Thiết kế động cơ stirling chạy bằng nguồn điện

Cũng như các loại động cơ đốt trong, động cơ Stirling cung cấp công theo mộtchu trình, trong đó piston nén khí ở nhiệt độ thấp vàcho khí giãn nở ở nhiệt độ cao... Trong tất cả các loại đ

b»ng nguơn ®iÖn

MỤC LỤC

TrangLỜI NÓI ĐẦU

b»ng nguơn ®iÖn

LỜI NÓI ĐẦUTừ lâu nay, vấn đề năng lượng là một vấn đềquan tâm hàng đầu của mọi người Nguồn dầu mỏtrên thế giới dù rất phong phú, nhưng sự khai khácdầu mỏ một cách ồ ạt như hiện nay đã làm chonguồn dầu mỏ ngày càng cạn kiệt dần, do đó giádầu sẽ tăng cao Hơn nữa, trong thời đại ngày nay, khimà vấn đề môi trường đang là vấn đề toàn cầu, môitrường đang bị ô nhiễm nặng, mà một trong nhữngnguyên nhân chính đó là do khí thải của động cơ Nồngđộ của những chất gây ô nhiễm trong khí xả động cơnhư NOx , CO, HC, bồ hóng có xu hướng gia tăng mạnhmẽ cùng với sự gia tăng nồng độ CO2, chất khí gâyhiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ bầu khí quyển,đã là đề tài bàn cãi ở nhiều diễn đàn quốc tế và khuvực

Tất cả những vấn đề đó, đòi hỏi ngành động cơphải có những giải pháp thích hợp Động cơ đốt trongngày nay dần dần sẽ được thay thế bằng các loạiđộng cơ khác, trong đó động cơ Stirling đang được sựquan tâm của nhiều người Đây là loại động cơ đốtngoài sử dụng môi chất công tác thể khí Động cơ cókết cấu đơn giản, không có các hệ thống phức tạpnhư hệ thống điện, hệ thống phun nhiên liệu Động

b»ng nguơn ®iÖn

cơ Stirling cung cấp công theo một chu trình trong đópiston nén khí ở nhiệt độ thấp và cho khí giãn nở ởnhiệt độ cao Động cơ này có thể dùng bất kỳ nguồnnhiệt nào, qúa trình cấp nhiệt có thể thực hiện bêntrong hay bên ngoài xylanh

Ở đồ án tốt nghiệp này, em giới thiệu tổng quátvề động cơ nhiệt và động cơ Stirling, nêu mục đíchnghiên cứu, tìm hiểu các loại kết cấu khác nhau củađộng cơ, nêu ưu nhược điểm của nó, tìm hiểu nguyênlý hoạt động của động cơ Stirling bằng hình ảnhđộng, nghiên cứu lý thuyết và thiết kế một động cơStirling chạy bằng nguồn điện làm cơ sở để nghiêncứu phát triển các loại động cơ Stirling khác

Trong quá trình hoàn thành đồ án, mặc dù bảnthân em đã cố gắng, nhưng chắc không tránh khỏi saisót Vì vậy em mong được sự chỉ bảo của thầy cô vàcác bạn để việc nghiên cứu thiết kế động cơ đượchoàn thiện hơn

Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy Trần Văn Namvà các thầy cô giáo đã giúp đỡ để em hoàn thành đồán này

Đà Nẵng, ngày 25 tháng 5

năm 2003 Sinh viênthực hiện

b»ng nguơn ®iÖn

Bùi VănCảng

1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ STIRLING

1.1 GIỚI THIỆU

Động cơ stirling là loại động cơ nhiệt kiểu piston,được đặt tên theo người sáng chế ra nó, ông RobertStirling Năm 1816 [5], khi động cơ hơi nước vận hành ởmọi nơi, Robert Stirling đã sáng chế ra một loại động

cơ mới- động cơ Stirling (hình 1.1) Đây là loại động cơsử dụng buồng đốt ngoài, công được tạo ra do sựgiãn nở khí ở nhiệt độ cao Cũng như các loại động

cơ đốt trong, động cơ Stirling cung cấp công theo mộtchu trình, trong đó piston nén khí ở nhiệt độ thấp vàcho khí giãn nở ở nhiệt độ cao

Trong thế kỷ này, khi con người bắt đầu nghĩ vềmôi trường thì động cơ Stirling đang được quan tâm đặcbiệt bởi quá trình hoạt động của động cơ rất êm,

b»ng nguơn ®iÖn

hiệu suất cao và thải sạch nhờ sử dụng các nguồnnhiệt sạch hoặc ít gây ô nhiễm hơn Động cơ có thểsử dụng bất kỳ nguồn nhiệt nào, điều này cho phépsử dụng những nguồn nhiệt thông thường như nguồnnhiệt do đốt cháy than củi, rác rưởi , và nhất là cóthể sử dụng nguồn nhiệt từ năng lượng mặt trời

