Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình động cơ Stirling Motor Teilileste

là đề tài nghiên cứu tốt nghiệp của khoa cơ khí trong đây có cả quy trình công nghệ và bản vẽ solid các chi tiết các kiến thức nhiệt động học cơ khí ô tô. những nghiên cứu tương laiTổng hợp kiến thức đã học vận dụng tính toán thiết kế và chế tạo mô hình động cơ Stirling Motor Teilileste. Ứng dụng phần mềm tham số để mô phỏng tính toán áp lực để xác định tốc độ quay của động cơ.

MỤC LỤC 3

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ STIRLING 5

1.1 GIỚI THIỆU 5

1.2 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI 9

1.3 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 10

1.3.1 NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING 10

1.3.2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING 13

1.3.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING 18

1.4 SO SÁNH CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ STIRLING 24

1.5 SO SÁNH ĐỘNG CƠ STIRLNG VỚI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 25

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 28

2.1 CHU TRÌNH LÝ THUYÊT CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING 28

2.1.1 CÁC GIẢ ĐỊNH ĐỂ ĐƠN GIẢN HÓA QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐỘNG 29

2.1.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT THỰC TẾ CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING 35

2.1.3.1 Ảnh hưởng do truyền nhiệt 35

2.1.3.2 Ảnh hưởng do hồi nhiệt: 36

2.1.3.3 Ảnh hưởng do quá trình rò rỉ môi chất công tác 37

2.1.3.4 Ảnh hưởng do không gian chết 37

2.1.3.5 Ảnh hưởng do chuyển động của piston 38

2.1.3.6 Tổng ảnh hưởng của tất cả những sai lệch so với điều kiện lý tưởng 38

2.2 CHU TRÌNH THỰC TẾ CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING 39

2.3 CHU TRÌNH SCHMIDT 44

2.3.1 CÁC GIẢ THIẾT CƠ BẢN 44

2.3.2 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN 45

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG CƠ STIRLING 51

3.1 CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ CƠ BẢN 51

3.2 ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ KHÁC NHAU ĐẾN ĐỘNG CƠ STIRLING 53

3.3 ĐỒ THỊ THIẾT KẾ HỢP NHẤT 58

3.4 MÔI CHẤT CÔNG TÁC 60

3.5 BỘ HOÀN NHIỆT 62

3.6 TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG HỌC VÀ HIỆU SUẤT ĐỘNG CƠ 63

3.6.1 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU 63

3.6.2 TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG HỌC 65

3.7 M ỘT SỐ VẤN ĐỀ KHÁC CẦN QUAN TÂM KHI TÍNH TOÁN 66

3.8 MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM 69

3.8.1 V Ẽ VÀ MÔ PHỎNG TRÊN S OLID WORKS 69

3.7.3 M ỘT SỐ MÔ PHỎNG KHÁC 76

CH ƯƠNG 4 : QUY TRÌNH CHẾ TẠO MỘT SỐ CHI TIẾT ĐIỂNHÌNH 77

4.1 THIẾT KẾ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CHI TIẾT XYLANH 77

4.1.1 PHÂN TÍCH CHI TIẾT GIA CÔNGVÀ XÁC ĐỊNH DẠNG SẢN XUẤT 77

4.1.1.1 Phân tích chức năng làm việc của chi tiết nói chung : 77

4.1.1.2 Phân tích tính công nghệ trong kết cấu của chi tiết : 77

4.1.1.3 Xác định dạng sản xuất ( giả thiết) 78

4.1.2 XÁC ĐỊNH PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO PHÔI VÀ THIẾT KẾ BẢN VẼ CHI TIẾT LỒNG PHÔI 79

4.1.3 THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CHI TIẾT 80

4.1.5.1 N GUYÊN CÔNG 1: P HAY ĐỒNG THỜI HAI MẶT ĐẦU 86

4.1.5.2.N GUYÊN CÔNG 2: T IỆN MẶT TRỤ NGOÀI25 - V ÁT MÉP NGOÀI - T IỆN REN M221,5 91

4.1.5.3 N GUYÊN CÔNG 3: T IỆN RÃNH HƯỚNG KÍNH 94

4.1.5.4 N GUYÊN CÔNG 4: T IỆN MẶT TRỤ20-V ÁT MÉP NGOÀI 94

4.1.5.5 N GUYÊN CÔNG 5: K HOAN -K HOÉT -V ÁT MÉP -D OA10 96

4.1.5 TÍNH THỜI GIAN NGUYÊN CÔNG 99

4.1.6 TÍNH VÀ THIẾT KẾ ĐỒ GÁ 105

4.1.6.1 N GUYÊN CÔNG PHAY 2 ĐẦU 105

4.1.6.2.L ẬP SƠ ĐỒ GÁ ĐẶT : 105

4.1.6.2.1.Yêu cầu kỹ thuật: 105

4.1.2.2.Phân tích sơ đồ gá đặt phôi: 105

4.1.6.3 C ÁC THÔNG SỐ CỦA CHẾ ĐỘ CẮT : 106

4.1.6.4.T ÍNH LỰC KẸP : 106

4.2 QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PISTON 110

4.2.1 PHÂN TÍCH CHI TIẾT VÀ XÁC ĐỊNH DẠNG SẢN XUẤT 110

4.2.2 THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 112

CHƯƠNG 5 : VẬN HÀNH-ỨNG DỤNG 126

KẾT LUẬN 129

TÀI LIỆU THAM KHẢO 131

PHỤ LỤC 132

LỜI NÓI ĐẦU

Từ lâu nay, vấn đề năng lượng là vấn đề quan tâm hàng đầu của mọingười Nguồn dầu mỏ trên thế giới mặc dù rất phong phú nhưng với cách khaithác ồ ạt như hiện nay thì đã làm cho nguồn dầu mỏ ngày càng cạn kiệt, do đógiá dầu mỏ tăng cao một cách chóng mặt Hơn nữa trong thời đại ngày nay, khi

mà môi trường đang là vấn đề được quan tâm toàn cầu, môi trường đang bị ônhiễm nặng, mà một trong những nguyên nhân chính là do khí thải của động cơ.Nồng độ của những chất gây ô nhiễm trong khí xả của động cơ như NO, CO,

HC, bồ hóng có xu hướng gia tăng mạnh mẽ cùng với sự gia tăng nồng độCO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ khí quyển đã là đề tàibàn cãi ở nhiều diễn đàn quốc tế và khuvực

Tất cả những vấn đề đó đòi hỏi ngành động cơ phải tìm ra những giảipháp thích hợp Động cơ đốt trong đang dần dần được thay thế bằng những loạiđộng cơ khác, trong đó động cơ Stirling được sự quan tâm của nhiều nhà nghiêncứu Đây là loại động cơ đốt ngoài sử dụng môi chất công tác thể khí Đông cơ

có kết cấu đơn giản không có các hệ thống phụ phức tạp như: hệ thống điện, hệthống phun nhiên liệu…Động cơ Stirling cung cấp công theo một chu trình theo

