văn thạc sĩ ngành kỹ thuật cơ khí động lực

Tóm tắt: Đề tài đư nghiên c u ng dụng động cơ Stirling cho các thiết bị làm lạnh như điều hòa t lạnh, giảm ô nhi m do chất độc hại ảnh hư ng môi trư ng trong thiết bị làm lạnh gây ra.. C

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Xác nhận c a cán bộ hướng dẫn

Lụ L CH KHOA H C i

L I CAM ĐOAN ii

C M T iii

TịM T T iv

ABSTRACT v

L I NịI Đ U vi

MỤC LỤC viii

DANH MỤC CÁC Kụ HI U VÀ CH VI T T T xii

DANH MỤC CÁC HỊNH xii

DANH MỤC CÁC B NG xvii

CH NG 1 T NG QUAN V Đ TÀI NGHIểN C U 1

1.1.Tổng quan về lĩnh vực nghiên c u 1

1.β.Tình hình nghiên c u hi n nay 2

1.β.1.Các công trình nghiên c u trong nước 2

1.β.β.Các công trình nghiên c u nước ngoài 2

1.γ.Mục đích nghiên c u 6

1.4.Nhi m vụ và giới hạn đề tài 6

1.5.Đối tượng nghiên c u 7

1.6.Phương pháp nghiên c u 7

1.7.Lý do chọn đề tài 7

CH NG 2 C S Lụ THUY T 8

β.1.Giới thi u về động cơ Stirling 8

β.1.1.Khái ni m và lịch sử phát triển c a động cơ Stirling 8

β.1.β.Phân loại động cơ Stirling 12

β.1.γ.Đặc điểm cấu tạo c a động cơ Stirling 13

β.1.4.Nguyên lý hoạt động cơ bản c a động cơ Stirling 15

β.1.5.Cấu tạo và hoạt động c a các loại động cơ Stirling 19

2.1.5.2 Động cơ Stirling kiểu piston phụ 22

β.β.β.Hi u suất nhi t lý thuyết c a chu trình Stirling 29

β.β.β.1.Quá trình nén đẳng nhi t 1-2 29

β.β.β.β.Quá trình nung nóng đẳng tích β-3 30

β.β.β.γ.Quá trình giưn n đẳng nhi t γ-4 30

β.β.β.4.Quá trình làm lạnh đẳng tích 4-1 31

β.γ.Phương pháp thiết kế động cơ Stirling theo chu trình Schmidt 33

β.γ.1.Các giả thiết cơ bản c a chu trình 33

β.γ.β.Các phương trình cơ bản c a chu trình 34

β.γ.β.1 Động cơ Stirling kiểu Alpha 35

β.γ.β.β Động cơ Stirling kiểu Beta 38

β.γ.β.γ Động cơ Stirling kiểu Gamma 40

β.γ.β.4 Tính toán năng lượng, công suất và hi u suất 42

2.4 Phương pháp tính các thông số khí thải c a động cơ đốt trong và lượng nhi t có thể cung cấp cho động cơ Stirling 43

2.4.1.Giới thi u về khí thải động cơ đốt trong 43

2.4.2.Tính toán lượngkhíxảGkxdođộng cơchínhxả ra 45

CH NG 3 TệNH TOÁN THI T K Đ NG C STIRLING 47

γ.1 Lựa chọn và tính toán nguồn nhi t thải 47

γ.β Tính toán thiết kế động cơ Stirling theo thông số nhi t thải 49

γ.β.1 Tỉ số nhi t độ tuy t đối giữa nguồn nóng và nguồn lạnh 50

γ.β.β Lựa chọn tỷ số thể tích cho động cơ Stirling theo tỉ số nhi t độ 50

γ.β.γ Tính thể tích làm vi c lớn nhất c a động cơ theo lượng nhi t thải 51

γ.β.4 Tính toán thông số động cơ 52

γ.β.4.1 Các thông số ban đầu để thiết kế động cơ Stiling: 52

γ.β.4.β Các thông số thiết kế thiết kế động cơ Stiling: 52

γ.γ Thiết kế và gia công các chi tiết c a động cơ Stirling 55

γ.γ.1 Bản vẽ thiết kế 55

γ.γ.β Gia công các chi tiết 57

3.4 Tính chu trình nhi t c a động cơ thiết kế 59

γ.4.1 Các thông số ban đầu 59

γ.4.β Thể tích các không gian làm vi c c a động cơ 59

3.4.3 Tính toán nhi t lượng cho động cơ Stirling thiết kế 61

γ.4.γ.1 Nhi t lượng cần thiết để nung nóng môi chất công tác 61

γ.4.γ.β Nhi t lượng truyền qua xylanh giản n 62

γ.4.γ.γ Nhi t lượng truyền qua phần đỉnh c a xylanh giưn n 63

γ.4.γ.4 Nhi t lượng truyền qua piston giưn n 63

γ.4.γ.5 Nhi t lượng truyền qua bộ tản nhi t 63

γ.4.γ.6 Nhi t lượng truyền qua ống nối giữa β xylanh 64

γ.4.γ.7 Nhi t lượng truyền qua xylanh nén 64

γ.4.γ.8 Nhi t lượng truyền qua piston nén 65

γ.4.γ.9 Nhi t lượng cần thiết để cung cấp cho động cơ 65

γ.4.4 Tính toán chu trình nhi t động học c a động cơ Stirling 65

γ.4.4.1 Khối lượng môi chất công tác 65

γ.4.4.β Quá trình cấp nhi t đẳng tích 1-2 65

γ.4.4.γ Quá trình giản n đẳng nhi t β-3 66

γ.4.4.4 Quá trình làm mát đẳng tích γ-4 66

γ.4.4.5 Quá trình nén đẳng nhi t 4-1 66

γ.4.4.6 Công tính toán c a động cơ 67

γ.4.4.7 Hi u suất nhi t tính toán c a động cơ 67

γ.4.4.8 Khả năng sử dụng nhi t thải xe máy c a động cơ Stirling theo thiết kế 68

CH NG 4 TH NGHI M NG DỤNG Đ NG C STIRLING 69

4.1 Mục tiêu và yêu cầu c a vi c thử nghi m động cơ Stirling 69

4.1.1 Mục tiêu 69

4.1.β Yêu cầu và điều ki n thử nghi m 69

4.2 Phương pháp và bố trí thực nghi m 70

4.β.1 Phương pháp thử nghi m 70

4.β.β Bố trí thử nghi m 70

4.β.β.1 Bố trí lắp đặt mô hình thử nghi m 70

4.β.β.β Các chi tiết trong mô hình thử nghi m 71

4.γ.Kết quả thực nghi m 77

4.3.1 Kết quả đo nhi t độ khí thải c a xe máy theo tốc độ động cơ và chế độ tải 77

4.γ.β Kết quả thử nghi m hoạt động c a động cơ Stirling theo các chế độ thử nghi m 78

4.γ.β.1 Trư ng hợp 1: động cơ xe máy hoạt động β0% tải, nhi t độ khí thải khoảng β50oC 78

4.γ.β.β Trư ng hợp β: động cơ xe máy hoạt động 40% tải, nhi t độ khí thải khoảng γ50oC 79 4.γ.β.γ Trư ng hợp γ: động cơ xe máy hoạt động 60% tải, nhi t độ khí

o

4.γ.γ Kết quả đo đi n áp phát ra và công suất tải c a động cơ Stirling theo

nhi t độ khí thải 81

4.γ.4 Đánh giá hi u suất sử dụng nhi t thải c a động cơ Stirling trên thực tế 83 4.4.Đánh giá kết quả thử nghi m 85