Về công nghệ động cơ Stirling có kết cấu đơngiản, vì vậy loại động cơ này có thể chế tạo tươngđối dễ dàng tại các cơ sở cơ khí ở nước ta

Một trong những hướng phát triển động cơ Stirlinglà chế tạo những động cơ cỡ nhỏ để cung cấp công

cơ học trên tàu thuyền rất được quan tâm do chúng tacó nhiều phương án thiết kế gọn nhẹ để nâng caocông suất riêng của động cơ

Những nghiên cứu phát triển ứng dụng động cơStirling trên phương tiện vận chuyển cũng đã đượccác nhà sản xuất ôtô quan tâm Mặt khác do nó có thểbiến đổi nhiệt trực tiếp từ năng lượng mặt trờithành công nên nó đã được nghiên cứu ứng dụng trêncác con tàu không gian từ năm 1995 [2]

1.2 MỘT VÀI MÔ HÌNH ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING

Để hiểu hơn về động cơ Stirling ta hãy xem xétmột số hình ảnh động của động cơ Stirling sau đây [6]

b»ng nguơn ®iÖn

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, piston lạnh di chuyển xuống phía dưới trong một phần tư vòng quay của trục khuỷu

Quá trình giãn nở (expansion): Hai piston đều di chuyển về phía dưới Năng lượng được sử dụng đểsinh công

Quá trình làm lạnh (cool): Trục khuỷu quay nhờ năng lượng của bánh đà Piston nóng tiếp tục di

chuyển về phía dưới và piston lạnh di chuyển về

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

b»ng nguơn ®iÖn

Quá trình nén (compression): Hai piston đều di

chuyển về phía trên Năng lượng được tích trữ 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:

Hình 1.3 Động cơ Stirling kiểu con trượt.

Môi chất công tác: giãn nở khi được cấp nhiệt và co lại khi được làm lạnh

Con trượt: làm chuyển dời không khí và thay đổi áp suất động cơ Aïp suất tăng lên khi con trượt ở vị trí trên của xylanh, áp suất giảm khi con trượt ở vị trí dưới của xylanh

b»ng nguơn ®iÖn

Pis ton lực: khi động cơ được nén đến áp suất lớn nhất nhờ sự vận hành của con trượt, piston lực giãn nở làm vận hành động cơ

1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN ĐỘNG CƠ NHIỆT VÀ ĐỘNG

CƠ STIRLING

Động cơ nhiệt là một thiết bị động lực, dùngđể biến đổi nhiệt năng thành cơ năng Nhiệt năng cóđược là do đốt cháy nhiên liệu Ngày nay, động cơnhiệt được gắn trên ôtô, máy kéo, máy bay, xe gắn

Trang 14

b»ng nguơn ®iÖn

máy hai bánh, máy bơm nước Người ta ước tính [2]hơn 80% công cơ năng trên thế giới hiện nay do động cơnhiệt cung cấp

Động cơ nhiệt có bề dày lịch sử hơn 200 năm [2],năm 1769, James Watt đã được cấp bằng sáng chế vềđộng cơ hơi nước Động cơ hơi nước có thể xem làmột phát minh tiên phong, mở ra một thời kỳ phát triểnthịnh vượng của các loại động cơ nhiệt

Trong tất cả các loại động cơ nhiệt, nhiệt lượng

do nhiên liệu đốt tạo ra được chuyển thành công cóích thì động cơ đốt trong được dùng rộng rãi nhấtvới số lượng lớn nhất Tổng công suất do động cơđốt trong tạo ra chiếm khoảng 90% công suất thiết bịđộng lực do mọi nguồn năng lượng tạo ra [3] (nhiệtnăng, thủy năng, năng lượng nguyên tử, năng lượngmặt trời ) Động cơ đốt trong bao gồm: động cơ đốttrong piston, tua bin khí và động cơ phản lực (hình 1.2)

Năm 1876, Nicolas Otto, người Đức, sau một thờigian dài nghiên cứu đã chế tạo thành công động cơhoạt động theo nguyên tắc 4 thì, vừa có thể chạy gavừa có thể chạy xăng Đây Là động cơ nguyên thủycủa động cơ Diesel và động cơ Xăng ngày nay

1

5 6

11 7

8 15

b) 10 Khí xả

b»ng nguơn ®iÖn

Hình 1.2 Các loại động cơ đốt trong

a) Động cơ đốt trong pittông; b) Tuabin khí; c) Động

cơ phản lực

1- Cácte lắp trục khuỷu; 2- xylanh; 3- nắp xylanh; pittông; 5- thanh truyền; 6- trục khuỷu; 7- bơm nhiênliệu; 8- buồng cháy; 9 - lỗ phun vào cánh tuabin; 10