đó piston nén khí ở nhiệt độ thấp và cho giãn nở khí ở nhiệt độ cao Động cơ này

có thể dùng bất kỳ nguồn nhiệt nào, quá trình cấp nhiệt có thể thực hiện bêntrong hay ngoài xy lanh…

Ở đồ án tốt nghiệp này, em giới thiệu tổng quát về động cơ Stirling, nêumục đích nghiên cứu, tìm hiểu các loại kết cấu khác nhau của động cơ, nêu ưunhược điểm của nó, tìm hiểu nguyên lý hoạt động của động cơ và thiết kế mộtđộng cơ Stirling chạy bằng nguồn nhiệt.Trong quá trình hoàn thành đồ án, mặc

dù bản thân em đã cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi những sai sót Vìvậy em mong được sự chỉ bảo của các thầy cô và các bạn để việc nghiên cứu vàthiết kế động cơ được hoàn thiện hơn

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn đến thầy Nguyễn Quốc Tuấn và các thầy côgiáo đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này.

Hà Nội, ngày tháng năm 2017Sinh viên thực hiệnTrịnh Trung ThànhTrần Công QuangĐậu Đình Tùng

Chương 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ STIRLING

1.1 GIỚI THIỆU

Hình 1-1 : Tiến sĩ Robert Stirling người phát minh ra động cơ Stirling

Động cơ Stirling được phát minh vào năm 1816 do Robert Stirling phátminh ra Phát minh này nhằm tạo ra một phương án an toàn hơn để thay thế chođộng cơ hơi nước đang phổ biến lúc bấy giờ Nồi hơi của động cơ hơi nướcthường xảy ra hiện tượng nổ do áp suất cao của hơi nước và nguyên liệu khôngthích hợp

Thực ra những ý tưởng phát minh ra một loại động cơ mới thay thế chođộng cơ hơi nước đã xuất hiện từ những năm 1699 khi những điều luật đầu tiên

về khí thải ra đời Năm 1807, nhà phát minh người Anh George Cayley đã phátminh ra động cơ khí nóng Nhưng mô hình của Stirling đưa ra được chú ý hơn

cả và được xem là đáng giá nhất Nó cũng là một loại động cơ nhiệt thuộc nhómđộng cơ đốt ngoài nhưng nguyên lý sinh công của nó khác hẳn Nó sử dụng mộtnguồn nóng làm giãn nở môi chất bên trong xy lanh và sinh công, sau đó lại

dùng một nguồn lạnh để giải nhiệt cho môi chất công tác trước khi đẩy nó trở lạiphía đầu nóng.

Hình 1-2 : Mô hình động cơ Stirling sáng chế năm 1816, nó được sử dụngvào năm 1818 để bơm nước từ mỏ đá

Tuy động cơ Stirling xuất hiện sớm như vậy nhưng nó chưa được pháttriển để ứng dụng trong cuộc sống vì giá thành chế tạo cao và lợi nhuận thấp nênkhông thể cạnh tranh với loại động cơ hiện tại

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

êm, hiệu suất cao thải sạch nhờ sử dụng các nguồn nhiệt sạch hoặc ít gây ônhiễm hơn Động cơ có thể sử dụng bất kỳ nguồn nhiệt nào điều này cho phép

sử dụng các nguồn nhiệt thông thường như nguồn nhiệt do đốt cháy than củi, rácrưởi… và nhất là có thể sử dụng những nguồn nhiệt sạch như từ năng lượng mặttrời

Hình 1-3 Một mô hình động cơ Stirling tại Viện nghiên cứu công nghệ FPT.

Ngoài FPT, việc nghiên cứu động cơ Stirling đã được triển khai tại ĐHBách Khoa Đà Nẵng với đề tài nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời chođộng cơ Stirling để bơm nước từ các ao hồ, sông vào các bể chứa hoặc đồngruộng.Tiến sĩ Hoàng Dương Hùng nhận định: Năng lượng mặt trời hoàn toàn cóthể ứng dụng để chạy động cơ Stirling Động cơ này có thể sử dụng cho nhiềumục đích khác nhau mà bơm nước là một trong các ứng dụng đó Bơm nước sửdụng năng lượng mặt trời có thể sử dụng hiệu quả trong các trường hợp nhưbơm nước từ bể lên bồn chứa hoặc dùng bơm nước từ ao hồ, sông ngòi dùng chotưới tiêu cho các nông trường.Miền Trung và miền Nam Việt Nam có nắng vànhiệt độ cao quanh năm Đây là điều kiện thuận lợi để lắp đặt các động cơStirling dùng để chạy máy phát điện mini công suất khoảng 1KW dành cho các

hộ gia đình hoặc xây dựng các nhà máy điện cỡ nhỏ sử dụng động cơ Stirling

So với các động cơ đốt trong cùng công suất, động cơ Stirling có hiệu suấtcao hơn, không gây nhiều tiếng ồn, hoạt động ổn định và bền, không cần bảodưỡng nhiều, và có thể hoạt động với chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng vànguồn lạnh trong dải rộng từ cỡ chục độ C đến hàng nghìn độ C Trước tình hình

động cơ Stirling đang được nhiều quốc gia quan tâm để đưa vào các nhà máyphát điện với năng lượng tái tạo và lĩnh vực hàng không vũ trụ.

Một trong những hướng phát triển động cơ Stirling là chế tạo những động

cơ nhỏ để cung cấp công cơ học trên tàu thuyền rất được quan tâm do chúng ta

có nhiều phương án thiết kế gọn nhẹ để nâng cao công suất riêng của động cơ.Những nghiên cứu phát triển ứng dụng của động cơ Stirling trên phươngtiện vận chuyển cũng được các nhà sản xuất ô tô quan tâm Mặt khác do nó cóthể biến đổi nhiệt trực tiếp từ năng lượng mặt trời thành công nên nó đã đượcnghiên cứu ứng dụng trên các con tàu không gian từ năm 1995

Về công nghệ động cơ Stirling có kết cấu đơn giản, vì vậy loại động cơ này

có thể chế tạo tương đối dễ dàng tại các cơ sở cơ khí nước ta Mới đây, trườngđại học Bách khoa Đà Nẵng đã chế tạo thành công bơm nước sử dụng nănglượng mặt trời, hoạt động theo nguyên tắc động cơ Stirling với các thông số kỹthuật sau:

+Công suất : 5 m3/ ngày

+ Áp suất hút tối đa : 5m H2O

+ Áp suất đẩy tối đa : 10m H2O

Hình 1.4 Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời

Như vậy chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng rằng trong một tương laikhông xa nữa động cơ Stirling sẽ trở lại và trở thành nguồn động lực phổ biếnnhất.