4.5.Chương trình mô ph ng và tính toán thông số động cơ Stirling 86

CH NG 5 K T LUẬN VÀ H NG NGHIểN C U 87

5.1.Những vấn đề đư giải quyết 87

5.β.Những vấn đề còn tồn tại 88

5.γ.Hướng phát triển c a đề tài 88

TÀI LI U THAM KH O 89

DANH MỤC CÁC Kụ HI U VÀ CH VI T T T

Tmax, TE, TH Nhi t độ nguồn nóng, độ K

Tmin, TC Nhi t độ nguồn lạnh, độ K

Lưu lượng khối lượng, kg/s

Kiểu động cơ Bêta Kiểu động cơ Gamma

V SE Thể tích quét c a piston giưn n hoặc piston phụ

V SC Thể tích quét c a piston nén hoặc piston lực

V DE Thể tích chết c a không gian giưn n

x, dx Góc l ch pha giữa hai piston

L E Công suất c a quá trình giưn n

L C Công suất c a quá trình nén

DANH MỤC CÁC HỊNH

Hình 2.1: Robert Stirling - ngư i phát minh ra động cơ Stirling 9

Hình 2.2: Mô hình động cơ c a Robert Stirling sáng chế (1816) 9

Hình 2.3: Tổ hợp động cơ Stirling - Máy phát đi n c a công ty Philips 10

Hình 2.4: Một số thiết bị sử dụng động cơ Stirling (a) H thống năng lượng mặt tr i, (b) Bơm nhi t, (c) Thiết bị làm lạnh, (d) Tàu ngầm 11

Hình 2.5: Bơm nước sử dụng năng lượng mặt tr i c a trư ng Đại học Đà Nẵng 12

Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling 13

Hình 2.7: Động cơ Stirling kiểu alpha với cơ cấu Ross - Yoke (a) và cơ cấu Ross Rocker (b) 15

Hình 2.8: Khi chưa cấp nhi t 16

Hình 2.9: Cấp nhi t cho một đầu c a xy lanh 16

Hình 2.10: Không khí có áp suất cao đẩy piston đi ra 17

Hình 2.11: Khi áp suất bên trong xy lanhcân bằng với áp suất khí quyển thì quá trình sinh công kết thúc 17

Hình 2.12: Ngừng cấp nhi t, tăng cư ng làm mát Nhi t độ và áp suất bên trong xy lanh giảm xuống 17

Hình 2.13: Piston chuyển động vào bên trong do áp suất không khí bên ngoài cao hơn 18

Hình 2.14: Nguyên lý hoạt động tự động c a động cơ Stirling 18

Hình 2.15: Mô hình cấu trúc c a động cơ Stirling kiểu alpha 19

Hình 2.16: Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu alpha nhiều xy lanh 20

Hình 2.17: Động cơ Stirling STM 4 - 1β0 c a hưng STM Power 20

Hình 2.18: Chu trình hoạt động c a động cơ Stirling kiểu Alpha 21

Hình 2.19: Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu Beta 22

Hình 2.20: Chu trình cấp nhi t động cơ Stirling kiểu Beta 24

Hình 2.21: Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu Gamma 24

Hình 2.22:Quátrìnhnén(a) vàquá trìnhcấpnhi t(b) 25

Hình 2.23: Quátrìnhgiưnn sinhcông(a) vàquátrìnhlàmmát(b) 26

Hình 2.24: a) Mô hình cấu trúc động cơ Stirling, b) Đồ thị p – v, c) Đồ thị T – S 26

Hình 2.25: a - Khoảng dịch chuyển c a piston các điểm giới hạn c a chu trình; b - Đồ thị Th i gian - Khoảng dịch chuyển 28

Hình 2.26: Chu trình Stirling và chu trình Carnot 32

Hình 2.27: Động cơ Stirling kiểu Alpha 35

Hình 2.28: Động cơ Stirling kiểu Beta 38

Hình 2.29: Động cơ Stirling kiểu Gamma 40

Hình 2.30: Sự phân bố năng lượng trên xe 44

Hình 3.1: Đồ thị tỉ số thể tích động cơ Stirling theo tỉ số nhi t độ […] 51

Hình 3.2: Cụm piston, xi lanh phụ và piston, xylanh lực 56

Hình 3.3: Cụm thanh nối và bánh đà 56

Hình 3.4: Cụm làm mát không gian giưn n và không gian nén 57

Hình 3.5: Các chi tiết c a động cơ sau khi chế tạo 58

Hình 3.6: Động cơ Stirling sau khi lắp hoàn chỉnh 59

Hình 4.1: Sơ đồ bố trí mô hình động cơ Stirling trên đư ng ống thải 70

Hình 4.2: Bố trí thử nghi m thực tế 71

Hình 4.3: Mô hình động cơ Stirling 72

Hình 4.4: Cấu tạo ống pô đư chế tạo và vị trí lắp động cơ Stirling 72

Hình 4.5: ng pô lắp lên xe máy và lắp động cơ Stirling 72

Hình 4.6: Đ m làm kín cổ pô và các dụng cụ tháo lắp 73

Hình 4.7: Thiết bị đo tốc độ động cơ xe máy 73

Hình 4.8: Thiết bị đo nhi t độ bề mặt 74

Hình 4.9: Đồng hồ VOM và thao tác đo đi n áp phát ra 74

Hình 4.10: Nhi t kế đi n tử 75

Hình 4.11: Bộ đo số vòng quay c a động cơ Stirling 76

Hình 4.12: Giao di n đo số vòng quay c a động cơ Stirling 76

Hình 4.13: Biểu đồ so sánh nhi t độ khí thải theo tải động cơ và tốc độ 78

Hình 4.14: Biểu đồ đi n áp phát ra theo tốc độ động cơ Stirling 83

Hình 4.15: Biểu đồ thể hi n công suất tải phát ra và nhi t độ khí thải ng với chế

độ tải c a động cơ xe máy thử nghi m 83

DANH MỤC CÁC B NG

B ng 2.1: Phân loại tổng quát động cơ Stirling 13

B ng 2.2: Các kí hi u sử dụng trong lý thuyết Schmidt 34

B ng 3.1: Các thông số xe SYM EZ 110 47

B ng 3.2: Bảng tổng hợp các thông số động cơ Stirling thiết kế 54

B ng 3.3: Bảng tổng hợp các chi tiết và vật li u chế tạo 58

B ng 4.1: Độ chính xác c a các dụng cụ đo 76

B ng 4.2: Kết quả khảo sát nhi t độ khí thải theo tải động cơ 77

B ng 4.3: Các kết quả thử nghi m trư ng hợp 1 79

B ng 4.4: Các kết quả thử nghi m trư ng hợp β 80

B ng 4.5: Các kết quả thử nghi m trư ng hợp γ 81

B ng 4.6: Các thông số c a động cơ Stirling và công suất máy phát khi thay đổi chế độ tải c a xe máy 82

là do khí thải c a động cơ Nồng độ c a những chất gây ô nhi m trong khí xả động cơ như NOx, CO, HC, bồ hóng có xu hướng gia tăng mạnh mẽ cùng với sự gia tăng nồng độ CO2, chất khí gây hi u ng nhà kính làm tăng nhi t độ bầu khí quyển, đư là đề

tài bàn cưi nhiều di n đàn quốc tế và khu vực

Tất cả những vấn đề đó, đòi h i ngành động cơ phải có những giải pháp thích hợp Động cơ đốt trong ngày nay dần dần sẽ được thay thế bằng các loại động cơ khác, trong đó động cơ Stirling đang được sự quan tâm c a nhiều ngư i Đây là loại động cơ đốt ngoài sử dụng môi chất công tác thể khí Động cơ có kết cấu đơn giản, không có các h thống ph c tạp như h thống đi n, h thống phun nhiên li u Động cơ Stirling cung cấp côngtheo một chu trình trong đó piston nén khí nhi t

