Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Nghiên cứu động cơ stirling dùng năng lượng mặt trời
Trang 1NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ STIRLINGDÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
A RESEARCH ON STIRLING ENGINES USING SOLAR ENERGY
HOÀNG DƯƠNG HÙNG – PHAN QUÝ TRÀ
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
PHAN QUANG XƯNG
Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Trong bài báo này chúng tôi muốn giới thiệu về nghiên cứu ứng dụng một loại động cơ nhiệtcó nhiều ưu việt mà ngày nay đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm để ứng dụng vàothực tế, đó là động cơ Stirling Động cơ Stirling có thể hoạt động bởi nhiều nguồn nhiệt khácnhau mà đặc biệt là nó có thể sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, một nguồn năng lượngsạch và vô tận.
In this article we introduce one kind of heat engine: the Stirling engine Currently, Stirlingengines are the subject of considerable research and development efforts because of theirpotential for high efficiency, clean and quiet operation, especially, if they run on solar energy.
1 Đặt vấn đề
Ðộng cơ Stirling là một thiết bị cónhiều ưu việt và cấu tạo đơn giản Mộtđầu động cơ được đốt nóng, phần còn lạiđể nguội và công hữu ích được sinh ra.Ðây là một động cơ kín không có đườngcấp nhiên liệu cũng như đường thải khí.Nhiệt dùng được lấy từ bên ngoài, bất kểvật gì nếu đốt cháy đều có thể dùng đểchạy động cơ Stirling như: than, củi, rơmrạ, dầu hỏa, dầu lửa, cồn, khí đốt tự nhiên,gas mêtan, và không đòi hỏi quá trìnhcháy mà chỉ cần cấp nhiệt đủ để làm chođộng cơ Stirling hoạt động Ðặc biệt độngcơ Stirling có thể hoạt động với nănglượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, hoặcnhiệt thừa từ các quá trình công nghiệp.
2 Nguyên lý hoạt động
Ðộng cơ Stirling là một động cơ
nhiệt Ðộng cơ nhiệt là một thiết bị có thểliên tục chuyển đổi nhiệt năng thành cơnăng Nếu ta đốt nóng một đầu xilanh
(đầu nóng) nguồn nhiệt được sử dụng có
thể là chùm tia bức xạ mặt trời hội tụ tạiđầu xilanh hoặc một cách đơn giản là
nhúng đầu xilanh vào nước nóng, thì áp H×nh 3 Kh«ng khÝ ¸p suÊt cao ®Èy piston ®i ra
§Çu nãng
§Çu l¹nh
Trang 2suất và nhiệt độ khụng khớ bờn trong tăng lờn ỏp suất cao sẽ đẩy piston chuyển động và sinhra cụng hữu ớch (Hỡnh: 1,2,3,4) Bất kỳ nguồn nhiệt nào cũng sinh ra cụng, nhưng với nguồncú nhiệt độ càng cao thỡ tạo ra cụng càng lớn éộng cơ khụng những chỉ chuyển nhiệt thànhcụng một lần đơn giản như trờn ma cần phải cú khả năng tiếp tục sinh cụng.
Cụng cú thể sinh ra từ khụng khớ núng trong xilanh chừng nào cũn cú quỏ trỡnh giónnở và đến khi ỏp suất bờn trong giảm xuống bằng ỏp suất khớ quyển thỡ quỏ trỡnh sinh cụng kếtthỳc (piston dừng lại).
Nếu khi piston chuyển động đếnđầu bờn phải của xilanh, ta ngừng quỏtrỡnh cấp nhiệt và tăng quỏ trỡnh thảinhiệt (làm mỏt) thỡ nhiệt độ và ỏp suấtcủa khụng khớ phớa trong xilanh giảmxuống đến khi ỏp suất của khụng khớ bờntrong thấp hơn ỏp suất của khớ quyển bờnngoài thỡ piston sẽ chuyển động ngượclại và trở lại vị trớ ban đầu (Hỡnh: 5, 6)
Vấn đề đặt ra đối với động cơStirling trong thực tế là làm thế nào đểchỳng hoạt động một cỏch tự động, tức làxilanh nhận, thải nhiệt đỳng lỳc và liờnhệ chặt chẽ với nhau Nhất là đối vớiđộng cơ Stirling sử dụng năng lượng mặttrời khi mà nguồn năng lượng cung cấpcho động cơ liờn tục Do vậy để động cơStirling hoạt động được trong thực tế thỡngoài xi lanh và piston như trờn thỡ độngcơ cần phải cú thờm cỏc bộ phận phụ nhưpiston choỏn chỗ, bỏnh đà v.v và cỏc bộphận này phải kết hợp với nhau sao choquỏ trỡnh nhận và thải nhiệt của mụi chấtđỳng chu kỳ.