Hình 1-5 Mô hình stirling của các sinh viên đại học công nghiệp Hà Nội

1.2 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI.

Các động cơ nhiệt phổ biến hiện nay không được cung cấp nhiệt năng từbên ngoài một cách trực tiếp mà được cung cấp nhiên liệu, sau đó nhiên liệuđược đốt cháy để tạo nhiệt năng Căn cứ vào vị trí đốt nhiên liệu, người ta chiađộng cơ nhiệt thành 2 nhóm : động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài

Động cơ Stirling là một loại động cơ nhiệt thuộc nhóm đốt ngoài có piston.Môi chất công tác của động cơ Stirling (thường là không khí, hydrogen hayhelium ) chỉ di chuyển trong một khoảng không gian đã được làm kín và cóthành phần không thay đổi trong tất cả những giai đoạn khác nhau của quá trìnhcông tác Khi môi chất công tác được một nguồn nhiệt từ bên ngoài (có thể làđốt cháy nhiên liệu, địa nhiệt, năng lượng mặt trời ) đốt nóng nó thì nó sẽ giãn

nở và đẩy piston đi xuống để sinh công cơ học Sau đó nó được làm mát và đượcmột piston khác đẩy trở lại không gian nén để thực hiện chu trình làm việc tiếptheo Còn ở động cơ đốt trong, ở những gian đoạn khác nhau của chu trình công

những tên khác nhau như khí mới, sản phẩm cháy, khí thải, khí sót, hỗn hợpcháy, hỗn hợp khí công tác.

Động cơ Stirling được phân loại theo những tiêu chí khác nhau Căn cứ vàođặc điểm cấu tạo, có thể chia động cơ Stirling thành các loại : Động cơ Stirlingkiểu alpha, động cơ Stirling kiểu beta và động cơ Stirling kiểu gamma Cụ thểcấu tạo của từng loại chúng ta sẽ tìm hiểu sau

1.3 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

1.3.1 NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING

Xét một xylanh được làm kín một đầu và đầu còn lại được bịt kín bằng mộtpiston (H 1-6) và một ít không khí chứa bên trong không thoát được ra bênngoài Giả sử, lúc ban đầu toàn bộ thiết bị có nhiệt độ bằng nhiệt độ đầu lạnh vàbằng nhiệt độ môi trường Lúc này không khí bên trong sẽ có áp suất bằng ápsuất khí quyển Với điều kiện đó piston sẽ đứng yên

Nếu ta đốt một đầu xylanh (đầu nóng), nguồn nhiệt được sử dụng có thể làchùm tia bức xạ mặt trời hội tụ tại đầu xylanh hoặc một cách đơn giản là dùngmột ngọn nến Khi đó áp suất và nhiệt độ của không khí bên trong sẽ tăng lên,giãn nở đầy piston chuyển động và sinh công hữu ích ( H 1-7) Bất kỳ nguồnnhiệt nào cũng có khả năng sinh công, nhưng nhiệt độ càng cao thì sinh ra công

càng lớn Động cơ không thể chuyển nhiệt thành công một lần rồi ngừng nhưtrên mà phải có khả năng sinh công liên tục.

Quá trình sinh công vẫn tiếp diễn nếu còn quá trình giãn nở của không khíbên trong xylanh Tuy nhiên, piston chuyển động ra ngoài quá xa nó sẽ vượt rangoài xylanh Quá trình sinh công kết thúc Do vậy quá trình sinh công phải kếtthúc trước khi điều đó xảy ra

Nếu khi piston chuyển động đến đầu bên phải của xylanh ta ngừng quátrình cấp nhiệt và tăng quá trình thải nhiệt bằng cách tăng cường làm mát choxylanh thì áp suất và nhiệt độ không khí bên trong xylanh giảm xuống Đến mộtlúc nào đó áp suất không khí bên trong thấp hơn áp suất khí quyển thì piston sẽchuyển động ngược lại và trở lại vị trí ban đầu, chuẩn bị cho chu trình tiếp theo

Trên thực tế thì piston chuyển động quay lại là nhờ vào lực quán tính củabánh đà làm cho trục khuỷu quay vòng tròn, từ đó thanh truyền sẽ đẩy pistonchuyển động trở lại Vấn đề đặt ra với động cơ Stirling là làm thế nào để chúnghoạt động một cách tự động, tức là xylanh nhận, thải nhiệt và liên kết chặt chẽ

với sự chuyển động của piston, hình dưới đây sẽ trình bày cụ thể hơn nguyên lýhoạt động của động cơ Stirling.

1.3.2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING

Tuy có hình dáng bên ngoài, kích thước và cách bố trí khác nhau, nhưng tất

cả động cơ Stirling đều được cấu thành từ các bộ phận cơ bản với chức năngnhư sau:

Bộ cấp nhiệt- bộ phận có chức năng cấp nhiệt cho môi chất công tác Môichất công tác thường dùng cho động cơ Stirling là không khí, hydrogen hoặchelium Nguồn nhiệt cho động cơ Stirling là xăng dầu, than củi, năng lượng mặttrời,…

Bộ hồi nhiệt- bộ phận có chức năng thu nhận nhiệt của môi chất công táckhi nó đi từ không gian giãn nở có nhiệt độ cao sang không gian nén có nhiệt độthấp hơn và truyền lại phần nhiệt đã thu nhận cho môi chất công tác khi môi chấtcông tác đi ngược trở lại Có thể xem bộ hồi nhiệt như một thiết bị tận dụng

năng lượng Động cơ Stirling vẫn có thể họa động khi không có bộ hồi nhiệtnhưng khi đó hiệu suất của động cơ sẽ thấp hơn.

