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 STIRLING
DÙNG 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 nhiệt
có nhiều ưu việt mà ngày nay đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm để ứng dụng vào thực tế, đó là động cơ Stirling Động cơ Stirling có thể hoạt động bởi nhiều nguồn nhiệt khác nhau mà đặc biệt là nó có thể sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, một nguồn năng lượng sạch và vô tận.
ABSTRACT
In this article we introduce one kind of heat engine: the Stirling engine Currently, Stirling engines are the subject of considerable research and development efforts because of their potential 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 có
nhiều ưu việt và cấu tạo đơn giản Một
đầu động cơ được đốt nóng, phần còn lại
để nguội và công hữu ích được sinh ra
Ðây là một động cơ kín không có đường
cấp nhiên liệu cũng như đường thải khí
Nhiệt dùng được lấy từ bên ngoài, bất kể
vật gì nếu đốt cháy đều có thể dùng để
chạy động cơ Stirling như: than, củi, rơm
rạ, dầu hỏa, dầu lửa, cồn, khí đốt tự nhiên,
gas mêtan, và không đòi hỏi quá trình
cháy mà chỉ cần cấp nhiệt đủ để làm cho
động cơ Stirling hoạt động Ðặc biệt động
cơ Stirling có thể hoạt động với năng
lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, hoặc
nhiệt 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 thể
liên tục chuyển đổi nhiệt năng thành cơ
năng 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 tại
đầu 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 sinh
ra cụng hữu ớch (Hỡnh: 1,2,3,4) Bất kỳ nguồn nhiệt nào cũng sinh ra cụng, nhưng với nguồn
cú nhiệt độ càng cao thỡ tạo ra cụng càng lớn éộng cơ khụng những chỉ chuyển nhiệt thành cụng 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 gión
nở và đến khi ỏp suất bờn trong giảm xuống bằng ỏp suất khớ quyển thỡ quỏ trỡnh sinh cụng kết thỳc (piston dừng lại)
Nếu khi piston chuyển động đến đầu bờn phải của xilanh, ta ngừng quỏ trỡnh cấp nhiệt và tăng quỏ trỡnh thải nhiệt (làm mỏt) thỡ nhiệt độ và ỏp suất của khụng khớ phớa trong xilanh giảm xuống đến khi ỏp suất của khụng khớ bờn trong thấp hơn ỏp suất của khớ quyển bờn ngoài thỡ piston sẽ chuyển động ngược lại và trở lại vị trớ ban đầu (Hỡnh: 5, 6)
Vấn đề đặt ra đối với động cơ Stirling trong thực tế là làm thế nào để chỳng hoạt động một cỏch tự động, tức là xilanh nhận, thải nhiệt đỳng lỳc và liờn
hệ chặt chẽ với nhau Nhất là đối với động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời khi mà nguồn năng lượng cung cấp cho động cơ liờn tục Do vậy để động cơ Stirling hoạt động được trong thực tế thỡ ngoài xi lanh và piston như trờn thỡ động
cơ cần phải cú thờm cỏc bộ phận phụ như piston choỏn chỗ, bỏnh đà v.v và cỏc bộ phận này phải kết hợp với nhau sao cho quỏ trỡnh nhận và thải nhiệt của mụi chất đỳng 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 lý thuyết 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 vẫn chưa 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 cơ bản , , Cỏc kiểu này đều cú một điểm chung là cú ớt nhất 2 buồng làm việc đú là buồng nộn 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 NLMT
là phõn bố khụng tập trung và cường độ năng lượng mặt trời phụ thuộc vào giờ trong ngày và thay đổi theo mựa Cường độ bức xạ mặt trời đến bề mặt trờn mặt đất cao nhất khoảng 1000W/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 thì chúng 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 các thông số kỹ thuật như bảng sau
Đường kính 1,55 m Áp suất làm việcTBình 1 bar Nhiệt độ bề mặthấp thụ 65-120°C Diện tích hấp
thụ 1,75 m2 Công suất cơ khí 30 W
Làm mát bằng không khí tự nhiên
20°C Chiều cao 1,3 m Thể tích động cơ 208 dm3
Độ chênh nhiệt
độ giữa phần nóng và phần lạnh
> 25°C Khối 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 γ
Qua quá trình đo đạc thử nghiệm một loạt các thông số cho thấy sự khác biệt giữa các giá trị tính toán lý thuyết và giá trị đo đạc vào khoảng 5% (Hình 8) Điều đó chứng tỏ mô hình tính toán cho động cơ là thích hợp Thực tế đã chế tạo thiết bị hoạt động tốt với điều kiện
GHI CHó
1- Bé phËn hoµn nhiÖt 2- BÒ mÆt hÊp thô bøc x¹ mÆt trêi 3- Piston cho¸n chæ
4- Buång nãng 5- Piston lµm viÖc 6- èng nhón g¾n piston lµm viÖc 7- Trôc g¾n Piston cho¸n chæ 8- Buång l¹nh
9- C¸nh t¶n nhiÖt
1
2
Trang 4Mặt hấp thụ
Cánh tản nhiệt
Piston lực
Đầu bơm
Bánh đà
thực tế ở miền Trung
280
300
320
340
360
380
Toc do quay (Vòng/phút)
TA(Tính toán) TH(Tính toán) TA(Đo) TH(Đo)
Hình 8 Nhiệt độ bề mặt hấp thụ (T A ) và nhiệt độ khí công tác nóng (T H ) trong động cơ
Hình 9 Bơm nước dùng năng lượng mặt trời công suất 5m 3 /ngày
Trang 53 Kết luận
Năng lượng mặt trời hoàn toàn có thể ứng dụng để chạy động cơ Stirling, động cơ này
có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, trong đó bơm nước là một trong các ứng dụng
đó Bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời này có thể sử dụng hiệu quả trong các trường hợp như bơm nước từ bể lên bồn chứa hoặc dùng bơm nước từ ao hồ, sông ngòi dùng cho tưới tiêu cho các nông trường
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phan Quang Xưng, Hoàng Dương Hùng, Nghiên cứu bơm nước sử dụng năng lượng
mặt 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.
