thiết kế động cơ stirling chạy bằng nguồn điện

Động cơ Stirling cung cấp công theo một chu trìnhtrong đó piston nén khí ỏ nhiệt độ thấp và cho khí giãn nỏ ỏ nhiệt độ cao.Động cơ này có thể dùng bất kỳ nguồn nhiệt nào, qúa trình cấp n

w íỉ/t /â/ nựÁ/êp &/i/ểỉ /kê đợềiự fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắtì/tạ ếỉỢỉuuỉ tĩĩệ/t

1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIEN ĐỘNG CƠ NHIỆT VÀ ĐỘNG

2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CHU TRÌNH NHIỆT

3 PHÂN LOẠI ĐỘNG cơ STIRLING 21

3.3.2 Động cơ piston - con trượt xylanh đơn vđi động cơ

w íỉ/t /â/ nựÁ/êp &/i/ểỉ /kê đợềiự fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắtì/tạ MỢỈUMỈ tĩĩệ/t

4.2 ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG số KHÁC NHAU ĐEN

uyên lý làm việc và chu trình nhiệt động học 50

íí/t /â/ nựÁ/êp

LỜI NÓI ĐẦU

Từ lâu nay, vấn đề năng lượng là một vấn đề quan tâm hàng đầu củamọi người Nguồn dầu mỏ trên thế giổi dù rất phong phú, nhũng sự khai khácdầu mỏ một cách ồ ạt như hiện nay đã làm cho nguồn dầu mỏ ngày càng cạnkiệt dần, do đó giá dầu sẽ tăng cao Hơn nữa, trong thòi đại ngày nay, khi màvấn đề môi trường đang là vấn đề toàn cầu, môi trưòng đang bị ô nhiễm nặng,

mà một trong những nguyên nhân chính đó là do khí thải của động cơ Nồng

dộ của những chất gây ô nhiễm trong khí xả động cơ như NOx, co, HC, bồhóng có xu hưdng gia tăng mạnh mẽ cùng với sự gia tăng nồng độ CO?,chất khí gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ bầu khí quyển, đã là đề tàibàn cãi ổ nhiều diễn đàn quốc té và khu vực

Tất cả những vấn đề dó, dời hỏi ngành động cơ phải có những giải phápthích hợp Động cơ đót trong ngày nay dần dần sẽ được thay thế bằng các loạiđộng cơ khác, trong đó động cơ Stirling đang được sự quan tâm của nhiềungưòi Đây là loại động cơ dốt ngoài sử dụng môi chất công tác thể khí Động

cơ có kết cấu đơn giản, không có các hệ thống phức tạp như hệ thống điện, hệthống phun nhiên liệu Động cơ Stirling cung cấp công theo một chu trìnhtrong đó piston nén khí ỏ nhiệt độ thấp và cho khí giãn nỏ ỏ nhiệt độ cao.Động cơ này có thể dùng bất kỳ nguồn nhiệt nào, qúa trình cấp nhiệt có thểthực hiện bên trong hay bên ngoài xylanh

ở đồ án tót nghiệp này, em giối thiệu tổng quát về động cơ nhiệt vàđộng cơ Stirling, nêu mục đích nghiên cứu, tìm hiểu các loại kết cấu khácnhau của động cơ, nêu ưu nhược điểm của nó, tìm hiểu nguyên lý hoạt động

íí/t /â/ nựÁ/êp

của động cơ Stirling bằng hình ảnh động, nghiên cứu lý thuyết và thiết kế một

động cơ Stirling chạy bằng nguồn điện làm cơ sỏ để nghiên cứu phát triển cácloại động cơ Stirling khác

Trong quá trình hoàn thành đồ án, mặc dù bản thân em đã có gắng,nhưng chắc không tránh khỏi sai sót Vì vậy em mong được sự chỉ bảo củathầy cô và các bạn để việc nghiên cứu thiết kế động cơ được hoàn thiện hón

Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy Trần Văn Nam và các thầy cô giáo

đã giúp đổ để em hoàn thành đồ án này

Đà Nằng, ngày 25 tháng 5 năm 2003

Sinh viên thực hiện

Bùi Văn cảng

(7/i/ểỉ /h/đợềiự fỹ//W/ếtạ e/ụiự /tì/tạ ttợt/tu/ tĩtệt/

1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VE ĐỘNG cơ STIRLING

1.1 GIỚI THIỆU

Động cơ stirling là loại động cơ nhiệt kiểu piston, được đặt tên theongười sáng chế ra nó, ông Robert Stirling Năm 1816 [5], khi động có hơinước vận hành ỏ mọi nơi, Robert Stirling đã sáng chế ra một loại động cơmổi- động cơ Stirling (hình 1.1) Đây là loại động cơ sử dụng buồng đốtngoài, công được tạo ra do sự giãn nổ khí ổ nhiệt độ cao Cũng như các loạidộng cơ đót trong, dộng cơ Stirling cung cấp công theo một chu trình, trong

đó piston nén khí ỏ nhiệt độ thấp và cho khí giãn nỏ ổ nhiệt độ cao

Hình 1.1 Động cơ Stirling nguyên thủy năm 1816, loại động cơ

này đã được sử dụng vào năm 1818 đế bơm nước từ mỏ đá.

Tuy động cơ Stirling xuất hiện sớm như vậy nhưng nó chưa được pháttriển để ứng dụng trong cuộc sóng vì giá thành ché tạo cao và lợi nhuận thấpnên không thể cạnh tranh được vói động cơ nhiệt hiện tại.