Bộ làm mát- là nơi môi chất công tác thải nhiệt ra môi trường bên ngoài.Đối với động cơ Stirling, môi chất công tác có thể được làm mát bằng không khíhoặc nước

Piston giãn nở và piston nén : piston giãn nở là bộ phận tiếp nhận áp lựccủa môi chất công tác khi giãn nở để sinh công cơ học Piston nén là bộ phận cóchức năng nén và đẩy môi chất công tác từ không gian nén qua các bộ phận traođổi nhiệt về không gian giãn nở Hai piston giãn nở và nén được đặt lệch phanhau một góc nào đó thường là 900

Xylanh giãn nở và xylanh nén : xy lanh giãn nở là bộ phận dẫn hướngpiston giãn nở và cùng với piston giãn nở tạo ra không gian giãn nở Xylanh nén

là bộ phận dẫn hướng piston nén và cùng với piston nén tạo ra không gian nén.Không gian giãn nở : không gian nằm giữa piston giãn nở và bộ cấp nhiệt.Tại không gian giãn nở, môi chất công tác có nhiệt độ và áp suất cao sẽ giãn nởđồng thời đẩy piston giãn nở 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

từ không gian giãn nở qua, sau đó được nén và đẩy trở lại không gian giãn nở

Cơ cấu truyền lực bao gồm các bộ phận có chức năng tiếp nhận lực đẩy củamôi chất công tác và truyền lực đó đến các bộ phận tiêu thụ đồng thời phối hợpchuyển động của các piston Cơ cấu truyền lực của động cơ Stirling có thể cấutạo kiểu thanh truyền trục khuỷu tương tự như động cơ đốt trong thông dụnghoặc có thể có cấu trúc đặc biệt khác như cơ cấu Ross- Yoke hay cơ cấu Ross-Rocker

-Sau đây, chúng ta sẽ đi tìm hiểu kỹ hơn về từng loại động cơ Stirling :

i Động cơ Stirling kiểu hai piston (kiểu alpha)

Các động cơ Stirling kiểu alpha có 2 piston đặt trong 2 xylanh riêng biệt vàđược nối kết với nhau bằng một chuỗi các bộ phận trao đổi nhiệt gồm bộ phậncấp nhiệt (heater), bộ phận hồi nhiệt (regenerator), và bộ phận làm mát (cooler)

Có một không gian có nhiệt độ cao gọi là không gian giãn nở hay buồng giãn nở(espension space) và một không gian có nhiệt độ thấp gọi là không gian nén haybuồng 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

Động cơ Stirling kiểu alpha được xem là cấu hình động cơ Stirling đơngiản nhất, cho công suất cao với kích thước nhỏ gọn, tuy nhiên nó mắc phảinhược điểm là cả hai piston đều phải được làm kín chất khí không bị rò rỉ ra bênngoài và phần xylanh và piston làm việc tại nhiệt độ cao sẽ chịu hạn chế kỹthuật cũng như tuổi thọ của chúng.

Động cơ Alpha cũng có thể kết hợp thành động cơ Stirling nhiều xylanh đểcho công suất lớn hơn, phù hợp với yêu cầu công suất của động cơ ô tô Trongtrường hợp này, không gian giãn nở của một xylanh được nối với không giangiãn nở của một xylanh kế tiếp theo của một chuỗi kết nối : xylanh bộ cấp nhiệt,

bộ hồi nhiệt và bộ làm mát như hình 1.16:

ii Động cơ Stirling kiểu piston phụ ( kiểu beta,gamma)

Với động cơ Stirling kiểu piston phụ, môi chất công tác chuyển động qualại giữa vùng có nhiệt độ cao và vùng có nhiệt độ thấp chỉ bởi một piston (pistonphụ) Piston lực đảm nhiệm việc chuyển áp lực của môi chất thành công cơ họctruyền ra bên ngoài Động cơ Stirling kiểu beta và gamma đều thuộc động cơStirling kiểu piston phụ

Không giống với động cơ kiểu Alpha, động cơ Stirling kiểu beta có mộtpiston lực và một piston phụ mà nhiệm vụ của nó là đẩy môi chất công tác từkhông gian nén sang không gian giãn nở và ngược lại.

Do sự trùng lặp hành trình của 2 piston nên tỉ số nén của động cơ được tănglên và có thể đạt được công suất cao hơn động cơ Stirling kiểu gamma Tuynhiên, trục của piston lực và trục của piston phụ cùng một đường tâm do đó cơcấu chuyển động trở lên phức tạp

động cơ stirling kiểu beta

Cũng giống như ở động cơ Stirling kiểu beta, các động cơ Stirling kiểugamma có một piston phụ và một piston lực Tuy nhiên, chúng được đặt trongcác xylanh khác nhau Điều này cho phép một sự cách biệt hoàn toàn giữa các

bộ phận trao đổi nhiệt, xylanh của piston phụ, không gian nén với piston lực.Như thế, chúng có phần thể tích chết ( thể tích ma piston không quét tới) lớnhơn so với cả hai loại beta và alpha Vì vậy, việc điều chỉnh tỉ số nén và diệntích trao đổi nhiệt tương đối dễ dàng.

1.3.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING

Tương tự như ở động cơ xăng và động cơ Diesel thông dụng, động cơStirling hoạt động theo kiểu chu kỳ, tức là có các chu trình công tác nối tiếpnhau Mỗi chu trình công tác là một giai đoạn làm việc tương ứng với một lầnsinh công, nó bao gồm các quá trình : quá trình nén, quá trình cấp nhiệt, quátrình giãn nở sinh công và quá trình làm mát Để tìm hiểu kỹ hơn ta sẽ nghiêncứu nguyên lý hoạt đọng của từng loại động cơ Stirling một :

1.3.3.1 Động cơ stirling kiểu alpha

1) Quá trình nén : trong quá trình nén, cả piston giãn nở và piston nén đều

đi lên, môi chất công tác được nén lại trong không gian ở giữa hai đỉnh của haipiston (H 1-20) Trong quá trình nén, môi chất công tác trong không gian nénđược làm mát để duy trì nhiệt độ không đổi Tmin, quá trình nén kết thúc khipiston giãn nở ở điểm chết trên

Hình 1-20 Quá trình néniii Quá trình cấp nhiệt

Trong mỗi chu trình công tác, môi chất công tác lưu thông một lần từ khônggian giãn nở sang không gian nén và một lần ngược trở lại Trên đường lưuthông từ không gian nén sang không gian giãn nở, môi chất công tác được sấynóng đến nhiệt độ TR trong bộ hồi nhiệt rồi sau đó được đốt nóng đến nhiệt độTmax và áp suất Pmax trong bộ cấp nhiệt và đi vào không gian giãn nở Quátrình cấp nhiệt kết thúc khi piston nén tới điểm chết trên Trong quá trình cấpnhiệt, piston giãn nở đi xuống còn piston nén đi lên, thể tích của môi chất côngtác không đổi (cấp nhiệt đẳng tích)

H 1-21 Quá trình giãn nở

iv Quá trình sinh công : với nhiệt độ Tmax và áp suất Pmax môi chất công táctrong không gian giãn nở sẽ đẩy piston chuyển động về phía điểm chết dưới

và sinh công cơ học Quá trình giãn nở kết thúc khi piston giãn nở tới điểmchết dưới (H 1-22)

H 1-22 Quá trình sinh công

v Quá trình làm mát : sau khi giãn nở để sinh công, môi chất công tác được pistongiãn nở đẩy từ không gian giãn nở sang không gian nén Trên đường đi quacác bộ trao đổi nhiệt, một phần nhiệt của môi chất công tác được thu hồi.Trong quá trình nhả nhiệt, piston giãn nở đi lên và piston nén đi xuống nênthể tích của môi chất công tác là không đổi