độ thấp và cho khí giưn n nhi t độ cao Động cơ này có thể dùng bất kỳ nguồn nhi t nào, quá trình cấp nhi t có thể thực hi n bên trong hay bên ngoài xylanh

Động cơ Stirling xuất hi n khá sớm, với tên gọi trước đây là động cơ khí nóng, đựơc đưa ra lần đầu tiên b i một mục sư ngư i Scotland, có tên là Robert Stirling vào năm 1816 Sau một th i gian phát triển, tính năng ưu vi t về công suất riêng c a động cơ hơi nước đư làm lum động cơ Stirling Tuy nhiên, động cơ Stirling vẫn được quan tâm trong suốt thế kỷ XIX b i tính chất đặc bi t c a động cơ này đó là: nếu chu trình nhi t động học được thực ti n hóa thì hi u suất c a động cơ Stirling sẽ giống như hi u suất c a chu trình Carnot, t c là hi u suất lý thuyết cực

dụng trong các lĩnh vực như: máy làm lạnh, động cơ phát đi n, động cơ tàu th y, động cơ ô tô, động cơ máy bay, sử dụng trên các v tinh trong không gian

1.2 Tình hình nghiên c u hi n nay

Hi n nay vi c nghiên c u động cơ Stirling được duy trì và phát triển mạnh mẽ trong và ngoài nước Có nhiều công trình nổi tiếng được công bố rộng rưi Dưới đây là một số công trình nghiên c u đư được công bố:

1.2.1 Các công trình nghiên c u trong n c

 Đ tƠi:Nghiên c u động cơ Stirling dùng năng lượng mặt tr i

Tác giả: Hoàng Dương Hùng,Phan Quý Trà, Đại học Bách khoa Đà Nẵng [1] Tóm tắt:

Đề tài nghiên c u ng dụng là động cơ Stirling dùng năng lượng mặt tr i, nhóm nghiên c u tính toán thiết kế hoàn thi n sản phẩm bơm nước ng dụng động

cơ Stirling dùng năng lượng mặt tr i Bơm nước sử dụng năng lượng mặt tr i này

có thể sử dụng hi u quả trong các trư ng hợp như bơm nước từ bể lên bồn ch a hoặc dùng bơm nước từ ao hồ, sông ngòi dùng cho tưới tiêu cho các nông trư ng

 Đ tƠi: ng dụng động cơ Stirling trong các thiết bị làm lạnh

Tác giả: Trần Quang Thạch, luận văn Thạc sĩ, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh, β01β [2]

Tóm tắt:

Đề tài đư nghiên c u ng dụng động cơ Stirling cho các thiết bị làm lạnh như điều hòa t lạnh, giảm ô nhi m do chất độc hại ảnh hư ng môi trư ng trong thiết bị làm lạnh gây ra Đề tài đư tính toán thiết kế động cơ phù hợp với yêu cầu đặt ra cùng với đó là đề xuất cải tiến h thống tương ng Cùng với thực nghi m đề tài đã rút ra nhiều kết quả khả thi để phát triển trong tương lai

1.2.2 Các công trình nghiên c u n c ngoƠi

 Đ tƠi:Manufacturing and Testing of a V-Type Stirling Engine (Sản xuất và kiểm nghi m động cơ Stirling dạng chữ V) [6]

Tác giả:Halit Karabulut, Phòng Sư phạm Cơ khí, Đại học Gazi, Thổ Nhĩ Kì H¨useyin Serdar Yucesu, Atilla Koca, Phòng Sư phạm Cơ khí, Đại học Zonguldak Karaelmas, Thổ Nhĩ Kì

Tóm tắt:

Nhóm nghiên c u đư chế tạo và kiểm nghi m động cơ Stirling chữ V loại nạp khí, dung tích quét β60 cc Tốc độ, momen c a động cơ được kiểm nghi m với giá trị nhi t độ và áp suất nạp khác nhau trong phạm vi nhi t độ từ 600 đến 1000 độ C

và 1 đến 4 bar Từ những thông số thực nghi m đó, nhóm nghiên c u xác định được khả năng, tình trạng làm vi c c a động cơ luôn ổn định Cũng qua đó nhóm đư khắc phục một phần sự rò rỉ khí khi động cơ làm vi c với đề xuất nạp khí ngay tại vùng công tác c a động cơ chế độ làm vi c.Từ đó sẽ dần hoàn thi n động cơ để có thể hoạt động với dải nhi t độ cao hơn.Piston gang hợp kim không cần xéc măng đư được sử dụng thành công

 Đ tƠi: Design studies of mobile applications with SOFC–heat engine

modules (Thiết kế mô hình các ng dụng cơ động với mô đun kết hợp pin SOFC và động cơ nhi t) [7]

Tác giả: Wolfgang Winkler, Hagen Lorenz, Khoa Cơ khí, Đại học Khoa học

ng dụng Harmburg, CHLB Đ c

Tóm tắt:

Đề tài đư kết hợp pin nhiên li u thể rắn (SOFC) và động cơ Stirling cùng với 1

Turbine nh để tạo thành một h thống động lực đẩy xe chạy.Nguồn công suất này bao gồm 1 phần tử tạo công từ SOFC-HE (Solid Oxide Fuel Cell – Heat Engine), bộ lưu đi n, mạch quản lý công suất và motor đi n tại 4 bánh xe Đề tài đư tính toán tối

ưu hóa h thống để đạt giá trị tốt nhất.Với vi c sử dụng β nguồn năng lượng này cùng với kết quả kiểm nghi m khi sử dụng với hi u suất cao, nhóm đư đề xuất sẽ áp dụng như phần bổ sung thêm 1 nguồn năng lượng mới sạch hơn, hi u quả hơn cho ô

tô thay thế dần động cơ đốt trong hi n tại

 Đ tƠi: Design Automotive StirlingEngine Mod II (thiết kế động cơ Stirling Mod II trên ô tô) [8]

Tác giả: Noel P Nightingale, Trung tâm Nghiên c u Kĩ thuật Cơ khí,NY,Mĩ Tóm tắt:

Đề tài đư nghiên c u thiết kế, chế tạo động cơ Stirling ng dụng cho xe ô tô thay thế động cơ đốt trong truyền thống Qua đó thu được kết quả tốt với tiềm năng

về tiết ki m nhiên li u và đạt hi u suất kĩ thuật theo yêu cầu chung đối với động cơ Stirling Dự án đư thực hi n trong 9 năm và cho ra nhiều mẫu động cơ tương ng với các mẫu xe cùng với các kết quả thực nghi m tốt.Và đề tài nghiên c u đư cho ra phiên bản cuối cải tiến là động cơ Stirling MOD II, động cơ này đư xóa b những tranh luận về vi c động cơ Stirling có khối lượng lớn, nặng nề, không thực tế, đắt tiền, hi u năng thấp

Động cơ cải tiến này đư được trang bị trên xe Chevrolet Celebrity 1985 c a hãng GM (General Motor) và đư đạt được tính kinh tế về nhiên li u với giá trị là 17,5 km/lít với nhi n li u kết hợp xăng không chì.Ngoài ra hi u suất c a động cơ đạt được trên 50% cao hơn so với động cơ đốt trong gắn trên cũng loại xe Động cơ Mod II Stirling là động cơ chữ V 4 xylanh được gắn trên 1 trục khuỷu Động cơ được trang bị đầy đ các thành phần điều khiển và thiết bị để hoạt động như động

cơ ô tô bình thư ng

 Đ tƠi: Automotive Stirling Engine Development Project (Dự án phát triển

động cơ Stirling trên ô tô) [9]