Trong thế kỷ này, khi con người bắt đầu nghĩ về môi trùòng thì động cơStirling đang được quan tâm đặc biệt bỏi quá trình hoạt động của động cơ rất

êm, hiệu suất cao và thải sạch nhò sử dụng các nguồn nhiệt sạch hoặc ít gây ônhiễm hơn Động cơ có thể sử dụng bất kỳ nguồn nhiệt nào, điều này chophép sử dụng nhừng nguồn nhiệt thông thưòng như nguồn nhiệt do đót cháythan củi, rác rúỏi , và nhất là cổ thể sử dụng nguồn nhiệt từ năng lượng mặttrời

về công nghệ động cơ Stirling có kết cấu đơn giản, vì vậy loại động cơnày có thể chế tạo tương đói dễ dàng tại các cơ sỏ cơ khí ổ nũổc ta

Một trong nhung hướng phát triển động cơ Stirling là chế tạo nhữngđộng cơ cồ nhỏ để cung cấp công cơ học trên tàu thuyền rất được quan tâm dochúng ta có nhiều phương án thiết kế gọn nhẹ để nâng cao công suất riêng củađộng cơ

Những nghiên cứu phát triển ứng dụng động cơ Stirling trên phươngtiện vận chuyển cũng đã được các nhà sản xuất ôtô quan tâm Mặt khác do nó

có thể biến đổi nhiệt trực tiếp từ năng lượng mặt trồi thành công nên nó đãđược nghiên cứu ứng dụng trên các con tàu không gian từ năm 1995 [2]

íí/t /â/ nựÁ/êp

1.2 MỘT VÀI MÔ HÌNH ĐỘNG CỦA ĐỘNG cơ STIRLING

Để hiểu hơn về động cơ Stirling ta hãy xem xét một só hình ảnh động

của động cơ Stirling sau đây [6]

1.2.1 Động cơ Stirling kiểu hai piston:

Động cơ hoạt động theo 4 quá trình ( hình 1.2):

Hình 1.2 Động cơ Stirling kiểu hai piston.

■Quá trình cấp nhiệt (heat): Piston nóng di chuyển lên phía trên, pistonlạnh di chuyển xuống phía dưới trong một phần tư vòng quay của trục khuỷu

■Quá trình giãn nỏ (expansion): Hai piston đều di chuyển về phía dưới

Năng lượng được sử dụng để sinh công

■Quá trình làm lạnh (cool): Trục khuỷu quay nhò năng lượng của bánh

đà Piston nóng tiếp tục di chuyển về phía dưổi và piston lạnh di chuyển về

phía trên Không khí chuyển từ buồng nóng tới buồng lạnh, áp suất trong

động cơ giảm

■Quá trình nén (compression): Hai piston đều di chuyển về phía trên

Năng lượng được tích trừ trong giai đoạn này

1.2.2 Động cơ Stirling kiểu con trượt:

Mô hình của động cơ được thể hiện như hình 1.3:

HEAT

Hình 1.3 Động cơ Stirling kiểu con trượt.

■Môi chất công tác: giãn nỏ khi được cấp nhiệt và co lại khi được làm

■Con trượt: làm chuyển dồi không khí và thay đổi áp suất động cơ Ấpsuất tăng lên khi con trượt ỏ vị trí trên của xylanh, áp suất giảm khi con trượt

ổ vị trí dưới của xylanh

■Pis ton lực: khi động cơ được nén đến áp suất lổn nhất nhò sự vận

hành của con trượt, piston lực giãn nỏ làm vận hành động cơ

íí/t /â/ nựÁ/êp &/i/ểỉ /kê đợềiự fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉuuỉ tĩĩệ/t

1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỀN ĐỘNG cơ NHIỆT VÀ ĐỘNG cơ STIRLINGĐộng cơ nhiệt là một thiết bị động lực, dùng để biển đổi nhiệt năngthành cơ năng Nhiệt năng có được là do đót cháy nhiên liệu Ngày nay, dộng

cơ nhiệt được gắn trên ôtô, máy kéo, máy bay, xe gắn máy hai bánh, máy bơmnước Người ta ước tính [2] hơn 80% công cơ năng trên thế giổi hiện nay dođộng cơ nhiệt cung cấp

Động cơ nhiệt có bề dày lịch sử hơn 200 năm [2], năm 1769, JamesWatt đã được cấp bằng sáng chế về động cơ hơi nước Động cơ hơi nước cóthể xem là một phát minh tiên phong, mỏ ra một thòi kỳ phát triển thịnhvượng của các loại động cơ nhiệt

Trong tất cả các loại động cơ nhiệt, nhiệt lượng do nhiên liệu đốt tạo radược chuyển thành công có ích thì động cơ đót trong được dùng rộng rãi nhấtvổi só lượng lỏn nhất Tổng công suất do động cơ đốt trong tạo ra chiếmkhoảng 90% công suất thiết bị động lực do mọi nguồn năng lượng tạo ra [3](nhiệt năng, thủy năng, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trồi ) Động

cơ đốt trong bao gồm: động cơ đót trong piston, tua bin khí và động cơ phảnlực (hình 1.2)