H 1-23 Quá trình làm mát

1.3.3.2 Động cơ Stirling kiểu beta

Động cơ Stirling kiểu beta còn được gọi là động cơ kiểu piston phụ Cảpiston lực và piston phụ cùng được đặt trong một xylanh, piston phụ chỉ có

nhiệm vụ đẩy môi chất công tác từ không gian nén sang không gian giãn nở Các

bộ phận khác có chức năng tương tự như ở động cơ Stirling kiểu alpha Nguyên

lý làm việc của động cơ Stirling kiểu beta như sau :

i.Quá trình nén : quá trình bắt đầu từ khi piston phụ đi từ điểm chết trên về

điểm chết dưới, lúc này piston lực đi từ điểm giữa hành trình lên điểm chết trên(H 1-24.a) Môi chất công tác được nén lại và tiếp tục được làm mát để duy trìnhiệt độ không đổi Quá trình nén kết thúc khi piston lực đi lên điểm chết trên

H 1-24 Quá trình nén (a) và quá trình cấp nhiệt (b)

ii.Quá trình cấp nhiệt : môi chất công tác từ không gian nén được piston phụ

đẩy dang không gian giãn nở (H 1-24 b) Khi đi qua bộ hồi nhiệt, môi chấtcông tác được sấy nóng đến nhiệt độ TR , rồi sau đó được đốt nóng đến nhiệt độTmax và áp suất Pmax trong bộ cấp nhiệt rồi đi vào không gian giãn nở Quátrình cấp nhiệt kết thúc khi piston phụ rơi xuống điểm chết dưới Do cả hai

piston cùng đi xuống nên thể tích của môi chất công tác trong quá trình cấp nhiệt

là không đổi

iii.Quá trình giãn nở và sinh công- với nhiệt độ và áp suất cao trong không

gian giãn nở, môi chất công tác giãn nở đẩy piston lực đi xuống và sinh công cơhọc Quá trình giãn nở kết thúc khi piston lực xuống tới điểm chết dưới

H 1-25 Quá trình giãn nở sinh công và quá trình làm mát (b)

iv.Quá trình làm mát- piston phụ đi lên và đẩy môi chất công tác từ không

gian giãn nở sang không gian nén Trên đường đi qua các bộ phận trao đổi nhiệt,một phần nhiệt của môi chất công tác được truyền cho bộ hồi nhiệt, một phầnđược truyền cho môi chất làm mát trong bộ làm mát Do ở trong giai đoạn này

cả hai piston cùng đi lên nên thể tích của môi chất công tác không thay đổi Quátrình làm mát kết thúc khi piston phụ lên đến điểm chết trên

1.3.3.3 Động cơ stirling kiểu gamma

Động cơ Stirling kiểu gamma thuộc nhóm động cơ Stirling kiểu piston phụ

và có cấu tạo như động cơ Stirling kiểu beta nhưng piston lực và piston phụ đặt

ở 2 xylanh riêng biệt Tương tự như động cơ stirling kiểu beta, piston phụ chỉ có

nhiệm vụ đẩy môi chất công tác từ không gian nén sang không gian giãn nở.Piston lực có nhiệm vụ tiếp nhận lực giãn nở của môi chất công tác à truyền radưới dạng công cơ học Các quá trình làm việc của động cơ Stirling kiểu gammađược thể hiện như sau :

i Quá trình nén – piston phụ đi xuống từ điểm chết trên và piston lực đi lên,môi chất công tác được nén lại và tiếp tục được làm mát để duy trì nhiệt độkhông đổi T min( H 1-26a) Quá trình nén kết thúc khi piston lực lên đến điểmchết trên

H 1-26 Quá trình nén(a) và quá trình cấp nhiệt (b)ii.Quá trình cấp nhiêt:

Piston phụ tiếp tục đi xuống và đẩy toàn bộ môi chất công tác trong không giannén sang không gian giãn nở đi qua các bộ phận trao đổi nhiệt ( H.1-26b) Tại bộhồi nhiệt, môi chất công tác được sấy nóng và tăng nhiệt độ lên đến TR và tiếptục được nung nóng đến nhiệt độ Tmax khi đi ngang qua bộ cấp nhiệt, ở giaiđoạn này cả hai piston cùng đi xuống do đó thể tích môi chất công tác khôngđổi giai đoạn cấp nhiệt đẳng tích kết thúc khi piston phụ đi xuống điểm chếtdưới

iii Quá trình giãn nở và sinh công : Môi chất công tác sau khi được cấp nhiệt

có nhiệt đô và áp suất cao, giãn nở đẩy piston đi xuống (H 1-27 a) Quá trìnhgiãn nở và sinh công kết thúc khi piston lực đi xuống điểm chết dưới

H.1-27 Quá trình giãn nở sinh công và quá trình làm mát(b)

1.4 SO SÁNH CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ STIRLING

 So sánh động cơ Stirling kiểu hai piston với kiểu piston phụ:

Yêu cầu đối với việc làm kín không gian công tác ở động cơ Stirling là rấtcao,đặc biệt trong trường hợp mỗi chất công tác không phải là không khí mà làcác chất dễ cháy nổ hoặc có giá thành cao như hydrogen hay helium.Việc làm

kín không gian công tác ở động cơ Stirling kiểu piston phụ (động cơ kiểu beta

và gamma) thuận lợi hơn vì chỉ cần xecmang kín khí cho một piston (pistonlực) Một ưu điểm nữa của động cơ kiểu piston phụ là khối lượng chuyển độngtịnh tiến toàn bộ có thể nhỏ hơn ở động cơ kiểu hai piston (động cơ kiểu anpha).Chính điều này làm cho động cơ kiểu piston phụ dễ cân bằng và ít rung độnghơn.Piston phụ không tạo ra cơ năng mà chỉ chịu lực khí thể xuất hiện do dòngkhí động lực học và lực quán tính của bản thân nó Vì vậy làm giảm đáng kểtrọng lượng và tổn thất ma sát

Công suất của động cơ Stirling (theo cách tính gần đúng) là một hàmtuyến tính của áp suất của môi chất công tác.Vì vậy,để có thể nâng cao côngsuất riêng ta có thể tăng áp cho động cơ.Ở những động cơ nhỏ việc tăng áppiston hộp trục khuỷu rất thuận tiện.Điều này không chỉ làm giảm nhẹ chứcnăng làm kín của xecmang,mà còn giảm bớt yêu cầu về độ bền của cụm piston-thanh truyền-ổ đỡ

So sánh động cơ kiểu beta và kiểu gamma :