4 tuabin; 114 máy nén; 12 4 bình chứa nhiên liệu; 134 bình chứa chất oxy hóa; 14- bơm; 15- miệng phunphản lực

13-Động cơ Stirling xuất hiện khá sớm, với tên gọitrước đây là động cơ khí nóng, đựơc đưa ra lần đầutiên bởi một mục sư người Scotland, có tên là RobertStirling vào năm 1816 Sau một thời gian phát triển, tínhnăng ưu việt về công suất riêng của động cơ hơi nướcđã làm lu mờ động cơ Stirling Tuy nhiên, động cơ Stirlingvẫn được quan tâm trong suốt thế kỷ 19 bởi tính chấtđặc biệt của động cơ này đó là: nếu chu trình nhiệt

b»ng nguơn ®iÖn

động học được thực tiễn hóa thì hiệu suất củađộng cơ Stirling sẽ giống như hiệu suất của chu trìnhCarnot, tức là hiệu suất lý thuyết cực đại có đượccủa bất kỳ động cơ nhiệt nào

Ngày nay, với sự cạn kiệt dần của nguồn nănglượng truyền thống như dầu mỏ, than đá và dướisức ép của vấn đề môi trường ngày càng bị ô nhiễmnặng thì động cơ Stirling đang được sự quan tâm hàngđầu bởi các nhà nghiên cứu và sản xuất

Năm 1938, công ty N.V.Philips Glaxilampen Fabriekencủa Hà Lan bắt đầu nghiên cứu và chế tạo động cơStirling cung cấp cho thị trường [5]

1.3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Từ khi ra đời cho đến nay, động cơ stirling đã đượcsự quan tâm đặc biệt của nhiều nhà khoa học và cácnhà sản xuất bởi các đặc điểm nổi bật sau: hoạtđộng rất êm, sử dụng được nhiều nguồn nhiệt khácnhau, giảm đáng kể ô nhiễm môi trường, động cơ cókết cấu đơn giản, dễ chế tạo và đặc biệt là động

cơ có thể đạt được hiệu suất cực đại của bất kỳđộng cơ nhiệt nào Vì thế động cơ Stirling đã được thínghiệm và sử dụng trong các lĩnh vực sau: máy làmlạnh, động cơ phát điện, động cơ tàu thủy, động cơôtô, động cơ máy bay, sử dụng trên các vệ tinh trongkhông gian

b»ng nguơn ®iÖn

Hơn nữa nguồn nhiên liệu dầu mỏ trên thế giớihiện nay đang cạn kiệt dần và vấn đề môi trườngđang đòi hỏi phải giảm bớt mức độ ô nhiễm, vì vậy taphải tìm ra những hướng giải quyết, đó chính là nghiêncứu sử dụng động cơ Stirling Một động cơ có thể sửdụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau, đặc biệt làcó thể sử dụng nguồn năng lượng vô tận từ mặtmặt trời - là những nguồn năng lượng ít hoặc khônggây ô nhiễm

2 CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG HỌC STIRLING

2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CHU TRÌNH NHIỆTĐỘNG HỌC

Chu trình Stirling có thể xem là tương đương với chutrình Carnot Chu trình này được minh họa ở hình 2.1

Ta hãy tưởng tượng một xi lanh chứa hai piston đốiđỉnh nhau, với bộ hoàn nhiệt (Regenerator) ở giữa Bộhoàn nhiệt là bộ phận lần lượt nhả và hấp thụnhiệt Một trong hai buồng giữa piston và bộ hoànnhiệt là buồng giãn nở (Expansion space), buồng nàyluôn được duy trì ở nhiệt độ cao ( Tmax ) Buồng còn lạilà buồng nén (Compression space), luôn được duy trì ởnhiệt độ thấp ( Tmin ) Do đó luôn có một gradientnhiệt độ ( Tmax- Tmin ) qua bề mặt cắt ngang của bộhoàn nhiệt

b»ng nguơn ®iÖn

Cũng như trong chu trình Carnot, người ta giả địnhlà các piston di chuyển không có ma sát và không có sựrò rỉ môi chất công tác

Để bắt đầu chu trình, chúng ta giả định rằngpiston nén đang ở điểm chết ngoài, và piston giãn nởđang ở điểm chết trong, nằm sát với bộ hoàn nhiệt.Tất cả môi chất công tác lúc đó đang ở trong buồngnén, thể tích cực đại, cho nên áp suất và nhiệt độcó giá trị nhỏ nhất, đặc trưng bởi điểm 1 trên đồ thịP- V và T- S