Năm 1876, Nicolas Otto, ngưồi Đức, sau một thòi gian dài nghiên cứu

đã chế tạo thành công động cơ hoạt động theo nguyên tắc 4 thì, vừa có thểchạy ga vừa có thể chạy xăng Đây Là động cơ nguyên thủy của động cơDiesel và động cơ Xăng ngày nay

íí/t /â/ ftạ/t/ệfi 17/i/ểỉ /hềđợềiự fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉuuỉ tĩĩệ/t

Hình 1.2 Các loại động cơ đốt trong

a) Động cơ đót trong pittông; b) Tuabin khí; c) Động cơ phản lực

1- Cácte lắp trục khuỷu; 2- xylanh; 3- nắp xylanh; 4- pittông; 5- thanh

truyền; 6- trục khuỷu; 7- bơm nhiên liệu; 8- buồng cháy; 9 - lồ phun

vào cánh tuabin; 10 - tuabin; 11- máy nén; 12 - bình chứa nhiên liệu;

13- bình chứa chất oxy hóa; 14- bơm; 15- miệng phun phản lực

Động cơ Stirling xuất hiện khá sóm, với tên gọi trưổc đây là động cơ

khí nóng, đựơc đũa ra lần đầu tiên bổi một mục sư ngưòi Scotland, có tên là

Robert Stirling vào năm 1816 Sau một thời gian phát triển, tính năng ưu việt

về công suất riêng của động cơ hơi nưổc đã làm lu mò động cơ Stirling Tuy

nhiên, động cơ Stirling vẫn được quan tâm trong suốt thế kỷ 19 bỏi tính chất

đặc biệt của động cơ này dó là: nếu chu trình nhiệt động học dược thực tiễn

hóa thì hiệu suất của động cơ Stirling sẽ gióng như hiệu suất của chu trình

Carnot, tức là hiệu suất lý thuyết cực đại có được của bất kỳ động cơ nhiệtnào

Ngày nay, với sự cạn kiệt dần của nguồn năng lượng truyền thống nhưdầu mỏ, than đá và dưới sức ép của vấn đề môi trường ngày càng bị ô nhiễmnặng thì động cơ Stirling đang được sự quan tâm hàng đầu bỏi các nhà nghiêncứu và sản xuất

Năm 1938, công ty N.V.Philips Glaxilampen Fabrieken của Hà Lanbắt đầu nghiên cứu và ché tạo động cơ Stirling cung cấp cho thị truồng [5]

1.3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN cứu

Từ khi ra đồi cho đến nay, dộng cơ stirling đã được sự quan tâm dặcbiệt của nhiều nhà khoa học và các nhà sản xuất bổi các đặc điểm nổi bật sau:hoạt động rất êm, sử dụng được nhiều nguồn nhiệt khác nhau, giảm đáng kể ônhiễm môi trường, động cơ có kết cấu đơn giản, dễ ché tạo và đặc biệt làdộng cơ có thể đạt được hiệu suất cực đại của bất kỳ động cơ nhiệt nào Vì thểđộng cơ Stirling đã được thí nghiệm và sử dụng trong các lĩnh vực sau: máylàm lạnh, động cơ phát điện, động cơ tàu thủy, động cơ ôtô, động cơ máy bay,

sử dụng trên các vệ tinh trong không gian

Hôn nữa nguồn nhiên liệu dầu mỏ trên thế giỏi hiện nay đang cạn kiệtdần và vấn đề môi trưòng đang đòi hỏi phải giảm bổt mức độ ô nhiễm, vì vậy

ta phải tìm ra những hưổng giải quyết, đổ chính là nghiên cứu sử dụng động

C ố Stirling Một động C ố có thể sử dụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau,

đặc biệt là có thể sử dụng nguồn năng lượng vô tận từ mặt mặt trồi - là những

nguồn năng lượng ít hoặc không gây ô nhiễm

2 CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG HỌC STIRLING

2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG HỌCChu trình Stirling có thể xem là tương đương với chu trình Carnot Chu

trình này được minh họa ỏ hình 2.1

Ta hãy tưổng tượng một xi lanh chứa hai piston đối đỉnh nhau, với bộhoàn nhiệt (Regenerator) ổ giữa Bộ hoàn nhiệt là bộ phận lần lượt nhả và hấpthụ nhiệt Một trong hai buồng giữa piston và bộ hoàn nhiệt là buồng giãn nỏ(Expansion space), buồng này luôn được duy trì ỏ nhiệt độ cao ( Tmax) Buồngcòn lại là buồng nén (Compression space), luôn được duy trì ổ nhiệt độ thấp( Tmin) Do dó luôn có một gradient nhiệt độ ( Tmax- Tmin ) qua bề mặt cắtngang của bộ hoàn nhiệt

Cũng như trong chu trình Carnot, người ta giả định là các piston dichuyển 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 ổ điểmchết ngoài, và piston giãn nỏ đang ỏ điểm chết trong, nằm sát vói bộ hoànnhiệt Tất cả môi chất công tác lúc đó đang ỏ trong buồng nén, thể tích cựcđại, cho nên áp suất và nhiệt độ có giá trị nhỏ nhất, đặc trũng bỏi điểm 1 trên