Động cơ Stirling kiểu beta và kiểu gamma đều thuộc nhóm động cơ kiểupiston phụ

tách rời nhau và được nối với nhau bằng ống nối,bởi vậy thể tích này không thểgiảm xuống bằng 0,do đó thể tích chết của xylanh (thể tích mà piston không quéttới) tăng lên và làm giảm công suất của động cơ

Với động cơ kiểu beta,ứng với mỗi vòng quay của trục khuỷu,piston phụ

và piston lực cùng quét một phần của xylanh ở các thời điểm khác nhau nên hiệuquả sử dụng không gian công tác của xylanh tốt hơn

So với động cơ kiểu beta,động cơ kiểu gamma có ưu điểm là dễ bố trí cơcấu dẫn động bằng thanh truyền trục khuỷu,vấn đề làm kín không gian công táccũng dễ dàng hơn

1.5 SO SÁNH ĐỘNG CƠ STIRLNG VỚI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

So với động cơ đốt trong thông dụng (động cơ ở xăng vàdiesd),động cơ Stirling có những ưu điểm sau đây:

+ Động cơ Stirling có thể chạy được bất kì loại nhiên liệu nào,từ nhiên liệuhóa thạch (than đá,sản phẩm dầu mỏ) đến nhiên liệu tái tạo như gỗ,củi,…Ngoàira,động cơ Stirling cũng có thể hoạt động tốt với các nguồn nhiệt thiên nhiênnhư địa nhiệt,năng lượng mặt trời

+ Nếu chạy bằng năng lượng mặt trời hoặc địa nhiệt thì động cơ Stirling cóthể coi là động cơ sạch.Ngay cả trong trường hợp chạy bằng các loại nhiên liệutruyền thống(xăng,dầu diesel,…) thì nguy cơ gây ô nhiễm môi trường bởi khíthải cũng thấp hơn nhiều do quá trình cháy ở động cơ Stirling diễn ra liên tục ởbên ngoài không gian công tác của động cơ nên việc đảm bảo cho quá trình chạydiễn ra hoàn toàn dễ dàng hơn nhiều so với trường hợp động cơ đốt trong

+ Chu kì công tác của động cơ Stirling thuộc loại chu trình kín,tức là không

có sự trao đổi môi chất công tác môi trường bên ngoài nên động cơ Stirling cóthể hoạt động bất kỳ nơi đâu nếu có sự chênh lệch nhiệt độ

+ Độ ồn và rung động khi hoạt động của động cơ Stirling thấp hơn dokhông khí có sự biến đổi áp suất của môi chất công tác một cách đột ngột như ởđộng cơ đốt trong Hơn nữa,động cơ Stirling lại không có cơ cấu nạp xà

+ Đối với động cơ Stirling, sản phẩm cháy không tiếp xúc trực tiếp với các

bộ phận chuyển động nên cường độ mài mòn và ăn mòn thấp hơn,tuổi thọ động

cơ lớn hơn,lượng tiêu thụ dầu bôi trơn hầu như không đáng kể

+ Về cấu tạo thì động cơ Stirling đơn giản hơn nhiều so với động cơ đốttrong.Nó có ít chi tiết,ít bộ phận hơn,không có các hệ thống phức tạp như ở động

cơ đốt trong

*Tuy nhiên,động cơ Stirling cũng có những hạn chế không nhỏ trong vấn

đề một số vấn đề :

Vấn đề vật liệu chế tạo:các bộ phận trao đổi nhiệt như buồng đốt,bộ phậncấp nhiệt,bộ phận hồi nhiệt luôn tiếp xúc với nhiệt độ cao mà lại không làm mátnên dễ bị oxy hóa.Do đó phải được chế tạo bằng các vật liệu chịu nhiệt tốt,đắttiền.Hơn thế nữa,động cơ Stirling chỉ đạt được công suất và hiệu suất cao nhấtkhi lỗ trống bên trong cấu thành nên không gian chết của động cơ được giảmnhỏ tối thiểu,môi chất công tác phải là hydrogen và helium.Nhưng như thế thìdiện tích cho sự truyền nhiệt lại càng nhỏ và nhiều vật liệu sẽ trở nên giòn xốpkhi tiếp xúc với hai loại môi chất công tác trên ở nhiệt độ cao.Những điều nàylàm cho công nghệ chế tạo,công nghệ vật liệu và nhiệt luyện rất khó khăn.

Vấn đề làm mát:trong tổng số nhiệt lượng cung cấp cho động cơ,một phầnlập tức mất đi theo sự thoát khí,đây là nhiệt lượng mất mát vô ích.Nhiệt lượngcòn lại, một phần dịch chuyển thành công,một phần truyền cho bộ phần làmmát(cũng xem như là vô ích).Trong trường hợp động cơ diesel hoặc động cơxăng thì phần nhiệt bỏ đi bao gồm nhiệt lượng truyền cho hệ thống làm mát vànhiệt lượng theo khí xả ra ngoài.Đối với động cơ đốt trong,sự gia tăng nhiệt độnước làm mát sẽ làm tăng hiệu suất nhiệt.Nhưng đối với động cơ Stirling thì bất

kỳ sự gia tăng nhiệt độ Tmin nào của môi chất công tác cũng ảnh hưởng xấu đếncông suất riêng và hiệu suất của động cơ.Chính vì vậy bộ phận làm mát củađộng cơ Stirling phải lớn hơn để giữ nhiệt độ làm mát càng gần với nhiệt độkhông khí bao quanh càng tốt.So với bộ tản nhiệt của động cơ diesel cùng côngsuất thì động cơ Stirling lớn hơn gấp hai đến ba lần.Do đó muốn có một động cơStirling công suất cao với hệ thống làm mát không khí đơn giản là không thể có.Vấn đề làm kín:bao kín là vấn đề phức tạp đối với động cơ Stirling côngsuất cao bởi lẽ chỉ cần một sự rò rỉ môi chất công tác dù chỉ là rất nhỏ cũng ảnhhưởng rất xấu đến hiệu suất và công suất của động cơ.Đối với môi chất công táckhông phải là không khí thì cần phải có sự cung cấp thêm từ bên ngoài

Ngoài ra,còn một số khó khăn nữa trong việc chế tạo động cơ côngsuất lớn,đó là ứng suất nhiệt trong vật liệu của bộ hồi nhiệt ở giai đoạn chuyển

tiếp từ vùng nhiệt độ cao tới vùng nhiệt độ thấp,việc tránh các điểm nóng trong

bộ trao đổi nhiệt,sự vận hành và điều chỉnh động cơ,

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chu trình nhiệt động là một hoặc một số quá trình nhiệt động xảy ra liêntiếp nhau,sau khi thực hiện các quá trình đó,chất môi giới trở về trạng thái banđầu