Tác giả: W'dliam D Ernst, Richard K Shaltens, Trung tâm Nghiên c u Kĩ thuật Cơ khí,NY, Mĩ

Tóm tắt:

Đề tài này tập trung vào phát triển và kiểm nghi m các thành phần c a động

cơ Stirling trên ô tô và kĩ thuật c a h thống đư được thực hi n trước đó là β phiên bản Mod I và Mod II.Từ β phiên bản này qua các thí nghi m trên thực tế cũng như

mô hình hóa, nhóm nghiên c u đư đề xuất trang bị phiên bản Mod II cho ô tô.Điều này có được sau khi thử nghi m Mod II trên ô tô với hơn β1000 gi thử bao gồm cả

4800 gi thử trên đư ng thực tế với quưng đư ng thực hi n là 59000 dặm.Qua đó

ch ng minh được Mod II hoạt động hi u quả đúng với mục tiêu đặt ra c a nhóm

nghiên c u với công suất đạt được là 68 kW, hi u suất cao Vì vậy loại động cơ này

đư được đề xuất trang bị trên ô tô và nó được sản xuất theo dự án ASE c a chương trình kiểm định và đánh giá công nghi p (ITEP), dự án khai thác kĩ thuật c a NASA (TU)

 Đ tài: Advanced 35W free-piston StirlingEngine for space power applications

(Động cơ Stirling piston tự do γ5W cho ng dụng không gian) [10]

Tác giả: J.Gary Wood and Neill Lane, tập đoàn công nghi p Sunpower,

 Đ tƠi: Performance Analysis of a Stirling Engine Fuelled by Diesel and

Ethanol and Transition to Bio-oil (Phân tích hi u năng c a động cơ Stirling được cung cấp nhiên li u Diesel và Ethanol và tiến tới dùng dầu sinh học) [11]

Tác giả: Charles Habbaky, Adrian Boangiu, Luận văn Thạc sĩ Khoa học ng dụng, Đại học Toronto, Canada

Dữ li u thu thập được qua quá trình kiểm nghi m c a nhóm cho thấy được

vi c giảm khí thải độc hại, giảm tiêu hao nhiên li u, tỉ l không khí nhiên li u.Quá

trình kiểm tra ion hóa ngọn lửa (Flame ionization detector FID) đư được thực hi n

và cho thấy tồn tại mộtlượng hydrocarbon chưa cháy hết.Quá trình phân tích hi u

suất cũng đư được thực hi n để so sánh giữa sự đốt nóng bằng nhi t và đi n cung cấp từ nguồn năng lượng bên ngoài Quá trình đo đạc và các vấn đề cũng đư được xác định và động cơ có thể chạy ổn định với module nhiên li u nói trên Quá trình cháy bên ngoài cũng đư được thiết kế cho vi c dùng dầu sinh học trên động cơ Stirling với cũng thuộc tính buồng cháy như trên

1.3 M c đích nghiên c u

Thông qua đề tài nghiên c u về động cơ Stirling giúp hiểu rõ hơn về cơ s lý thuyết, lịch sử, cấu tạo cũng như hoạt động c a các loại động cơ Stirling nói riêng, động cơ nhi t nói chung Qua đó, có thể chế tạo động cơ Stirling mẫu sử dụng nhi t thải làm mô hình học tập và nghiên c u

Bên cạnh đó, vi c nghiên c u động cơ Stirling sử dụng nhi t thải cũng nhằm góp phần tạo nền tảng cơ bản và làm tiền đề cho vi c phát triển và ng dụng động

cơ Stirling rộng rưi hơn trong nước, đặc bi t là trong kĩ thuật ngành cơ khí động lực

1.4 Nhi m v vƠ gi i h n đ tƠi

Nhi m vụ nghiên c u c a đề tài là tìm hiểu về cơ s lý thuyết, cấu tạo, phân loại và nguyên lý hoạt động c a động cơ Stirling, từ đó tính toán chu trình nhi t c a loại động cơ này Thông qua các nghiên c u trên cơ s lý thuyết sẽ tiến hành nghiên

c u và chế tạo một động cơ Stirling sử dụng nhi t thải

Trình bày được các lý thuyết cơ s và kiến th c liên quan đến lĩnh vực nghiên

c u

Tính toán và thiết kế được một động cơ Stirling sử dụng nhi t thải

Thử nghi m động cơ Stirling trên thực tế và so sánh đánh giá kết quả thử nghi m

Tuy nhiên, mặt hạn chế c a đề tài là chỉ thực hi n đối với một loại động cơ Stirling cụ thể mà chưa nghiên c u được các loại động cơ Stirling khác nhau

Hướng phát triển c a đề tài là sẽ tiếp tục cập nhật thêm các nghiên c u mới,

m rộng phạm vi ng dụng c a đề tài Trong quá trình nghiên c u, chế tạo thêm nhiều loại động cơ Stirling khác với những mục đích sử dụng và khả năng thích ng khác nhau

1.5 Đ i t ng nghiên c u

Cơ s lý thuyết c a động cơ Stirling

Cấu tạo và phân loại động cơ Stirling

Nguyên lý hoạt động và tính toán chu trình c a động cơ Stirling

Nghiên c u và chế tạo động cơ Stirling sử dụng nhi t thải

Nghiên c u động cơ Stirling đư được nhiều tổ ch c trong và ngoài nước thực

hi n, tuy nhiên vi c nghiên c u và chế tạo động cơ này nước ta ít được chú trọng Đặc bi t là nghiên c u và chế tạo động cơ Stirling sử dụng nhi t thải

Đề tài dựa trên nền tảng các kiến th c, nghiên c u đư có về động cơ Stirling,

từ đó nghiên c u và phát triển động cơ Stirling sử dụng nhi t thải ng dụng trên ô

tô, giúp tận dụng nguồn nhi t thải mà không gây bất kỳ ảnh hư ng gì đến hoạt động

c a động cơ cũng như các h thống khác Đó là những điểm mới mà em nhận thấy

đề tài này mang lại, vì vậy em quyết định chọn đề tài “ Nghiên c u động cơ Stirling

sử dụng nhiệt thải” làm đề tài nghiên c u cho mình

Ch ng 2

C S Lụ THUY T

2.1 Gi i thi u v đ ng c Stirling

2.1.1 Khái ni m vƠ l ch s phát tri n c a đ ng c Stirling

Các loại động cơ nhi t phổ biến hi n nay không được cung cấp nhi t năng từ bên ngoài một cách trực tiếp mà được cung cấp nhiên li u, sau đó nhiên li u được đốt cháy để tạo ra nhi t năng Căn c vào vị trí đốt nhiên li u, ngư i ta chia động cơ nhi t thành hai nhóm: động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài

Động cơ Stirling là một loại động cơ nhi t thuộc nhóm động cơ đốt ngoài có piston Môi chất công tác c a động cơ Stirling (thư ng là không khí, hydrogen hay helium) chỉ di chuyển trong một không gian đư được làm kín và có thành phần không thay đổi trong tất cả những giai đoạn khác nhau c a chu trình công tác Khi môi chất công tác được một nguồn nhi t từ bên ngoài (có thể là đốt cháy nhiên li u, địa nhi t, năng lượng mặt tr i ) đốt nóng thì nó sẽ giưn n và đẩy piston đi xuống

để sinh công cơ học Sau đó nó được làm mát và được một piston khác đẩy tr lại không gian nén để thực hi n chu trình làm vi c tiếp theo Còn động cơ đốt trong, những giai đoạn khác nhau c a chu trình công tác, môi chất công tác có thành phần, trạng thái khác nhau và được gọi bằng những tên khác nhau như khí mới, sản phẩm cháy, khí thải, khí sót, hỗn hợp cháy, hỗn hợp khí công tác