đồ thị p- V và T- s

Trong quá trình nén (quá trình 1-2), piston nén di chuyển về phía điểmchết trong và piston buồng giãn nỏ được xem nhu đứng yên Môi chất côngtác bị nén lại trong buồng nén, và áp suất bắt đầu tăng lên Nhiệt dộ vẫn được

duy trì không đổi bỏi nhiệt lượng Qc bị hút ra từ xylanh buồng nén ra môi

trưòng không khí xung quanh

Trong quá trình chuyển tiếp 2- 3, cả hai piston đều di chuyển đồng thòi.Piston nén đi về phía bộ hoàn nhiệt, còn piston giãn nỏ thì di chuyển ngượclại Thể tích ỏ giũa chúng vẫn duy trì ổ nhiệt độ không đổi Vì vậy môi chấtcông tác sẽ dịch chuyển từ buồng nén qua lổp kim loại xóp của bộ hoàn nhiệtđến buồng giãn nổ Trong khi đi ngang qua bộ hoàn nhiệt, môi chất công tácdược nung nóng từ nhiệt độ Tmịn bổi lượng nhiệt truyền từ bộ hoàn nhiệt vàthoát khỏi nó để đi vào buồng giãn nỏ ỏ nhiệt độ Tmax Sự gia tăng dần nhiệt

độ trong khi đi qua bộ hoàn nhiệt ỏ thể tích không đổi làm gia tăng áp suấttrong xylanh

Trong quá trình giẵn nỏ 3- 4, piston giãn nổ tiếp tục đi xa khỏi bộ hoànnhiệt về phía điểm chết ngoài Piston nén vẫn đứng yên một chỗ tại điểm chếttrong sát với bộ hoàn nhiệt Khi giãn nổ, áp suất trong xylanh giảm xuống vàthể tích tăng lên Nhiệt độ vẫn giữ nguyên nhò nhiệt lượng Q, bổ sung vào hệthống từ nguồn nhiệt bên ngoài

íí/t /â/ nựÁ/êp &/i/ểỉ /kê đợềiự fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉuuỉ tĩĩệ/t

Buồng giãn nở Bộ hoàn nhiệt Buồng nén

Khoảng dịch chuyển

Hình 2.1 Chu trình nhiệt động học Stirling:

a - Đồ thị P- V và T- s

b - Khoảng dịch chuyển của piston ỏ các điểm giói hạn của chu trình,

c - Đồ thị Thòi gian - Khoảng dịch chuyển

íí/t /â/ nựÁ/êp

Quá trình cuối của chu trình là quá trình dịch chuyển 4- 1 Trong đó cảhai piston đều đồng thòi dịch chuyển, để đưa môi chất công tác ỏ thể tíchkhông dổi trỏ lại qua bộ hoàn nhiệt và buồng giãn nổ đển buồng nén Trongkhi đi qua bộ hoàn nhiệt, nhiệt được truyền từ môi chất công tác sang bộ hoànnhiệt Vì vậy môi chất công tác sẽ giảm nhiệt độ xuống Tmin trong buồng nén.Nhiệt độ của quá trình được chứa trong bộ hoàn nhiệt dùng đế truyền cho môichất công tác trong quá trình 2- 3 của chu trình tiếp theo

Tóm lại, chu trình nhiệt động Stirling bao gồm 4 quá trình sau:

a Quá trình 1-2: Nén đẳng nhiệt

Truyền nhiệt từ môi chất công tác ỏ nhiệt độ Tmin ra môi trường bên

ngoài

b Quá trình 2 - 3 : Nung nóng đẳng tích

Truyền nhiệt từ bộ hoàn nhiệt đến môi chất công tác

c Quá trình 3 - 4 : Giãn nỏ đẳng nhiệt

Truyền nhiệt cho môi chất công tác nhiệt độ Tmax từ nguồn nhiệt bên

ngoài

d Quá trình 4 - 1: Làm lạnh đẳng tích

Truyền nhiệt từ môi chất công tác đến bộ hoàn nhiệtNếu lượng nhiệt truyền trong quá trình 2- 3, có cùng giá trị vổi lượng

nhiệt truyền trong quá trình 4- 1, thì sự truyền nhiệt giữa động cơ và môi

trưòng bên ngoài chỉ bao gồm lượng nhiệt cung cấp ỏ nhiệt độ Tmax và lượng

nhiệt thoát ra ỏ nhiệt độ Tmin

íí/t /â/ ftạ/t/ệfi &/i/ểỉ /kê đợềiự fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉuuỉ tĩĩệ/t

2.2 HIỆU SUẤT NHIỆT LÝ THƯYET

Sự cấp nhiệt và thoát nhiệt ỏ nhiệt độ không đổi này của động cơ

Stirling thỏa mãn yêu cầu của định luật nhiệt động học thứ hai đói voi hiệu

suất nhiệt tói đa [1] Vì vậy hiệu suất nhiệt của chu trình Stirling củng gióng

như chu trình carnot, nghĩa là hiệu suất nhiệt của động cơ Stirling r| =

T - T

max

Ưu điểm chính của chu trình Stirling so với chu trình Carnot là ổ chỗ

thay thế hai quá trình đoạn nhiệt bằng hai quá trình đẳng tích, vì thế mà gia

tăng diện tích của biểu đồ p- V Vì vậy, để có được lượng công lón từ chu

trình Stirling không cần thiết phải cần đển áp suất và thể tích quét lổn như chu

trình Camot (ỏ chu trình Carnot muón có được lượng công lón ta phải dùng

biện pháp tăng áp)

Hình 2.2 Chu trình Stirỉing và chu trình carnot.