Quá trình nhiệt động là quá trình biến đổi trạng thái của hệ một cách liêntục

Chu trình nhiệt động của động cơ Stirling bao gồm tất cả những sự thay đổi

về trạng thái của môi chất công tác diễn ra trong một giai đoạn làm việc tươngứng với một lần sinh công.Mục tiêu nghiên cứu chu trình nhiệt động của động

cơ nhiệt là xác định và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến hiệusuất của chu trình (η) và áp suất trung bình của môi chất công tác(p) và áp suất trung bình của môi chất công tác(pm) các chỉtiêu kinh tế kĩ thuật cơ bản của chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt,trên cơ sở

đó có cơ sở để tính toán thiết kế,đồng thời tìm biện pháp nâng cao hiệu suất vàcông suất của động cơ

Tương tự như ở động cơ đốt trong,chu trình nhiệt động thực tế của động cơStirling chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố khác nhau,các yếu tố đó lại ảnhhưởng tương tác lẫn nhau.Vì vậy,cho đến nay chỉ có thể xác định được hiệu suấtnhiệt của chu trình và áp suất trung bình của môi chất công tác của nó một cáchchính xác khi đã có động cơ thực tế.Nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của các thông

số và các quá trình nhiệt động cơ bản đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của chutrình,từ đó có thể đề ra các biện pháp tăng hiệu suất và năng suất của động cơthực tế,người ta thường đưa ra các giả định đơn giản hóa các quá trình nhiệtđộng thực tế để có thể xây dựng được các chu trình nhiệt động ngay từ trong giai

đoạn nghiên cứu lý thuyết hoặc trong gia đoạn thiết kế động cơ Tùy thuộc vàomức độ đơn giản hóa,chúng ta sẽ có chu trình lý thuyết hoặc chu trình của động

cơ nhiệt

2.1 CHU TRÌNH LÝ THUYÊT CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING

Chu trình lý thuyết của động cơ Stirling là chu trình nhiệt động của động

cơ Stirling được xây dựng dựa trên cơ sở những giả định đơn giản hóa các quátrình nhiệt động

2.1.1 CÁC GIẢ ĐỊNH ĐỂ ĐƠN GIẢN HÓA QUÁ TRÌNH NHIỆTĐỘNG

+ Nhiệt độ trong buồng giãn nở luôn được duy trì ở trị số Tmax,nhiệt độtrong buồng nén luôn được duy trì ở trị số Tmin.

+ Bộ hồi nhiệt nhận nhiệt và nhả nhiệt theo chu kỳ và luôn có mộtgradient nhiệt độ Tmax-Tmin qua mặt cắt của bộ hồi nhiệt

+ Không có không gian chết,tức là coi không gian rối giữa buồng nén vàbuồng giãn nở bằng không

+ Bỏ qua các tổn thất do ma sát khi các piston chuyển động và sự rò rỉ củamôi chất công tác

Giả sử điểm đầu của chu trình tương ứng với thời điểm piston đang ở điểmchết dưới (vị trí ngoài cùng bên phải) và piston giãn nở đang ở điểm chết trên(vịtrí trong cùng,gần sát với bộ hồi nhiệt) Tất cả môi chất công tác lúc đó đang ởtrong buồng nén,thể tích môi chất công tác là cực đại,vì vậy áo suất và nhiệt độcủa môi chất công tác có trị số nhỏ nhất,tương ứng với điểm 1 trên đồ thị P-V vàT-S (H.2.1)

Trong quá trình nén,piston nén di chuyển về phía điểm chết trên và pistongiãn nở được xem như là đứng yên.Môi chất công tác bị nén lại trong buồngnén,thể tích của nó giảm,áp suất tăng lên,nhiệt độ được duy trì không đổi ở trị số

Tmin do được làm mát.Nhiệt lượng truyền từ buồng mát ra môi trường xungquanh là QC. Quá trình nén lý thuyết được biểu diễn bằng đoạn 1-2 trên đồ thị.Trong quá trình tiếp theo,cả hai piston đều di chuyển đồng thời:piston nén

di chuyển về phía điểm chết trên(về phía bộ hồi nhiệt) còn piston giãn nở thì duchuyển về phía điểm chết dưới.Môi chất công tác di chuyển từ buồng nén sangbuồng giãn nở với thể tích không đổi.Trong khi đi qua bộ hồi nhiệt,môi chấtcông tác được sấy nóng từ nhiệt đồ Tmin lên đến nhiệt độ TR bởi lượng nhiệt nhận

từ bộ hồi nhiệt.Khi đi qua bộ cấp nhiệt,môi chất công tác được đốt nóng lên đếnnhiệt độ Tmax và đi vào buồng giãn nở.Sự gia tăng nhiệt độ khi đi qua bộ hồinhiệt và bộ cấp nhiệt ở thể tích không đổi sẽ làm gia tăng áp suất.Như vậy,quátrình cấp nhiệt cho môi chất công tác diễn ra trong điều kiện đẳng tích và được

biểu diễn bằng đoạn 2-3 Quá trình này kết thúc khi piston nén tới điểm chếttrên.

Tiếp theo,piston nén sẽ đứng yên tại điểm chết trên,piston giãn nở tiếp tục

bị môi chất công tác trong buồng giãn nở đấy về phía điểm chết dưới.Thể tíchcủa môi chất công tác tăng lên,áp suất giảm xuống nhưng nhiệt độ vẫn duy trì ởtrị số Tmax ,do môi chất công tác tiếp tục được cấp nhiệt lượng QE từ bộ cấpnhiệt.Giai đoạn này được biểu diễn bằng đoạn 3-4.Thời điểm cuối của quá trình

là khi piston giãn nở tới điểm chết dưới

Quá trình của chu trình là quá trình trong đó cả hai piston đều dịch chuyển

về phía trái để đưa môi chất công tác từ buồng giãn nở sang buồng nén.Khi điqua bộ hồi nhiệt,môi chất công tác nhả nhiệt cho bộ hồi nhiệt,nhiệt độ của nógiảm xuống giá trị Tmin và đi vào buồng nén.Quá trình này được thể hiện bằngđoạn 4-1.Như vậy,chu trình lý thuyết của động cơ Stirling được cấu thành bốnquá trình nhiệt động cơ bản như sau:

V 1

V 2

R Tmin

V dV¿Q=−R Tmin ln V 2

V 1=−RTmin ln

l

r=RTmin lnr ,(J/kg) (2.6)

Từ biểu thức G, ta suy ra:

1

Tmin∫1

Quá trình đẳng tích là quá trình tiến hành trong điều kiện thể tích của chất môigiới không đổi (V=const) Trong quá trình này,môi chất công tác được bộ hồinhiệt và bộ cấp nhiệt nung nóng từ nhiệt độ Tmin lên đến nhiệt độ Tmax Không cócông nào được thực hiện có sự tăng Entropy và nội năng của môi chất công tác:

 Phương trình biểu diễn quá trình:

3) Quá trình giãn nở đẳng nhiệt 3-4:

Tương tự như quá trình nén đẳng nhiệt 1-2, ở đây ta cũng có mối quan hệ giữacác thông số và các phương trình như sau:

∆ S=S4−S3=R lnr (2.15)

4) Quá trình làm lạnh đẳng tích 4-1:

Trong quá trình này,môi chất công tác truyền lại nhiệt cho bộ hồi nhiệt và

bộ làm mát,nhiệt độ của nó giảm từ Tmax xuống còn Tmin .Không có công thựchiện,có sự giảm nội năng và Entropy của môi chất công tác:

V4=V1=V max(2.16 )

p1=p4T 1

T 4=p4

Tmin Tmax=p4τ ,[m2 N ].(2.17)

Toàn bộ lượng nhiệt cung cấp ở nhiệt độ Tmax:

Biểu thức (2.19) cho thấy,với cùng nhiệt độ nguồn nóng (Tmax) và nhiệt độnguồn lạnh (Tmin), hiệu suất nhiệt của chu trình lý thuyết của động cơ Stirlingbằng hiệu suất chu trình Carnot.Điều này có nghĩa là:

Hiệu suất nhiệt lý thuyết của động cơ Stirling chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ ở bộcấp nhiệt (Tmax) và nhiệt độ ở bộ làm mát (Tmin).Tmax càng lớn và Tmin càng nhỏthì hiệu suất nhiệt lý thuyết càng cao

Với cùng Tmax và Tmin động cơ Stirling có hiệu suất nhiệt lý thuyết cao hơn hiệusuất lý thuyết của bất kỳ một động cơ nào khác

Ưu điểm chính của chu trình Stirling so với chu trình Carnot là ở chỗ thay thếhai quá trình đẳng Entropy bằng hai quá trình đẳng tích,vì thế mà gia tăng diệntích của biểu đồ P-V.Vì vậy,để có được số lượng lớn công từ chu trình Stirlingkhông cần đến áp suất và thể tích quét quá lớn như chu trình Carnot

Từ hai đồ thì trên ta thấy,với cùng nhiệt độ cực đại (Tmax) và nhiệt độ cựctiểu (Tmin),áp suất cực đại và dung tích công tác được vẽ chồng lên nhau thì côngsinh ra từ chu trình Stirling lớn hơn chu trình Carnot Diện tích hình cong 5-2-3

và 1-6-4 tượng trưng cho công bổ sung có được bằng cách thay thế quá trìnhđẳng Entropy bằng quá trình đẳng tích.Các quá trình đẳng nhiệt 1-5 và 3-6 củachu trình Carnot được mở rộng đến các quá trình 1-2 và 3-4 tương ứng Vìvậy,lượng nhiệt cung cấp và thoát ra của chu trình đều tăng cùng một tỉ lệ vớicông suất có được hiệu suất nhiệt của cả hai chu trình đều giống nhau.

2.1.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT THỰC TẾ

CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING

2.1.3.1 Ảnh hưởng do truyền nhiệt

Trong thực tế,do quá trình truyền nhiệt ở phần nóng và phần lạnh của động

cơ không hoàn toàn lý tưởng Ví dụ như nhiệt độ môi chất công tác không thểđảm bảo là hằng số trong suốt quá trình giãn nở và cũng không thể đảm bảo rằngluôn giữ được môi chất công tác ở điều kiện đẳng nhiệt từ đầu vào đến đầu racủa thiết bị hồi nhiệt Ta thấy rằng có sự sai lệnh với điều kiện đẳng nhiệt

1-2-3-4-1 là chu trình Stirling lý tưởng

1’-2’-3’-4-1 là chu trình thực tế của động cơ Stirling có kể đến ảnh hưởng củaquá trình truyền nhiệt

2.1.3.2 Ảnh hưởng do hồi nhiệt:

Thiết bị hồi nhiệt cần thiết để đảm bảo sao cho càng hoàn hảo càng tốt nếumuốn động cơ có hiệu suất cao Khi môi chất công tác thoát khỏi bộ hồi nhiệtđến phần lạnh của động cơ, nếu nhiệt độ không đạt đến điều kiện lý tưởng thì ápsuất của môi chất công tác phần lạnh sẽ tăng cao và áp suất của môi chất côngtác phần nóng sẽ giảm thấp.

Trên hình H.2.4, đường gấp khúc 1’-2’-3’-4’ là chu trình có kể đến ảnhhưởng do quá trình hồi nhiệt không hoàn toàn

2.1.3.3 Ảnh hưởng do quá trình rò rỉ môi chất công tác

Trong thực tế,mặc dù đã được làm kín một cách tốt nhất có thể,nhưng động

cơ Stirling làm việc cũng không thể tránh khỏi hiện tượng rò rỉ môi chất công

tác.Khi môi chất công tác bị rò rỉ thì hiệu suất thực tế của động cơ giảm,do đócần phải bổ sung môi chất công tác cho động cơ Stirling sau một thời gian làmviệc.Trên H.2.5, chu trình 1’2’3’4’1’ là chu trình có kể đến ảnh hưởng sự rò rỉmôi chất công tác.

2.1.3.4 Ảnh hưởng do không gian chết

Không gian chết sẽ làm giảm công sinh ra của chu trình bởi vì nó ảnhhưởng trực tiếp đến áp suất của chu trình.Không gian chết càng tăng thì áp suấtcàng giảm và công sinh ra của chu trình sẽ càng giảm xuống.Dễ dàng thấy đượcđiều này vì khi thể tích chết tăng lên thì phần môi chất công tác tham gia vàoquá trình trao đổi nhiệt càng giảm xuống.Kết quả là giảm công suất của độngcơ.Do đó,đã có một số động cơ dùng phương án thay đổi thể tích chết của động

cơ để điều khiển việc thay đổi công suất của động cơ.Hình H.2.6 thể hiện ảnhhưởng của không gian chết đến hiệu suất nhiệt thực tế,trong đó chu trình1’2’3’4’1’ là chu trình có kể đến ảnh hưởng của không gian chết

2.1.3.5 Ảnh hưởng do chuyển động của piston

Sự ảnh hưởng do chuyển động của piston được mô ta trên H.2-7

Thể tích lớn nhất và nhỏ nhất của chu trình vẫn giống như trường hợp lý tưởng ởtrạng thái a và b

2.1.3.6 Tổng ảnh hưởng của tất cả những sai lệch so với điều kiện lý tưởngTổng hợp tất cả ảnh hưởng đến quá trình làm việc của chu trình của động cơStirling có thể biểu diễn trên đồ thì p-V như hình dưới