Trong quá trình nén (quá trình 1- 2), piston nén dichuyển về phía điểm chết trong và piston buồng giãnnở được xem như đứng yên Môi chất công tác bị nénlại trong buồng nén, và áp suất bắt đầu tăng lên.Nhiệt độ vẫn được duy trì không đổi bởi nhiệt lượng

Qc bị hút ra từ xylanh buồng nén ra môi trường khôngkhí xung quanh

Trong quá trình chuyển tiếp 2- 3, cả hai piston đều

di chuyển đồng thời Piston nén đi về phía bộ hoànnhiệt, còn piston giãn nở thì di chuyển ngược lại Thểtích ở giữa chúng vẫn duy trì ở nhiệt độ không đổi

Vì vậy môi chất công tác sẽ dịch chuyển từ buồngnén qua lớp kim loại xốp của bộ hoàn nhiệt đếnbuồng giãn nở Trong khi đi ngang qua bộ hoàn nhiệt,môi chất công tác được nung nóng từ nhiệt độ Tmin bởilượng nhiệt truyền từ bộ hoàn nhiệt và thoát khỏi

Trang 19

b»ng nguơn ®iÖn

nó để đi vào buồng giãn nở ở nhiệt độ Tmax Sự giatăng dần nhiệt độ trong khi đi qua bộ hoàn nhiệt ởthể tích không đổi làm gia tăng áp suất trong xylanh

Trong quá trình giãn nở 3- 4, piston giãn nở tiếp tục

đi xa khỏi bộ hoàn nhiệt về phía điểm chết ngoài.Piston nén vẫn đứng yên một chỗ tại điểm chết trongsát với bộ hoàn nhiệt Khi giãn nở, áp suất trongxylanh giảm xuống và thể tích tăng lên Nhiệt độ vẫngiữ nguyên nhờ nhiệt lượng Q1 bổ sung vào hệ thốngtừ nguồn nhiệt bên ngoài

Bïi V¨n C¶ng – Líp 98C4A

3

4

1 2

1 2

P

V

T

S a)

Tmin

TMax

(1)

(3)(2)

(4)

Buơng nÐn

Bĩ hoµn nhiÖtBuơng gi·n nị

(4)

(3)(2)(1)

Th

n

Kho¶ng dÞch chuyÓn

c - Đồ thị Thời gian - Khoảng dịch chuyển

Quá trình cuối của chu trình là quá trình dịchchuyển 4- 1 Trong đó cả hai piston đều đồng thời dịchchuyển, để đưa môi chất công tác ở thể tích khôngđổi trở lại qua bộ hoàn nhiệt và buồng giãn nở đếnbuồng nén Trong khi đi qua bộ hoàn nhiệt, nhiệt đượctruyền từ môi chất công tác sang bộ hoàn nhiệt Vìvậy môi chất công tác sẽ giảm nhiệt độ xuống Tmin

trong buồng nén Nhiệt độ của quá trình được chứatrong bộ hoàn nhiệt dùng để truyền cho môi chất côngtác trong quá trình 2- 3 của chu trình tiếp theo

b»ng nguơn ®iÖn

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

a Quá trình 1- 2: Nén đẳng nhiệt

Truyền nhiệt từ môi chất công tác ở 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 chấtcông tác

c Quá trình 3 - 4: Giãn nở 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 hoànnhiệt

Nếu lượng nhiệt truyền trong quá trình 2- 3, cócùng giá trị với lượng nhiệt truyền trong quá trình 4-

1, thì sự truyền nhiệt giữa động cơ và môi trườngbên ngoài chỉ bao gồm lượng nhiệt cung cấp ở nhiệtđộ Tmax và lượng nhiệt thoát ra ở nhiệt độ Tmin

2.2 HIỆU SUẤT NHIỆT LÝ THUYẾT

Sự cấp nhiệt và thoát nhiệt ở nhiệt độ khôngđổi này của động cơ Stirling thỏa mãn yêu cầu củađịnh luật nhiệt động học thứ hai đối với hiệu suấtnhiệt tối đa [1] Vì vậy hiệu suất nhiệt của chu trình

b»ng nguơn ®iÖn

Stirling cũng giống như chu trình carnot, nghĩa là hiệu

suất nhiệt của động cơ Stirling  =

max

min max

Hình 2.2 Chu trình Stirling và chu trình carnot.