Hai chu trình được vẽ chồng lên nhau, vổi cùng giá trị nhiệt độ T và

Tmin, áp suất, thể tích Phần diện tích gạch chéo trên đồ thị P- V tượng trúng

íí/t /â/ nựÁ/êp

cho công gia tăng đói với chu trình Stirling Phần diện tích gạch chéo trên đồ

thị T- s đặc trúng lượng nhiệt truyền gia tăng của chu trình Stirling

So sánh biểu đồ P- V của chu trình Stirling và chu trình Carnot, giữacác giổi hạn đã cho về áp suất, thế tích và nhiệt độ, được chỉ rõ ổ hình 2.2.Diện tích gạch chéo 5- 2- 3 và 1- 6- 4 tượng trưng cho công bổ sung có đượcbằng cách thay thể các quá trình đoạn nhiệt bằng các quá trình đẳng tích Cácquá trình đẳng nhiệt (1- 5 và 3- 6) của chu trình Carnot được mỏ rộng đến quátrình 1- 2 và 3-4 tưong úng cho chu trình Stirling Vì vậy, lượng nhiệt cungcấp và thoát ra của chu trình Stirling đều tăng cùng một tỷ lệ với công suất cóđược Hiệu suất nhiệt của hai chu trình đều gióng nhau

Động cơ mang tên Stirling được gọi cho các động cơ hoàn nhiệt màdòng môi chất công tác được điều khiển bỏi sự thay đối thể tích Còn động cơmang tên Ericson là các động cơ mà dòng môi chất công tác được điều khiểnbổi các van Những tên gọi này được chọn nhằm thống nhất về tên gọi các loạiđộng cơ con trượt hoàn nhiệt, bổi vì không có sự phân biệt đặc trưng rõ rệtnào được xác định giữa các loại động cơ này.

Ta biết rằng, tất cả các loại động cơ do Robert Stirling chế tạo là loạiđộng cơ có chu trình kín, trong đó dòng môi chất công tác được điều khiển bỏi

sự thay đổi thể tích Trong khi đó thì Jonh Ericson lại sản suất cả hai loại độngcơ: động cơ điều khiển dòng môi chất công tác bằng cách thay đổi thể tích vàđộng cơ điều khiển dòng môi chất công tác bằng cách thay đổi các van

3.2 CÁC LOẠI ĐỘNG cơ STIRLING

Động cơ Stirling được phân thành hai nhóm chính: động cơ piston- contrượt và loại động cơ piston

Loại động cơ piston là loại động cơ có hai hoặc nhiều piston

Loại động cơ piston- con trượt còn được phân ra: loại động cơ có piston

và con trượt hoạt động trong cùng một xylanh gọi là động Cố piston con trượt

xy lanh đơn (hay là xy lanh chung), loại dộng cơ có piston và con trượt hoạt

động trong các xy lanh riêng biệt gọi là động cơ piston con trượt xy lanh riêng

( hình 3.1)

Hình 3.1 Các loại kết cấu cơ bản của các loại động cơ stirỉing:

A- piston, B- con trượt, C- buồng giãn nổ, D- buồng nén, E- bộ hoànnhiệt, F- bộ làm nóng, G- bộ làm nguội

Sự khác biệt cơ bản giữa piston và con trượt là ỏ chỗ: piston được lắpvoi phót chắn khí để ngăn không cho khí đi từ phía này sang phía khác, còncon trượt thì không Vì vậy, áp suất của môi chất công tác trên và dưổi contrượt đều không gây ra tổn thất dòng khí động lực học và môi chất chuyểnđộng qua lại Con trượt thì không sinh công trên môi chất công tác, nhưng làmdịch chuyển môi chất công tác từ phía này sang phía khác của con trượt

&/i/ểỉ /kê đợềiự fỹ//r//ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉuuỉ tĩĩệ/t

Trong trũòng hợp của piston, áp suất của môi chất công tác trên và dưổipiston là không gióng nhau Công được tạo ra bỏi môi chất công tác giãn nỏ ỏnhiệt độ cao tạo ra áp suất tác dụng lên piston, đẩy piston dịch chuyển trong

xy lanh

Trong một só động cơ, con trượt được làm một phần hoặc toàn bộ bằngkhung kim loại xóp, và bản thân nó đóng vai trò của một bộ hoàn nhiệt Contrượt này gọi là con trượt hoàn nhiệt và động cơ này gọi là động cơ con trượthoàn nhiệt

3.2.1 Động cơ piston con trượt

3.2.1.1 Động cơpiston con trượtxy lanh đơn:

Các kết cấu khác nhau của động cơ piston - con trượt xylanh đơn đượcthể hiện ỏ hình 3.2

Loại động cơ dẫn động bằng trục khuỷu đã được Robert Stirling chế tạovdi con trượt hoàn nhiệt gọi là loại Stirling, và loại động cơ dẫn động bằngtrục khuỷu được bó trí bộ hoàn nhiệt riêng biệt ổ bên ngoài gọi là loạiRankine- Napier

Loại động cơ piston tự do gần đây đã được đứa vào áp dụng bỏi giáo sưBeale của đại học Ohio gọi là loại Beale

Trong loại động cơ piston con trượt xylanh đơn còn có loại động cơ màxylanh dao động gọi là loại xylanh dao động

Hình 3.2 Các kết cấu khấc nhau của động cơ piston con trượt

xylanh dơn.