3 éộng cơ stirling dựng năng lượng mặt trời
éộng cơ Stirling được tớnh toỏn thiết kế cơ bản dựa trờn lý thuyết của Schmidt Từ lýthuyết này người ta xõy dựng nờn cỏc mụ hỡnh tớnh toỏn cho động cơ Stirling nhiệt độ cao,nhiệt độ trung bỡnh éộng cơ Stirling nhiệt độ thấp sử dụng năng lượng mặt trời đến nay vẫnchưa cú tớnh toỏn lý thuyết cũng như kết quả thực nghiệm được cụng bố.
Dựa vào cấu trỳc của động cơ Stirling mà người ta chia động cơ Stirling thành 3 kiểu cơbản , , Cỏc kiểu này đều cú một điểm chung là cú ớt nhất 2 buồng làm việc đú là buồngnộn và buồng gión nở trong đú mụi chất khớ cụng tỏc được điền kớn.
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vụ tận Tuy nhiờn đặc điểm của NLMTlà phõn bố khụng tập trung và cường độ năng lượng mặt trời phụ thuộc vào giờ trong ngày vàthay đổi theo mựa Cường độ bức xạ mặt trời đến bề mặt trờn mặt đất cao nhất khoảng1000W/m2 Do vậy chỳng tụi lựa chọn loại động cơ Stirling dựng năng lượng mặt trời kiểu để nghiờn cứu.
éối với động cơ Stirling kiểu thỡ Piston làm việc và Piston choỏn chỗ được bố trớ vào 2
Hình 4 Quá trình giãn nở cho đến khi áp suất không khí bên trong bằng áp suất khí quyển
Hình 5 Nêú ngừng cấp nhiệt mà thải nhiệt thì áp suất không khí bên trong giảm xuống
Hình 6 Piston chuyển động vào bên trong do áp suất không khí bên ngoài cao hơn
Trang 3xy lanh riêng biệt Sự liên kết giữa các Piston này có thể thực hiện theo các dạng sau:- Liên kết lạnh : Piston làm việc ở phía nhiệt độ thấp
- Liên kết nóng : Piston làm việc ở phía nhiệt độ cao
- Liên kết trung bình : Piston làm việc nối vào bộ phận hoàn nhiệt
Qua nghiên cứu và so sánh các dạng khác nhau của loại động cơ Stirling kiểu thìchúng tôi đưa ra mẫu động cơ Stirling sử dụng NLMT như Hình 7.
Hình 7 Cấu tạo động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời
Sau khi nghiên cứu lý thuyết tính toán thiết kế và đã chế tạo động cơ Stirling với cácthông số kỹ thuật như bảng sau.
Đường kính 1,55 m Áp suất làm việcTBình 1 bar Nhiệt độ bề mặthấp thụ 65-120°CDiện tích hấp
thụ 1,75 m2 Công suất cơ khí 30 W
Làm mát bằngkhông khí tự
20°CChiều cao 1,3 m Thể tích động cơ 208 dm3
Độ chênh nhiệtđộ giữa phầnnóng và phần
> 25°CKhối lượng 240 kg Piston choán chỗHành trình của 80 mm
Khí công tác K.Khí Piston làm việcHành trình của 190 mm
Tốc độ quay 30-40 v/ph Tỷ số nén 1,057 Dạng động cơ γQua quá trình đo đạc thử nghiệm một loạt các thông số cho thấy sự khác biệt giữa cácgiá trị tính toán lý thuyết và giá trị đo đạc vào khoảng 5% (Hình 8) Điều đó chứng tỏ môhình tính toán cho động cơ là thích hợp Thực tế đã chế tạo thiết bị hoạt động tốt với điều kiện
6- èng nhón g¾n piston lµm viÖc7- Trôc g¾n Piston cho¸n chæ8- Buång l¹nh
9- C¸nh t¶n nhiÖt
12
Trang 4Hình 8 Nhiệt độ bề mặt hấp thụ (TA) và nhiệt độ khí công tác nóng (TH) trong động cơ
Hình 9 Bơm nước dùng năng lượng mặt trời công suất 5m3/ngày
Trang 53 Kết luận
Năng lượng mặt trời hoàn toàn có thể ứng dụng để chạy động cơ Stirling, động cơ nàycó thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, trong đó bơm nước là một trong các ứng dụngđó Bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời này có thể sử dụng hiệu quả trong các trường hợpnhư bơm nước từ bể lên bồn chứa hoặc dùng bơm nước từ ao hồ, sông ngòi dùng cho tưới tiêucho các nông trường.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phan Quang Xưng, Hoàng Dương Hùng, Nghiên cứu bơm nước sử dụng năng lượngmặt trời, Đề tài nghiên cứu khoa học trọng điểm cấp Bộ, 2005.
[2] F U Miller, Franzis, Thermische Solarenergie, Germany, 1997.
[3] Andy ross, Ross Experimental, Mayking Stirling Enginers, 13425 Bell Rd Marysville,
Ohio 43040, 1993.
[4] Colin D Van Nostrand, Principles And Applications Of Stirling Enginers, West, New
York, 1985.
[5] Michael F Modest, Radiative Heat Transfer, McGraw-Hill, Inc, 1993.
[6] G T Reader C Hooper, Stirling Enginer, 1983.