Hai chu trình được vẽ chồng lên nhau, với cùng giátrị nhiệt độ T và Tmax min , áp suất, thể tích Phần diệntích gạch chéo trên đồ thị P- V tượng trưng cho cônggia tăng đối với chu trình Stirling Phần diện tích gạchchéo trên đồ thị T- S đặc trưng lượng nhiệt truyền giatăng của chu trình Stirling

S V

T P

4 2

6 3

1 5

2

T max

T mi n

6

b»ng nguơn ®iÖn

So sánh biểu đồ P- V của chu trình Stirling và chutrình Carnot, giữa các giới hạn đã cho về áp suất, thểtích và nhiệt độ, được chỉ rõ ở hình 2.2 Diện tíchgạch chéo 5- 2- 3 và 1- 6- 4 tượng trưng cho công bổsung có được bằng cách thay thế các quá trình đoạnnhiệt bằng các quá trình đẳng tích Các quá trìnhđẳng nhiệt (1- 5 và 3- 6) của chu trình Carnot được mởrộng đến quá trình 1- 2 và 3- 4 tương ứng cho chu trìnhStirling Vì vậy, lượng nhiệt cung cấp và thoát ra củachu trình Stirling đều tăng cùng một tỷ lệ với công suấtcó được Hiệu suất nhiệt của hai chu trình đều giốngnhau

3 PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ STIRLING

b»ng nguơn ®iÖn

3.1 GIỚI THIỆU

Kết cấu một động cơ Stirling bao gồm hai buồngcó nhiệt độ khác nhau, hai buồng đó được nối vớinhau qua bộ hoàn nhiệt, và có các nguồn nhiệt nónglạnh khác nhau cung cấp cho động cơ

Động cơ mang tên Stirling được gọi cho các động

cơ hoàn nhiệt mà dòng môi chất công tác được điềukhiển bởi sự thay đổi thể tích Còn động cơ mang tênEricson là các động cơ mà dòng môi chất công tácđược điều khiển bởi các van Những tên gọi nàyđược chọn nhằm thống nhất về tên gọi các loạiđộng cơ con trượt hoàn nhiệt, bởi vì không có sựphân biệt đặc trưng rõ rệt nào được xác định giữacác loại động cơ này

Ta biết rằng, tất cả các loại động cơ do RobertStirling chế tạo là loại động cơ có chu trình kín, trongđó dòng môi chất công tác được điều khiển bởi sựthay đổi thể tích Trong khi đó thì Jonh Ericson lại sảnsuất cả hai loại động cơ: động cơ điều khiển dòng môichất công tác bằng cách thay đổi thể tích và động cơđiều khiển dòng môi chất công tác bằng cách thay đổicác van

3.2 CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ STIRLING

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

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

A- piston, B- con trượt, C- buồng giãn nở, D- buồngnén, E- bộ hoàn nhiệt, F- bộ làm nóng, G- bộ làmnguội

Sự khác biệt cơ bản giữa piston và con trượt là

ở chỗ: piston được lắp với phớt chắn khí để ngăn

Động cơ hai piston

Piston - con trượt xylanh riêng

b»ng nguơn ®iÖn

không cho khí đi từ phía này sang phía khác, còn contrượt thì không Vì vậy, áp suất của môi chất công táctrên và dưới con trượt đều không gây ra tổn thất dòngkhí động lực học và môi chất chuyển động qua lại.Con trượt thì không sinh công trên môi chất công tác,nhưng làm dịch chuyển môi chất công tác từ phía nàysang phía khác của con trượt

Trong trường hợp của piston, áp suất của môi chấtcông tác trên và dưới piston là không giống nhau Côngđược tạo ra bởi môi chất công tác giãn nở ở nhiệt độcao tạo ra áp suất tác dụng lên piston, đẩy piston dịchchuyển trong xy lanh

Trong một số động cơ, con trượt được làm mộtphần hoặc toàn bộ bằng khung kim loại xốp, và bảnthân nó đóng vai trò của một bộ hoàn nhiệt Contrượt này gọi là con trượt hoàn nhiệt và động cơnày gọi là động cơ con trượt hoàn nhiệt

3.2.1 Động cơ piston con trượt

3.2.1.1 Động cơ piston con trượt xy lanh đơn:

Các kết cấu khác nhau của động cơ piston - contrượt xylanh đơn được thể hiện ở hinh 3.2

Loại động cơ dẫn động bằng trục khuỷu đãđược Robert Stirling chế tạo với con trượt hoàn nhiệtgọi là loại Stirling, và loại động cơ dẫn động bằngtrục khuỷu được bố trí bộ hoàn nhiệt riêng biệt ởbên ngoài gọi là loại Rankine- Napier

b»ng nguơn ®iÖn

Loại động cơ piston tự do gần đây đã được đưavào áp dụng bởi giáo sư Beale của đại học Ohio gọilà loại Beale

Trong loại động cơ piston con trượt xylanh đơn còncó loại động cơ mà xylanh dao động gọi là loại xylanhdao động

Hình 3.2 Các kết cấu khác nhau của động cơ piston con trượt xylanh đơn.