Các kết cấu khác nhau của loại động cơ piston- con trượt xy lanh riêngđược trình bày trên hình 3.3

Loại động cơ cổ con trượt hoàn nhiệt song song với xylanh lực là loạiđộng cơ Lanbereaw Schwarzkopff, và loại động cơ có bộ hoàn nhiệt riêngnằm ỏ bên ngoài là loại động cơ Heinrici Một loại động cơ piston- con trượthai xylanh riêng khác có tên gọi Robinson là loại két cấu mà trục xylanhnghiêng một góc 90°, cổ con trượt hoàn nhiệt Một két cấu khác khá đặc biệt

do H.Raibow của công ty Bristol thiết kể vổi hai piston và một con truợt đơn

có hai xylanh giãn nổ chung

Hình 3.3 Các kết cấu khác nhau của loại động cơ piston con trượt xylanh riêng.

3.2.2 Động cơ piston:

Các kết cấu khác nhau của động cơ hai piston tác dụng đơn được chỉ rõtrên hình 3.4 Loại kết cấu này bao gồm một số động cơ hai piston, ba loại vóicác xylanh có định (hai xylanh song song, hai xylanh hình chữ V và haixylanh đói đỉnh nhau) và một loại có xylanh quay (có bón piston)

Trong só này loại có kết cấu các xylanh song song gọi là loại Rider, nổdược sản xuất vổi só lượng nhỏ trong thế kỷ 19

Hình 3.4 Các kết cấu khác nhau của dộng cơ hai piston tác dụng dơn.

Hai dạng của động cơ nhiều piston tác dụng kép được chỉ rõ ỏ hình 3.5.Loại két cấu do Finkelstein thiết kể, bao gồm hai xylanh (mỗi xylanh gồmmột piston tác dụng kép), được kết họp để hoạt động như là một động cơ haixylanh chu trình đôi gọi là loại Finkelstein Một xylanh cổ hai buồng nén, vàxylanh còn lại cổ hai buồng giãn nỏ, vì vậy cổ khả năng của sự phân chiahoàn toàn vật lý của các vùng nóng và vùng lạnh của động Cố

Kết cấu còn lại gọi là loại Rinia, được áp dụng cho loại động cố nhiềuxylanh, được bó trí sao cho khoảng không gian phía trên piston của mộtxylanh được nói qua một đường dẫn chứa bộ hoàn nhiệt, đến khoảng khônggian phía dưói piston của xylanh ké tiếp Két cấu này đặc biệt thích họp choloại ba đến sáu xylanh, vói các xylanh được sắp xếp vòng tròn, và vói một cốcấu dẫn động trục khuỷu.

Kết cấu của loại nhiều xylanh thắng hàng không được thích họp lắm,bổi vì các buồng xa nhau được nói vổi nhau bằng một đưòng ống rất dài.

Động cơ Rinia đựơc phát minh vào thòi kỳ đầu tiên của công tyPhillips Sau này nó bị bỏ đi vì sự phức tạp của việc bôi trơn và làm kín.Nhưng mà nó đã được phát triển như là một loại động cơ công suất cao dùngcho ôtô

3.3 SO SÁNH CÁC LOẠI ĐỘNG cơ STIRLING

3.3.1 Động cơ piston- con trượt vói động cơ piston:

Ta đã biết, có rất nhiều loại kết cấu khác nhau của động cơ piston- contrượt và động cơ nhiều piston Một trong só đó đã được phát triển trong lĩnhvực thương mại Trong tất cả các loại dó không có loại nào có kết cấu tói ưunhất, nhưng có một só yếu tó chính dẫn đến sự lựa chọn thích hợp ĐÓi vổiloại động cơ piston- con trượt xylanh đơn, được lựa chọn cho phần lớn các loạiđộng cơ kích thưóc nhỏ Trong các loại động cơ lớn hơn, việc lựa chọn nằmgiữa động cơ piston- con trượt nhiều xylanh đơn trên một trục khuỷu chunghoặc là động cơ nhiều xylanh loại Rinia hay Finkelstein

Một lý do quan trọng cho việc lựa chọn động cơ piston- con trượt hơn làđộng cơ nhiều piston là ỏ chồ động cơ đa piston thường gặp phải trỏ ngạitrong việc bao kín Trong trưòng ba loại động cơ ỏ hình 3.1, roăng bao kínmôi chất công tác phải có ỏ tất cả các piston, hai trong truồng họp cho động'cơ hai piston, và một trưồng họp cho động cơ piston- con trượt, một roăngbao kín bổ sung cần thiết cho thanh truyền con trượt Roăng bao kín cho thanhtruyền con trượt nhỏ hơn nhiều so với roăng bao kín piston, sự rò rỉ môi chất

công tác và ma sát ít hơn Điều này có lẽ là ưu điểm thuận lợi nhất của động

cơ piston- con trượt, bỏi vì vấn đề bao kín là rất khó, đặc biệt là khi môi chấtcông tác không phải là không khí Một ũu điểm nữa của động cơ piston- contrượt là khối lượng chuyển động tịnh tiến toàn bộ có thể nhỏ hơn ỏ động cơnhiều piston, chính điều này làm động cơ dễ cân bằng và giảm bdt rung động.Mặt khác con trượt không tạo ra công mà chỉ chịu lực khí thể xuất hiện do tổnthất dòng khí động lực học và chịu lực quán tính của bản thân nó Do đó contrượt có kết cấu nhẹ Vì thế chỉ cần thanh truyền, ổ đổ tương ứng có khóilượng nhỏ Điều này làm giảm đáng kể trọng lượng và tổn thất ma sát