Động cơ Stirling được phát minh vào năm 1816 do ông Robert Stirling- một mục sư ngư i Scotland sáng tạo ra Phát minh này nhằm tạo ra một sự lựa chọn an toàn hơn động cơ hơi nước đang phổ biến lúc bấy gi Nồi hơi c a động cơ hơi nước thư ng xảy ra hi n tượng nổ do áp suất cao c a hơi nước và nhiên li u không thích hợp

Hình 2.1: Robert Stirling - ngư i phát minh ra động cơ Stirling [17]

Thực ra, những ý tư ng phát minh ra một loại động cơ mới thay thế cho động

cơ hơi nước đư xuất hi n từ đầu những năm 1699 khi những điều luật đầu tiên về khí thải ra đ i Năm 1807 nhà phát minh ngư i Anh George Cayley đã phát minh ra động cơ khí nóng Nhưng mô hình động cơ Stirling c a Robert Stirling đưa ra năm

1816 là được chú ý hơn cả và được xem là đáng giá nhất Nó cũng là một loại động

cơ nhi t thuộc nhóm động cơ đốt ngoài như động cơ hơi nước nhưng nguyên lý sinh công c a nó lại khác hẳn Nó sử dụng một nguồn nóng để nung nóng môi chất công tác bên trong xy lanh làm cho nó giưn n và sinh công, sau đó lại dùng một nguồn lạnh để giải nhi t cho môi chất công tác trước khi đẩy nó tr lại về phíađầu nóng

Hình 2.2: Mô hình động cơ c a Robert Stirling sáng chế (1816) [17]

Th i kỳ phát triển mạnh nhất c a động cơ Stirling là vào năm 1850 khi J Ericsson - một kỹ sư ngư i Thụy Điển đư nghiên c u và chế tạo ra những động cơ Stirling thực tế có công suất 0,5 đến 5 HP Riêng trong năm đó họ đư bán được khoảng β000 chiếc Anh và Mỹ Những năm sau đó động cơ Stirling tiếp tục được nghiên c u chế tạo nhằm hoàn thi n về kết cấu cũng như nâng cao công suất và

hi u suất Tuy nhiên, sau khi xuất hi n động cơ xăng (1878) và động cơ Diesel (189γ), động cơ Stirling đư được sản xuất ít dần và gần như bị lưng quên trong một

th i gian dài trong suốt nửa đầu thế kỷ XX

Vào những năm cuối c a thập niên 40 c a thế kỷ XX, động cơ Stirling lại xuất

hi n khá phổ biến dưới dạng tổ hợp máy phát đi n xách tay do công ty Philips Electronics c a Hà Lan chế tạo Cũng trong khoảng th i gian này, động cơ Stirling còn được nghiên c u thử nghi m như một loại máy lạnh

Hình 2.3: Tổ hợp động cơ Stirling - Máy phát đi n c a công ty Philips [21] Trong hai lĩnh vực này động cơ Stirling đư đạt được những thành quả nhất định Tuy nhiên, chỉ một th i gian ngắn sau đó, khi có sự xuất hi n c a ắc qui thì một lần nữa động cơ Stirling dưới dạng máy phát đi n cỡ nh lại bị loại b dần như ng chỗ cho ắc qui, nguồn cung cấp đi n năng ti n dụng hơn nhiều

Mặc dù vậy, động cơ Stirling vẫn được nghiên c u cải tiến b i tính chất nổi bật c a loại động cơ này là: nếu chu trình nhi t động học được thực ti n hoá thì hi u suất nhi t c a động cơ Stirling sẽ tương đương với hi u suất nhi t c a chu trình

Carnot, t c là hi u suất nhi t sẽ cao hơn hi u suất c a bất kỳ động cơ nhi t nào đư được sáng chế

Năm 19γ8 công ty N V Philips Glaxilampen Fabrieken c a Hà Lan đư bắt đầu nghiên c u chế tạo và sản xuất động cơ Stirling cung cấp cho thị trư ng Và cùng với công ty Philips, rất nhiều nhà khoa học đư tr lại nghiên c u động cơ Stirling Đối với động cơ Stirling, hi u suất 40%, và công suất 8β kw trên 1 lít thể tích quét là hoàn toàn có thể đạt được Và với những công trình nghiên c u đang được tiến hành thì những con số ý nghĩa này còn có thể nâng cao hơn nữa

Những nghiên c u phát triển ng dụng động cơ Stirling trên phương di n vận chuyển cũng đư được các nhà sản xuất ô tô quan tâm từ giữa thế kỷ XX Mặt khác,

do có thể biến đổi trực tiếp năng lượng mặt tr i thành cơ năng nên động cơ Stirling được quan tâm nghiên c u ng dụng trên các con tàu không gian từ năm1995 Ngày nay, nghiên c u động cơ Stirling để sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh cũng đang được đẩy mạnh Những năm gần đây, các nước Mỹ, Nhật, châu Âu, động cơ Stirling đang được nghiên c u để trang bị cho tàu vũ trụ, phi thuyền sửdụng năng lượng mặt tr i, tàu ngầm, các thiết bị làm lạnh

Hình 2.4: Một số thiết bị sử dụng động cơ Stirling (a) H thống năng lượng mặt

tr i, (b) Bơm nhi t, (c) Thiết bị làm lạnh, (d) Tàu ngầm

Mới đây, tại Vi t Nam chúng ta, trư ng Đại học Bách khoa Đà Nẵng đư chế tạo thành công bơm nước sử dụng năng lượng mặt tr i, hoạt động theo nguyên tắc động cơ Stirling với các thông số kỹ thuật:

 Công suất trung bình: 5mγ/ngày

 Áp suất hút tối đa: 5m H2O

 Áp suất đẩy tối đa: 10m H2O

Hình 2.5: Bơm nước sử dụng năng lượng mặt tr ic a trư ng Đại học Đà Nẵng [1] Như vậy chúng ta hoàn toàn có thể tin tư ng rằng trong một tương lai không

xa nữa động cơ Stirling có thể sẽ tr lại và tr thành một trong những nguồn động lực phổ biến

2.1.2 Phơn lo i đ ng c Stirling

Động cơ Stirling có thể được phân loại theo những tiêu chí khác nhau (bảng2.1) Nếu căn c vào đặc điểm cấu tạo, có thể chia động cơ Stirling thành các loại sau:động cơ Stirling kiểu alpha (α), động cơ Stirling kiểu Beta ( ) và động cơ Stirling kiểuGamma ( )

B ng 2.1:Phân loại tổng quát động cơ Stirling

Môi chất công tác

- Động cơ Stirling với môi chất công tác là không khí

- Động cơ Stirling với môi chất công tác là hydrogen

- Động cơ Stirling với môi chất công tác là helium

Nguồn nhi t

- Động cơ Stirling sử dụng nhiên li u làm nguồn nhi t

- Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt tr i

- Động cơ Stirling sử dụng nguồn địa nhi t

Đặc điểm cấu tạo

- Động cơ Stirling kiểu alpha

- Động cơ Stirling kiểu Beta

- Động cơ Stirling kiểu Gamma

- Động cơ Stirling một xy lanh

- Động cơ Stirling nhiều xy lanh

Công dụng - Tổ hợp máy phát đi n Sirling

- Máy lạnh Stirling

2.1.3 Đặc đi m c u t o c a đ ng c Stirling

Tuy có hình dáng bên ngoài, kích thước và cách bố trí rất khác nhau, nhưngtất

cả động cơ Stirling đều được cấu thành từ các bộ phận cơ bản với ch c năng như sau:

Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling

 Bộ cấp nhi t - bộ phận có ch c năng cấp nhi t cho môi chất công tác Môi chất công tác thư ng dùng cho động cơ Stirling là không khí, hydrogen hoặc helium Nguồn nhi t cho động cơ Stirling có thể là từ xăng dầu, than c i, năng lượng mặt tr i, v.v

 Bộ hồi nhi t - bộ phận có ch c năng thu nhận nhi t c a môi chất công tác khi

nó đi từ không gian giưn n có nhi t độ cao sang không gian nén có nhi t độ thấp hơn và truyền lại phần nhi t đư thu nhận cho môi chất công tác khi môi chất công tác đi ngược tr lại Có thể xem bộ hồi nhi t như một thiết bị tận dụng năng lượng Động cơ Stirling vẫn có thể hoạt động khi không có bộ hồi nhi t nhưng khi đó hi u suất c a động cơ sẽ thấp hơn

 Bộ làm mát - là nơi môi chất công tác thải nhi t ra môi trư ng bên ngoài Đối với động cơ Stirling, môi chất công tác có thể được làm mát bằng không khí hoặc nước

 Piston giưn n và piston nén: piston giưn n là bộ phận tiếp nhận áp lực c a môi chất công tác khi giưn n để sinh công cơ học Piston nén là bộ phận có ch c năng nén và đẩy môi chất công tác từ không gian nén qua các bộ trao đổi nhi t về không gian giưn n Hai piston giưn n và nén được đặt l ch pha nhau một góc nào

đó thư ng là 900

 Xylanh giưn n và xylanh nén: xylanh giưn n là bộ phận dẫn hướng piston giưn n và cùng với piston giưn n tạo ra không gian giưn n Xylanh nén là bộ phận dẫn hướng piston nén và cùng với piston nén tạo ra không gian nén

 Không gian giưn n : không gian nằm giữa piston giưn n và bộ cấp nhi t Tại không gian giưn n , môi chất công tác có nhi t độ và áp suất cao sẽ giưn n đồng th i đẩy piston giưn n từ điểm chết trên đến điểm chết dưới để sinh công

 Không gian nén: là nơi môi chất công tác được làm mát sau khi được đẩy từkhông gian giưn n qua, sau đó được nén và đẩy tr lại không gian giưn n

 Cơ cấu truyền lực: bao gồm các bộ phận có ch c năng tiếp nhận lực đẩy c a môi chất công tác và truyền lực đó đến các bộ phận tiêu thụ đồng th i phối hợp chuyển động c a các piston Cơ cấu truyền lực c a động cơ Stirling có thể cấu tạo

kiểu thanh truyền trục khuỷu tương tự như động cơ đốt trong thông dụng hoặc có thể có các cấu trúc đặc bi t khác, chẳng hạn như cơ cấu Ross - Yoke (hình 2.7.a), hay cơ cấu Ross - Rocker (hình 2.7.b)

Hình 2.7: Động cơ Stirling kiểu alpha với cơ cấu Ross - Yoke (a) và cơ cấu Ross Rocker (b); (1- Không gian giưn n , β - Piston giưn n , γ, 4 - Môi chất công tác,5 -

Không gian nén, 6 - Piston nén) [20]

2.1.4 Nguyên lý ho t đ ngc b n c a đ ng c Stirling

Xét một xylanh được làm kín một đầu và đầu còn lại được bịt kín bằng một piston (xem hình 2.8) và một ít không khí ch a bên trong Piston chuyển động qua lại tự do nhưng hầu như kín để không khí bên trong không thoát được ra bên ngoài Giả sử, lúc ban đầu toàn bộ thiết bị có nhi t độ bằng nhi t độ đầu lạnh và bằng nhi t độmôi trư ng Lúc này không khí bên trong có áp suất bằng áp suất khí quyển Với điều ki n đó piston sẽ đ ng yên vị trí ban đầu

Hình 2.8: Khi chưa cấp nhi t Nếu ta đốt nóng một đầu xylanh (đầu nóng), nguồn nhi t được sử dụng có thể

là chùm tia b c xạ mặt tr i hội tụ tại đầu xylanh hoặc một cách đơn giản là dùng một ngọn nến Khi đó áp suất và nhi t độ c a không khí bên trong sẽ tăng lên, giãn

n đẩy piston chuyển động và sinh công hữu ích Bất kỳ nguồn nhi t nào cũng có khả năng sinh công, nhưng nhi t độ càng cao thì sinh ra công càng lớn Động cơ không thể chuyển nhi t thành công một lần rồi ngừng như trên mà phải cókhả năng sinh công liên tục

Hình 2.9: Cấp nhi t cho một đầu c a xy lanh Quá trình sinh công vẫn tiếp di n nếu còn quá trình giưn n c a không khí bên trong xylanh Tuy nhiên, piston chuyển động ra ngoài quá xa nó sẽ vượt ra ngoài xylanh, quá trình sinh công kết thúc Do vậy quá trình sinh công phải kết thúc trước khi điều đó xảy ra

Nếu khi piston chuyển động đến đầu bên phải c a xy lanh ta ngừng quá trình cấp nhi t và tăng quá trình thải nhi t bằng cách tăng cư ng làm mát cho xy lanh thì

áp suất và nhi t độ không khí bên trong xy lanh giảm xuống Đến một lúc nào đó áp suất không khí bên trong thấp hơn áp suất khí quyển thì piston sẽ chuyển động ngược lại và tr lại vị trí ban đầu, chuẩn bị cho chu trình tiếp theo Trên thực tế thì piston chuyển động quay lại là nh vào lực quán tính c a bánh đà làm cho trục khuỷu quay vòng tròn, từ đó thanh truyền sẽ đẩy piston chuyển động tr lại

Hình 2.10: Không khí có áp suất cao đẩy piston đi ra

Hình 2.11: Khi áp suất bên trong xy lanhcân bằngvới áp suất khí quyển thì quá

trình sinh công kết thúc

Hình 2.12: Ngừng cấp nhi t, tăng cư ng làm mát Nhi t độ và áp suất bên trong xy

lanh giảm xuống

Hình 2.13: Piston chuyển động vào bên trong do áp suất không khí bên

ngoài cao hơn

Vấn đề đặt ra đối với động cơ Stirling là làm thế nào để chúng hoạt động một cách tự động, t c là xylanh nhận, thải nhi t và liên h chặt chẽ với sự chuyển động

c a piston (hình β.14 trình bày nguyên lý hoạt động tự động c a động cơ Stirling)

Hình 2.14: Nguyên lý hoạt động tự động c a động cơ Stirling

1- Xy lanh, 2- Piston, 3- Thanh truyền, 4- Bánh đà,5- Puli,

6- Dây cáp, 7- Giá, 8- Lò xo, 9- Nguồn nhi t

2.1.5 C u t o vƠ ho t đ ng c a các lo i đ ng c Stirling

Tương tự như động cơ xăng và động cơ diesel thông dụng, động cơ Stirling hoạt động theo kiểu chu kỳ, t c là có các chu trình công tác nối tiếp nhau Mỗi chu trình công tác là một giai đoạn làm vi c tương ng với một lần sinh công, nó bao gồm các quá trình: quá trình nén, quá trình cấp nhi t, quá trình giưn n sinh công và quá trình làm mát Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn cấu tạo và nguyên lý hoạt động c a từng loại động cơ Stirling

2.1.5.1 Đ ng c Stirling ki u hai piston (ki u alpha)