3.2.1.2 Động cơ piston con trượt xy lanh riêng:

Các kết cấu khác nhau của loại động cơ con trượt xy lanh riêng được trình bày trên hình 3.3

piston-Xylanh dao

động

Động cơ piston con trượt xylanh

đơn

( Stirling

Piston tự do

Con trượt

hoàn nhiệt

Dẫn động bằng trục khuỷu

( Rankine - Napier ) Bộ hoàn nhiệt bên ngoài

b»ng nguơn ®iÖn

Loại động cơ có con trượt hoàn nhiệt song songvới xylanh lực là loại động cơ Lanbereaw Schwarzkopff,và loại động cơ có bộ hoàn nhiệt riêng nằm ở bênngoài là loại động cơ Heinrici Một loại động cơ piston-con trượt hai xylanh riêng khác có tên gọi Robinson làloại kết cấu mà trục xylanh nghiêng một góc 900, cócon trượt hoàn nhiệt Một kết cấu khác khá đặcbiệt do H.Raibow của công ty Bristol thiết kế với haipiston và một con trượt đơn có hai xylanh giãn nởchung

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

(Heinrici)

Xylanh song song bộ hoàn nhiệt bên ngoài

(Robinson)

Hai xylanh thẳng góc con trượt hoàn nhiệt

(Rainbo w)

b»ng nguơn ®iÖn

3.2.2 Động cơ piston:

Các kết cấu khác nhau của động cơ hai piston tácdụng đơn được chỉ rõ trên hình 3.4 Loại kết cấu nàybao gồm một số động cơ hai piston, ba loại với cácxylanh cố định (hai xylanh song song, hai xylanh hình chữ

V và hai xylanh đối đỉnh nhau) và một loại có xylanhquay (có bốn piston)

Trong số này loại có kết cấu các xylanh song songgọi là loại Rider, nó được sản xuất với số lượngnhỏ trong thế kỷ 19

Hình 3.4 Các kết cấu khác nhau của động cơ hai piston tác dụng đơn.

Xylanh đối đỉnh

Xylanh hình chữ V

( Rider )

Xylanh song song

b»ng nguơn ®iÖn

Hai dạng của động cơ nhiều piston tác dụng képđược chỉ rõ ở hình 3.5 Loại kết cấu do Finkelsteinthiết kế, bao gồm hai xylanh (mỗi xylanh gồm mộtpiston tác dụng kép), được kết hợp để hoạt độngnhư là một động cơ hai xylanh chu trình đôi gọi là loạiFinkelstein Một xylanh có hai buồng nén, và xylanh cònlại có hai buồng giãn nở, vì vậy có khả năng của sựphân chia hoàn toàn vật lý của các vùng nóng và vùnglạnh của động cơ

Các xylanh kề cận nối nhau

thành một hệ

( Finkelstein )

Hai xylanh chung hệ thống Nén trong một xylanh và giãn nở trong một xylanh

khác.

Động cơ nhiều piston tác

dụng kép

Kết cấu của loại nhiều xylanh thẳng hàng khôngđược thích hợp lắm, bởi vì các buồng xa nhau đượcnối với nhau bằng một đường ống rất dài

Động cơ Rinia đựơc phát minh vào thời kỳ đầutiên của công ty Phillips Sau này nó bị bỏ đi vì sự phứctạp của việc bôi trơn và làm kín Nhưng mà nó đãđược phát triển như là một loại động cơ công suấtcao dùng cho ôtô

3.3 SO SÁNH CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ STIRLING

3.3.1 Động cơ piston- con trượt với động cơ

piston:

Ta đã biết, có rất nhiều loại kết cấu khác nhaucủa động cơ piston- con trượt và động cơ nhiều piston.Một trong số đó đã được phát triển trong lĩnh vựcthương mại Trong tất cả các loại đó không có loại

b»ng nguơn ®iÖn

nào có kết cấu tối ưu nhất, nhưng có một số yếutố chính dẫn đến sự lựa chọn thích hợp Đối vớiloại động cơ piston- con trượt xylanh đơn, được lựachọn cho phần lớn các loại động cơ kích thước nhỏ.Trong các loại động cơ lớn hơn, việc lựa chọn nằmgiữa động cơ piston- con trượt nhiều xylanh đơn trênmột trục khuỷu chung hoặc là động cơ nhiều xylanhloại Rinia hay Finkelstein