Công suất của động cơ Stirling (theo cách tính gần đúng) là một hàmtuyến tính của áp suất môi chất công tác Vì vậy, để có thể nâng cao đượccông suất riêng của động cơ Stirling ta có thể dùng biện pháp tăng áp chođộng cơ

ở nhừng động cơ nhổ, việc tăng áp hợp trục khuỷu rất thuận tiện Điềunày không chỉ giảm nhẹ nhiệm vụ bao kín của roăng, mà còn giảm bot yêucầu về độ bền của cụm piston thanh truyền và cả ổ đổ Thực tế cho thấy là voihọp trục khuỷu cd áp suất cao, sự chênh lệch áp suất ngang qua piston đượcgiảm xuống còn (Pxylanh- Ptrụckhuỷu ), thay vì ( Pxylanh- Pkhôngkhí ) đói với một họptrục khuỷu thông thưòng Do đd cd thể giảm trọng lượng, giảm ma sát cơ khícác ổ đổ và ma sát các roăng bao kín

3.3.2 Động cơ piston- con trượt xylanh đơn vdi động cơ piston- con trượtxylanh riêng:

CÓ hai ưu điểm của động cơ piston- con trượt xylanh đơn so vđi động

cổ piston- con trượt xylanh riêng

Ưu điểm thứ nhất đó là trong động cố hai xylanh (hình 3.1 b), buồngnén được phân chia giữa xylanh con trượt và xylanh piston bao gồm cả đưòngnói hai xylanh, không gian này không thể giảm xuống bằng không Vì vậy,buồng nén có thể tích khe hổ lon, dẫn đến sự giảm công suất động cơ

Ưu điểm thứ hai của động cơ piston con trượt xylanh đơn là mỗi vòngquay, con trượt và piston cùng quét một phần của xylanh ổ các thời điểm khácnhau, và nó thể hiện cho sự sử dụng hiệu quả nhất thể tích xylanh động cơ

4 THIẾT KẾ TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ STIRLING

4.1 CÁC THÔNG SỐ THIET KE CƠ BAN

Các thông só thiết kể độc lập cơ bản của động cơ Stirling là [4]:

1 Tỷ só nhiệt độ: X = Tc / Tp , là tỷ số nhiệt độ giữa buồng nén vàbuồng giãn nỏ

2 Tỷ số thể tích quét k = vc / VE , là Tỷ số giữa thể tích quét buồng nén

và buồng giãn nổ

3 Tỷ só thể tích chết: X = VD / VE, vối VD là thể tích không gian chết thể tích không đổi của toàn bộ không gian làm việc, không bao gồm thể tíchbuồng giãn nổ và buồng nén

-4 Góc lệch pha a, góc mà sự thay đổi thể tích trong buồng giãn nổ dẫnđển sự thay đổi thể tích trong buồng nén

5 Áp suất của môi chất công tác p, được thể hiện bằng áp suất cực đại

pmax hoặc áp suất trung bình Pmean

6 TÓc độ của động cơ N

7 Kích thước xylanh và hành trình piston của buồng giãn nỏ

Tóm tắt các phương trình thiết kế của chu trình Schmidt [4]:

8 Thể tích tức thời của buồng giãn nổ: Ve= — VE(1 + COSỘ), vdi (ị) là góc

trục khuỷu

, , 1

9 Thê tích tức thòi buông nén: Vc= — kVE[1 + cos(ộ - a)]

10 Thể tích tức thời của toàn bộ không gian làm việc, V = Ve+ Vc+ VD

11 Ấp suất tức thòi: p = Pmax(l- 5 ) / [ 1 + 5 cos((|) - 0)]

12 Tỷ só áp suất: Pmax/ Pmin = (1+ ô) (1- 5).

13 Áp suất trung bình: Pmean = Pmax [(1 - 6) / (1+ 5)]

14 Công suất thực của chu trình:

Hiệu suất nhiệt: T| = — - = l - XT, - T

16 Nhiệt lượng truyền trong buồng giãn nỏ mỗi chu trình:

w íỉ/t /â/ nựÁ/êp &/i/ểỉ &é 'fTâếtạ fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắtì/tạ ếỉỢỉuuỉ tĩĩệ/t

19 Nhiệt lượng cung cấp trên mỗi đơn vị môi chất công tác:

7iRTc(l + ôcos0)ôsinOVl-52(l Wl-62' x + —(l + cosa)+ s

25 Hệ só bơm nhiệt (Cop)

Ảnh hưổng của bón thông só thiết kể cơ bản (a, k,T và X) tác động lênhiệu suất động cơ ít rõ ràng hơn Rất khó có thể xác định sự kết họp nào giữachúng để có thể đạt được hiệu suất tói đa Nhúng xác định các thông só này làmột điều rất quan trọng cần được nghiên cứu, bổi vì các thông só cần phảidược xác định ổ giai đoạn thiết kế (ngoại trừ tỷ só nhiệt độ x).