Các động cơ Stirling kiểu alpha có hai piston đặt trong hai xy lanh riêng bi t

và được nối kết với nhau bằng một chuỗi các bộ phận trao đổi nhi t gồm bộ phận cấp nhi t (heater), bộ phận hồi nhi t (regenerator), và bộ phận làm mát (cooler) Hai piston này được bố trí l ch nhau một góc 90 độ Có một không gian có nhi t độ cao gọi là không gian giưn n hay buồng giưn n (expansion space) và một không gian

có nhi t độ thấp gọi là không gian nén hay buồng nén (compression space) Như vậy hai piston làm cho môi chất công tác di chuyển qua lại giữa hai không gian này

và cùng sinh công như nhau

Hình 2.15: Mô hình cấu trúc c a động cơ Stirling kiểu alpha [20]

Động cơ Stirling kiểu alpha được xem là cấu hình động cơ Stirling đơn giản nhất, tuy nhiên nó mắc phải nhược điểm là cả hai piston đều phải được làm kín để chất khí không bị rò rỉ ra bên ngoài

Tương tự như động cơ đốt trong, động cơ Stirling cũng có thể được liên kếtlại thành động cơ Stirling nhiều xy lanh để cho công suất lớn hơn Trong trư ng hợp này, không gian giưn n c a một xy lanh được nối với không gian nén c a một

xy lanh kế tiếp theo c a một chuỗi kết nối: xy lanh bộ cấp nhi t, bộ hồi nhi t và bộ làm mát giống như hình 2.16

Hình 2.16: Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu alpha nhiều xy lanh

Hình 2.17:Động cơ Stirling STM 4 - 1β0 c a hưng STM Power

Trên hình 2.17 là hình vẽ thể hi n kết cấu c a động cơ Stirling kiểu Alpha với

ký hi u STM 4-1β0 c a hưng STM Power Động cơ này có bốn xy lanh các piston được dẫn động bằng cơ cấu cam

 Ho t đ ng:

 Quá trình nén: trong quá trình nén, cả piston giưn n và piston nén đều đi lên, môi chất công tác được nén lại trong không gian giữa hai đỉnh c a hai piston Trong quá trình nén, môi chất công tác trong không gian nén được làm mát để duy trì nhi t độ không đổi Tmin Quá trình nén kết thúc khi piston giưn n đến điểm chết trên

 Quá trình cấp nhiệt: trong mỗi chu trình công tác, môi chất công tác lưu

thông một lần từ không gian giưn n sang không gian nén và một lần ngược tr lại Trên đư ng lưu thông từ không gian nén sang không gian giưn n , môi chất công tác được sấy nóng đến nhi t độ TR trong bộ hồi nhi t rồi sau đó được đốt nóng đến nhi t độ Tmax và áp suất pmax trong bộ cấp nhi t rồi đi vào không gian giưn n Quá trình cấp nhi t kết thúc khi piston nén tới điểm chết trên Trong quá trình cấp nhi t, piston giưn n đi xuống còn piston nén đi lên thể tích c a môi chất công tác là

không đổi (cấp nhi t đẳng tích)

Hình 2.18: Chu trình hoạt động c a động cơ Stirling kiểu Alpha

 Quá trình sinh công:với nhi t độ Tmax và áp suất pmax, môi chất công tác trong không gian giưn n sẽ đẩy piston giưn n chuyển động về phía điểm chết dưới

và sinh công cơ học Quá trình giưn n kết thúc khi piston giưn n tới điểm chết dưới

 Quá trình làm mát: sau khi giưn n để sinh công, môi chất công tác được piston giưn n đẩy từ không gian giưn n sang không gian nén Trên đư ng đi qua các bộ trao đổi nhi t, một phần nhi t c a môi chất công tác được thu hồi khi đi qua

bộ hồi nhi t Trong quá trình nhả nhi t, piston giưn n đi lên và piston nén đi xuống nên thể tích c a môi chất công tác là không đổi

2.1.5.2 Đ ng c Stirling ki u piston ph

Với động cơ Stirling kiểu piston phụ, môi chất công tác chuyển động qua lại giữa vùng có nhi t độ cao và vùng có nhi t độ thấp chỉ b i một piston (piston phụ) Piston lực đảm nhi m vi c chuyển áp lực c a môi chất công tác thành công cơ học truyền ra bên ngoài Động cơ Stirling kiểu Beta và Gamma đều thuộc động cơ Stirling kiểu piston phụ

a) Đ ng c Stirling ki u Beta

Hình 2.19: Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu Beta [20]

Không giống với động cơ kiểu alpha, động cơ Stirling kiểu Beta có một piston lực và một piston phụ mà nhi m vụ c a nó là đẩy môi chất công tác từ không gian nén sang không gian giưn n và ngược lại

Do sự trùng lặp hành trình c a hai piston nên tỉ số nén c a động cơ được tăng lên và có thể đạt được công suất cao hơn động cơ Stirling kiểu Gamma Tuy nhiên,

trục c a piston lực và trục c a piston phụ cùng một đư ng tâm do đó cơ cấu truyền động tr nên ph c tạp

 Ho t đ ng:

Cả piston lực và piston phụ cùng được đặt trong một xy lanh Piston phụ chỉ có nhi m vụ đẩy môi chất công tác từ không gian nén sang không gian giưn n Các bộ phận khác có ch c năng tương tự như động cơ Stirling kiểu alpha Nguyên lý làm

vi c c a động cơ Stirling kiểu Beta như sau:

 Quá trình nén: quá trình bắt đầu từ khi piston phụ đi từ điểm chết trên về phía điểm chết dưới, lúc này piston lực đi từ điểm giữa hành trình lên điểm chết trên Môi chất công tác được nén lại và tiếp tục được làm mát để duy trì nhi tđộ khôngđổi.Quátrìnhnénkết thúckhi pistonlựcđilên đếnđiểmchếttrên

 Quátrìnhc ấpnhiệt:môichấtcôngtáctừkhônggiannénđượcpistonphụ

đẩysangkhônggiangiãnn Khiđiquabộhồinhi t,môichấtcôngtác đượcsấynóngđếnnhi tđộTR,rồisauđóđượcđốtnóngđến nhi tđộTmax vàáp suấtpmax trong bộcấpnhi trồiđivàokhônggiangiãnn Quátrìnhcấpnhi tkết thúckhipistonphụxuốngtớiđiểmchếtdưới.Docảhaipistoncùngđixuốngnên thể tíchc amôichấtcôngtác trongquátrìnhcấpnhi tlàkhôngđổi

 Quá trình giãnn ởvàsinhcông:vớinhi tđộvàápsuấtcaotrongkhông

giangiãnn ,môichấtcôngtácgi ãnn đẩypistonlựcđixuống và sinhcôngcơ học.Quátrìnhgiưn n kết thúckhi pistonlực xuốngtớiđiểmchếtdưới

Hình 2.20: Chu trình cấp nhi t động cơ Stirling kiểu Beta

b) Đ ng c Stirling ki u Gamma

Cũng giống như động cơ Stirling kiểu Beta, các động cơ Stirling kiểuGamma có một piston phụ và một piston lực Tuy nhiên, chúng được đặt trong cácxylanh khác nhau Điều này cho phép một sự cách bi t hoàn toàn giữa các bộ phận trao đổi nhi t, xylanh c a piston phụ, không gian nén với piston lực Như thế, chúng có phần thể tích chết (thể tích ma piston không quét tới) lớn hơn so với cả hai loại Beta và alpha Vì vậy, vi c điều chỉnh tỉ số nén và di n tích trao đổi nhi t tương đối d dàng

Hình 2.21: Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu Gamma [20]

 Ho t đ ng:

Động cơ Stirling kiểu Gamma thuộc nhóm động cơ Stirling kiểu piston phụ và

có cấu tạo tương tự như động cơ Stirling kiểu Beta, nhưng piston lực và piston phụ được đặt trong hai xy lanh riêng bi t Tương tự như động cơ Stirling kiểu Beta, piston phụ chỉ có nhi m vụ đẩy môi chất công tác từ không gian nén sang không gian giưn n Piston lực có nhi m vụ tiếp nhận lực giưn n c a môi chất công tác và truyền ra dưới dạng công cơ học Các quá trình làm vi c c a động cơ Stirling kiểu Gamma được thể hi n trên hình β.ββ và hình 2.23