Một lý do quan trọng cho việc lựa chọn động cơpiston- con trượt hơn là động cơ nhiều piston là ở chỗđộng cơ đa piston thường gặp phải trở ngại trong việcbao kín Trong trường ba loại động cơ ở hình 3.1, roăngbao kín môi chất công tác phải có ở tất cả các piston,hai trong trường hợp cho động `cơ hai piston, và mộttrường hợp cho động cơ piston- con trượt, một roăngbao kín bổ sung cần thiết cho thanh truyền con trượt.Roăng bao kín cho thanh truyền con trượt nhỏ hơn nhiều

so với roăng bao kín piston, sự rò rỉ môi chất công tácvà ma sát ít hơn Điều này có lẽ là ưu điểm thuận lợinhất của động cơ piston- con trượt, bởi vì vấn đề baokín là rất khó, đặc biệt là khi môi chất công tác khôngphải là không khí Một ưu điểm nữa của động cơpiston- con trượt là khối lượng chuyển động tịnhtiến toàn bộ có thể nhỏ hơn ở động cơ nhiều piston,chính điều này làm động cơ dễ cân bằng và giảm bớtrung động Mặt khác con trượt không tạo ra công mà

ma sát.

Công suất của động cơ Stirling (theo cách tính gầnđúng) là một hàm tuyến tính của áp suất môi chấtcông tác Vì vậy, để có thể nâng cao được công suấtriêng của động cơ Stirling ta có thể dùng biện pháp tăngáp cho động cơ

Ở những động cơ nhỏ, việc tăng áp hợp trụckhuỷu rất thuận tiện Điều này không chỉ giảm nhẹnhiệm vụ bao kín của roăng, mà còn giảm bớt yêu cầuvề độ bền của cụm piston thanh truyền và cả ổ đỡ.Thực tế cho thấy là với hợp trục khuỷu có áp suấtcao, sự chênh lệch áp suất ngang qua piston đượcgiảm xuống còn (Pxylanh- Ptrụckhuỷu ), thay vì ( Pxylanh- Pkhôngkhí )đối với một hợp trục khuỷu thông thường Do đó cóthể giảm trọng lượng, giảm ma sát cơ khí các ổ đỡvà ma sát các roăng bao kín

3.3.2 Động cơ piston- con trượt xylanh đơn với

động cơ piston- con trượt xylanh riêng:

Có hai ưu điểm của động cơ piston- con trượtxylanh đơn so với động cơ piston- con trượt xylanh riêng

b»ng nguơn ®iÖn

Ưu điểm thứ nhất đó là trong động cơ hai xylanh(hình 3.1b), buồng nén được phân chia giữa xylanh contrượt và xylanh piston bao gồm cả đường nối haixylanh, không gian này không thể giảm xuống bằngkhông Vì vậy, buồng nén có thể tích khe hở lớn, dẫnđến sự giảm công suất động cơ

Ưu điểm thứ hai của động cơ piston con trượtxylanh đơn là mỗi vòng quay, con trượt và piston cùngquét một phần của xylanh ở các thời điểm khác nhau,và nó thể hiện cho sự sử dụng hiệu quả nhất thểtích xylanh động cơ

4 THIẾT KẾ TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ STIRLING

b»ng nguơn ®iÖn

4.1 CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ CƠ BẢN

Các thông số thiết kế độc lập cơ bản của động

4 Góc lệch pha , góc mà sự thay đổi thể tíchtrong buồng giãn nở dẫn đến sự thay đổi thể tíchtrong buồng nén

5 Áp suất của môi chất công tác P, được thểhiện bằng áp suất cực đại Pmax hoặc áp suất trungbình Pmean

6 Tốc độ của động cơ N

7 Kích thước xylanh và hành trình piston của buồnggiãn nở

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

8 Thể tích tức thời của buồng giãn nở: Ve=

)cos

12 Tỷ số áp suất: Pmax / Pmin = (1+ ) (1- ).

13 Áp suất trung bình: Pmean = Pmax [(1 - ) / (1+ )]1/ 2

14 Công suất thực của chu trình:

P = (PmaxVT) 

1k

2

k1

11

)sin)(

cos1

)(

1(RT

2 2

C

Hiệu suất nhiệt:  =

E

C E

b»ng nguơn ®iÖn

QE = PminVE

2

11

11

sin1

2

k1

11

sincos

1RT

2 2

C

20 Hệ số làm lạnh (Cop):

 =

C E

E

TT

T

 =



11

21 Nhiệt lượng truyền từ buồng nén đến bộlàm mát:

sin1

2

k1

11

sincos

1RT

2 2

C

25 Hệ số bơm nhiệt (Cop):

 =

C E

C

TT

26 Nhiệt lượng truyền từ buồng giãn nở (nguồnnóng):

QE = QC / 

27 Công suất yêu cầu để dẫn động bơm nhiệt:

P = QC(1- ) / 4.2 ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ KHÁC NHAU ĐẾNĐỘNG CƠ STIRLING