Đồ thị trên các hình 4.1 đến hình 4.4 biểu thị sự ảnh hưỏng thông sốcông suất của chu trình ( p/ PmaxVT) theo sự thay đổi của một trong bón thông

só a, k,T và X trong khi ba thông só còn lại không đổi

Đồ thị hình 4.1 cho thấy ảnh hưổng của thông số công suất không thứnguyên( p/ PmaxVT) theo sự thay đổi nhiệt độ buồng giãn nỏ TE vdi nhiệt độbuồng nén Tc không đổi ỏ 300°K, góc lệch pha a = 90°, tỷ só thể tích quét k =0,8 và tỷ só thể tích chết X =1,0

Theo đồ thị ta thấy ỏ nhiệt độ buồng giãn nổ Tg dưới 300°K, T > 1thông só công suất là âm, bỏi vì chu trình hoạt động nhiệt là một chu trình làmlạnh, yêu cầu một công suất thêm vào

Tỷ só nhiệt độ (x = Tc / TE)

Nhiệt độ buồng giãn nỏ TE(K)

Hình 4 ĩ Anh hưỏng của nhiệt độ đến công suất của chư trình.

Đồ thị trên còn cho thấy ảnh hưỏng của tỷ só nhiệt độ đến công suấtchu trình Khi ta khảo sát nhiệt độ buồng giãn nỏ TE cả lức lổn hón và nhỏhổn nhiệt độ buồng nén Tc giả định ổ 300°K, tức là ỏ chế độ máy động lực (Tg

> Tc) và chế độ làm lạnh (TE < Tc)

Khi TE > Tc, công suất là dương và có giá trị liên tục tăng khi TE tăng

Khi TE < Tc , tức là ỏ chế độ họat động của máy làm lạnh Khi TE giảmxuống thì sẽ có sự gia tăng của công suất yêu cầu để dẫn động máy

Có thể thấy rõ là đói vói các động cơ, công suất có thể tăng lên bằngviệc sử dụng các vật liệu của xylanh giãn nỏ và bộ trao đổi nhiệt chịu đượcnhiệt độ cao, và đói máy làm lạnh, nhiệt độ làm lạnh càng cao càng tót

&/i/ểỉ /kê đợềiự fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉuuỉ tĩĩệ/t

ĐỒ thị hình 4.2, cho thấy sự ảnh hưỏng của thông số công suất khôngthứ nguyên (P/ PmaxVT) theo sự thay đổi của tỷ só thể tích quét k, voi các giátrị không đổi của Tỷ só nhiệt độ T = 0,25 và 0,5; góc lệch pha a = 90° và Tỷ

só thể tích chết X = 1,0

Trên hai đưòng cong này, với các giá trị khác nhau của T, giá trị cực đạicủa công suất chu trình không xảy ra tại một giá trị chung của k Không cógiá trị chung tói úu nhất cho k, bời vì trị só tói ưu nhất tùy thuộc vào sự kéthọp giữa các thông số a, X và X.

Đồ thị cho thấy ảnh hưỏng của tỷ só thể tích quét k đén công suất động

cơ Hai đưồng cong cho thấy, với các giá trị cho trưóc của a, I và X thì sẽ cómột giá trị tói ưu của k, mà ỏ đó thông só công suất đạt giá trị cực đại

4/Jrĩ íí/t /â/ ftạ/t/ệfi (7/i/ểỉ /kê đợềiự fỹ//W/ếtạ e/ụiự /tì/tạ ttợt/tut tĩtệt/

So sánh hai đường cong có X = 0,25 và X = 0,5; ta thấy giá trị k tói ũukhông là hằng só mà thay đổi: k gần bằng 0,75 khi X = 0,25 và gần bằng 1 khi

X = 0,5

Đồ thị hình 4.3 cho thấy ảnh hưổng của thông só công suất chu trìnhkhông thứ nguyên ( p/ PmaxVT) theo sự thay đổi tỷ só thể tích chết X, vói cácgiá trị không đổi của X, a và k

Không gian chết là thế tích rỗng của bộ hoàn nhiệt và các bộ phận traođổi nhiệt, các đường dẫn và thể tích khe hổ trong buồng giãn nỏ và buồng nén

Sự gia tăng của không gian chết, làm giảm tỷ lệ thể tích cực đại trên thể tíchcực tiểu, sẽ gây ra giảm áp suất, và vì vậy gây nên sự giảm công suất của động

cơ Do đó thể tích chết cần phải làm nhỏ nhất để động cơ có công suất cao

Tỷ số thể tích chết (X = VD / VE)

Hình 4.3 Ảnh hưỏng của tỷ số thể tích chết đến công suất chu trình.

&/i/ểỉ /kê đợềiự fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉuuỉ tĩĩệ/t

ĐỒ thị hình 4.4 cho thấy ảnh hưổng của thông só công suất chu trìnhkhông thứ nguyên ( p/ PmaxVT) theo sự thay đổi góc lệch pha a, với các giá trịkhông đổi của các thông só X, k và X

Theo đồ thị ta thấy thông só công suất rất nhạy cảm vổi sự thay đổi củagóc lệch pha (a), điều này đòi hỏi cần phải có sự nghiên cứu trong việc thiết

kế hình học của các cơ cấu dẫn động của động cơ Stirling

Góc lệch pha của trục khuỷu (a)

Hình 4.4 Ảnh hưỏng của góc lệch pha đến công suất của chu trình.

Dựa vào đồ thị ta thấy, thông só công suất thay đổi theo sự thay đổi củagóc lệch pha trên phạm vi mỏ rộng từ 60° đến 120° của trục khuỷu Góc lệchpha tói ưu là ỏ giữa 90° và 115°