 Quátrìnhnén-pistonphụđixuốngtừđiểmchếttrênvàpistonlựcđilên,

môichấtcôngtácđượcnénlạivàtiếptụcđượclàmmátđểduytrìnhi tđộkhông đổi Tmim (Hình 2.22.a) Quá trình nén kết thúc khi piston lực lên đến điểm chết trên

Hình 2.22:Quátrìnhnén(a) vàquá trìnhcấpnhi t(b)

 Quátrìnhc ấpnhiệt: pistonphụtiếptụcđixuốngvàđẩytoànbộmôichất côngtáctrongkhônggiannénsangkhônggiangiãnn điquacácbộtraođổinhi t (hình 2.22.b).Tạibộhồinhi t,môichấtcông tácđượcsấynóng vàtăngnhi tđộlên đếnTRvàtiếptụcđượcnungnónglênđếnnhi tđộTmax khiđingang quabộcấp nhi t giaiđoạnnàycảhaipistoncùngđixuốngdođóthểtích môichấtcôngtác khôngthayđổi.Giaiđoạncấpnhi tđẳngtíchkếtthúckhipistonphụđixuốngđến

điểmchếtdưới

 Quátrìnhgiãnn ởvàsinhcông:môichấtcôngtácsaukhiđượccấpnhi t

cónhi tđộvàápsuấtcao,giãnn đẩypistonlựcđixuống(hình 2.23.a).Quátrình giãn

n vàsinhcôngkết thúckhi pistonlực xuốngđếnđiểmchếtdưới

Hình 2.23: Quátrìnhgiưnn sinhcông(a) vàquátrìnhlàmmát(b)

 Quátrìnhlàmmát-pistonphụđilênvàđẩymôichấtcôngtáctừkhông

giangiãnn sangkhông giannén(hình 2.23.b).Khiđiquabộhồinhi tthìmộtphần nhi tc anóđãbịgiữlại,sauđónótiếptục được làmmátkhiđiquabộlàmmát Quátrìnhlàmmátkết thúckhi pistonphụlên đếnđiểmchếttrên

2.2 Chu trình nhi t đ ng h c c a đ ng c Stirling[12]

Ta hưy tư ng tượng một xi lanh ch a hai piston đối đỉnh nhau, với bộ hoàn nhi t (Regenerator) giữa Bộ hoàn nhi t là bộ phận lần lượt nhả và hấp thụ nhi t Một trong hai buồng giữa piston và bộ hoàn nhi t là buồng giưn n (Expansion space), buồng này luôn được duy trì nhi t độ cao (Tmax) Buồng còn lại là buồng nén (Compression space), luôn được duy trì nhi t độ thấp (Tmin) Do đó luôn có một gradient nhi t độ (Tmax- Tmin)qua bề mặt cắt ngang c a bộ hoàn nhi t

Cũng như trongchu trình Carnot, ngư i ta giả định là các piston di chuyển không có ma sát và không có sự rò rỉ môi chất công tác

Để bắt đầu chu trình, chúng ta giả định rằng piston nén đang điểm chết ngoài, và piston giưn n đang điểm chết trong, nằm sát với bộ hoàn nhi t Tất cả môi chất công tác lúc đó đang trong buồng nén, thể tích cực đại, cho nên áp suất

và nhi t độ có giá trị nh nhất, đặc trưng b i điểm 1 trên đồ thị p - V và T- S (hình 2.24 a, b)

Trong quá trình nén (quá trình 1- β), piston nén di chuyển về phía điểm chết trong và piston buồng giưn n được xem như đ ng yên Môi chất công tác bịnén lại trong buồng nén, và áp suất bắt đầu tăng lên Nhi t độ vẫn được duy trì không đổi

b i nhi t lượng Qcbị hút ra từ xylanh buồng nén ra môi trư ng không khí xung quanh

Trong quá trình chuyển tiếp β- γ, cả hai piston đều di chuyển đồng th i Piston nén đi về phía bộ hoàn nhi t, còn piston giưn n thì di chuyển ngược lại Thể tích giữa chúng vẫn duy trì nhi t độ không đổi Vì vậy môi chất công tác sẽ dịch chuyển từ buồng nén qua lớp kim loại xốp c a bộ hoàn nhi t đến buồng giưn n Trong khi đi ngang qua bộ hoàn nhi t, môi chất công tác được nungnóng từ nhi t độ Tmin b i lượng nhi t truyền từ bộ hoàn nhi t và thoát kh i nó để đi vào buồng giưn

n nhi t độ Tmax Sự gia tăng dần nhi t độ trong khi đi qua bộ hoàn nhi t thể tích không đổi làm gia tăng áp suất trong xylanh

Trong quá trình giưn n γ- 4, piston giưn n tiếp tục đi xa kh i bộ hoàn nhi t

về phía điểm chết ngoài Piston nén vẫn đ ng yên một chỗ tại điểm chếttrong sát với bộ hoàn nhi t Khi giưn n , áp suất trong xylanh giảm xuống và thể tích tăng

lên Nhi t độ vẫn giữ nguyên nh nhi t lượng Q1 bổ sung vào h thống từ nguồn nhi t bên ngoài

Quá trình cuối c a chu trình là quá trình dịch chuyển 4- 1 Trong đó cả haipiston đều đồng th i dịch chuyển, để đưa môi chất công tác thể tích không đổi

tr lại qua bộ hoàn nhi t và buồng giưn n đến buồng nén Trong khi đi qua bộ hoàn nhi t, nhi t được truyền từ môi chất công tác sang bộ hoàn nhi t Vì vậy môi chất công tác sẽ giảm nhi t độ xuống Tmin trong buồng nén Nhi t độc a quá trình được

ch a trong bộ hoàn nhi t dùng để truyền cho môi chất công tác trong quá trình β- 3

c a chu trình tiếp theo

b - Đồ thị Th i gian - Khoảng dịch chuyển [12]

 Tóm lại, chu trình nhi t động Stirling bao gồm 4 quá trình sau:

a Quá trình 1- β: Nén đẳng nhi t

Truyền nhi t từ môi chất công tác nhi t độ Tmin ra môi trư ng bên ngoài

b Quá trình 2 - γ: Nung nóng đẳng tích

Truyền nhi t từ bộ hoàn nhi t đến môi chất công tác

c Quá trình 3 - 4: Giưn n đẳng nhi t

Truyền nhi t cho môi chất công tác nhi t độ Tmax từ nguồn nhi t bên ngoài

d Quá trình 4 - 1: Làm lạnh đẳng tích

Truyền nhi t từ môi chất công tác đến bộ hoàn nhi t

Nếu lượng nhi t truyền trong quá trình β- γ, có cùng giá trị với lượng nhi t truyền trong quá trình 4- 1, thì sự truyền nhi t giữa động cơ và môi trư ng bên ngoài chỉ bao gồm lượng nhi t cung cấp nhi t độ Tmax và lượng nhi t thoát ra nhi t độ Tmin

2.2.2 Hi u su t nhi t lý thuy t c a chu trình Stirling

Sựcấp nhi t và thoát nhi t nhi t độ không đổi này c a động cơ Stirling th a mưn yêu cầu c a định luật nhi t động học th hai đối với hi u suất nhi t tối đa Vì vậy hi u suất nhi t c a chu trình Stirling cũng giống như chu trình Carnot, nghĩa là

hi u suất nhi t c a động cơ Stirling:=

max

min max