Từ các phương trình của chu trình Schmidt đãđược tìm hiểu ở trên thì công suất chu trình và nhiệtlượng ở các bộ trao đổi nhiệt là các hàm số tuyếntính với tốc độ động cơ (N), áp suất của môi chấtcông tác (Pmax) và kích thước của động cơ - được biểuhiện bằng thể tích quét toàn bộ (VT)

Ảnh hưởng của bốn thông số thiết kế cơ bản (,

k, và X) tác động lên hiệu suất động cơ ít rõ rànghơn Rất khó có thể xác định sự kết hợp nào giữa

Trang 39

b»ng nguơn ®iÖn

chúng để có thể đạt được hiệu suất tối đa Nhưngxác định các thông số này là một điều rất quan trọngcần được nghiên cứu, bởi vì các thông số cần phảiđược xác định ở giai đoạn thiết kế (ngoại trừ tỷ sốnhiệt độ )

Đồ thị trên các hình 4.1 đến hình 4.4 biểu thị sựảnh hưởng thông số công suất của chu trình ( P/ PmaxVT)theo sự thay đổi của một trong bốn thông số , k, và

X trong khi ba thông số còn lại không đổi

Đồ thị hình 4.1 cho thấy ảnh hưởng của thông sốcông suất không thứ nguyên( P/ PmaxVT) theo sự thay đổinhiệt độ buồng giãn nở TE với nhiệt độ buồng nén TC

không đổi ở 300oK, góc lệch pha  = 90o, tỷ số thể tíchquét k = 0,8 và tỷ số thể tích chết X =1,0

Theo đồ thị ta thấy ở nhiệt độ buồng giãn nở TE

dưới 300oK,  > 1 thông số công suất là âm, bởi vì chutrình hoạt động nhiệt là một chu trình làm lạnh, yêucầu một công suất thêm vào

0.1 0.0

- 0.1

800 400

Khi TE > TC , công suất là dương và có giá trị liêntục tăng khi TE tăng.

Khi TE < TC , tức là ở chế độ họat động của máylàm lạnh Khi TE giảm xuống thì sẽ có sự gia tăng củacông suất yêu cầu để dẫn động máy

Có thể thấy rõ là đối với các động cơ, công suấtcó thể tăng lên bằng việc sử dụng các vật liệu củaxylanh giãn nở và bộ trao đổi nhiệt chịu được nhiệtđộ cao, và đối máy làm lạnh, nhiệt độ làm lạnhcàng cao càng tốt

Đồ thị hình 4.2, cho thấy sự ảnh hưởng của thôngsố công suất không thứ nguyên (P/ PmaxVT) theo sự thayđổi của tỷ số thể tích quét k, với các giá trị không

b»ng nguơn ®iÖn

đổi của Tỷ số nhiệt độ  = 0,25 và 0,5; góc lệch pha 

= 900 và Tỷ số thể tích chết X = 1,0

Hình 4.2 Ảnh hưởng của tỷ số thể tích quét k đến công suất chu trình.

Trên hai đường cong này, với các giá trị khác nhaucủa , giá trị cực đại của công suất chu trình khôngxảy ra tại một giá trị chung của k Không có giá trịchung tối ưu nhất cho k, bời vì trị số tối ưu nhất tùythuộc vào sự kết hợp giữa các thông số ,  và x

Đồ thị cho thấy ảnh hưởng của tỷ số thể tíchquét k đến công suất động cơ Hai đường cong chothấy, với các giá trị cho trước của ,  và X thì sẽ cómột giá trị tối ưu của k, mà ở đó thông số công suấtđạt giá trị cực đại

0,2

 =

0,25 0,1

Trang 42

b»ng nguơn ®iÖn

So sánh hai đường cong có  = 0,25 và  = 0,5; tathấy giá trị k tối ưu không là hằng số mà thay đổi: kgần bằng 0,75 khi  = 0,25 và gần bằng 1 khi  = 0,5

Đồ thị hình 4.3 cho thấy ảnh hưởng của thông sốcông suất chu trình không thứ nguyên ( P/ PmaxVT) theo sựthay đổi tỷ số thể tích chết X, với các giá trị khôngđổi của ,  và k

Không gian chết là thể tích rỗng của bộ hoànnhiệt và các bộ phận trao đổi nhiệt, các đường dẫnvà thể tích khe hở trong buồng giãn nở và buồng nén.Sự gia tăng của không gian chết, làm giảm tỷ lệ thểtích cực đại trên thể tích cực tiểu, sẽ gây ra giảmáp suất, và vì vậy gây nên sự giảm công suất củađộng cơ Do đó thể tích chết cần phải làm nhỏ nhấtđể động cơ có công suất cao