NGHIÊN cứu xây DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG của ĐỘNG cơ STIRLING sử DỤNG NĂNG LƯỢNG mặt TRỜI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG  PHẠM NGỌC HIỂN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TÀU THUỶ MÃ NGÀNH 60-52-32 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. NGUYỄN VĂN NHẬN Nha Trang - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Phạm Ngọc Hiển, học viên lớp Cao học Kỹ thuật Tàu thủy 2006 xin cam đoan: Mọi tài liệu, số liệu dùng tính toán, dẫn chứng trong luận văn này là hợp lệ, trung thực và chính xác, không vi phạm pháp luật. Nội dung luận văn này do chính bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Thầy PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận. Phạm Ngọc Hiển LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian dài học tập, nghiên cứu để nâng cao trình độ chuyên môn…, đến nay luận văn cao học của tôi đã được hoàn thành. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy PGS.TS Nguyễn Văn Nhận. Xin chân thành cảm ơn Quý Lãnh đạo Trường Đại học Nha Trang, Quý Thầy Cô giáo Khoa Kỹ thuật tàu thủy – Đại học Nha Trang, Giám đốc Học viện Hải quân, Thủ trưởng các Phòng Ban và Khoa Cơ điện – Học Viện Hải quân, bạn bè, đồng nghiệp và những người thân đã quan tâm, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và thực hiện đề tài. MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ STIRLING 3 1.1 Nguyên lý hoạt động và phân loại động cơ Stirling 3 1.1.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ Stirling 3 1.1.2 Phân loại động cơ Stirling 4 1.2 Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một số động cơ Stirling điển hình 6 1.2.1 Động cơ Stirling kiểu Alpha 6 1.2.2 Động cơ Stirling kiểu Beta 9 1.2.3 Động cơ Stirling kiểu Gamma 11 1.2.4 So sánh các kiểu động cơ Stirling 13 1.2.5 So sánh động cơ Stirling với động cơ đốt trong 14 1.3 Sơ lược lịch sử phát triển động cơ Stirling 15 Chương 2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING 20 2.1 Chu trình lý thuyết của động cơ stirling 20 2.1.1 Đồ thị công và đồ thị nhiệt 20 2.1.2 Hiệu suất nhiệt 23 2.2 Chu trình nhiệt động thực tế của động cơ Stirling 27 2.2.1 Đặt vấn đề 27 2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt của động cơ Stirling 27 2.3 Chu trình Schmidt 37 2.3.1 Các giả định cơ bản của chu trình Schmidt 37 2.3.2 Chu trình Schmidt cho động cơ kiểu Alpha 37 2.3.3 Chu trình Schmidt cho động cơ kiểu Beta 45 Chương 3. THI ẾT BỊ NHIỆT MẶT TRỜI VÀ ĐỘNG CƠ STIRLING SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 53 3.1 Khái quát về năng lượng mặt trời và cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị nhiệt mặt trời 53 3.1.1 Khái quát về năng lượng mặt trời 53 3.1.2 Cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị nhiệt mặt trời 54 3.2 Tính bộ thu năng lượng mặt trời cho động cơ Stirling cỡ nhỏ 67 3.2.1 Tính đường kính gương Parabol 68 3.2.2 Tính chiều cao gương Parabol 69 3.3 Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời 70 3.3.1 Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời trực tiếp 71 3.3.2 Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời gián tiếp 72 Chương 4. CHƯƠNG TRÌNH TÍNH CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG ĐỘNG CƠ STIRLING SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 74 4.1 Lựa chọn phần mềm ứng dụng xây dựng chương trình tính 74 4.1.1 Scilab 74 4.1.2 Mathematica 74 4.1.3 LabVIEW 75 4.1.4 MATLAB 75 4.2 Chương trình tính chu trình nhiệt động của động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời 76 4.2.1 Các bước tính 76 4.2.2 Chương trình tính 81 4.2.3 Kết quả tính 88 4.3 Nghiên cứu lý thuyết về ảnh hưởng của một vài yếu tố đến quá trình hoạt động của động cơ stirling sử dụng năng lượng mặt trời 96 4.3.1 Ảnh hưởng của năng suất bức xạ mặt trời 96 4.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ động cơ 96 KẾT LUẬN VÀ NHỮNG KHUYẾN NGHỊ 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 CÁC BẢNG BIỂU TT Tên gọi Trang 1 Bảng 1.1. Phân loại động cơ Stirling 5 2 Bảng 4.1. Kết quả các thông số áp suất và thể tích theo góc quay trục khuỷu 89 3 Bảng 4.2. Các thông số cơ bản của động cơ khi thay đổi năng suất bức xạ mặt trời 96 4 Bảng 4.3. Các thông số cơ bản của động cơ khi thay đổi tốc độ 97 CÁC HÌNH VẼ TT Tên gọi Trang 1 H. 1.1. Các quá trình cấp nhiệt và làm mát không khí trong xylanh 3 2 H. 1.2. Mô hình hoạt động của động cơ Stirling 3 3 H. 1.3. Các loại động cơ piston con trượt 5 4 H. 1.4. Động cơ Stirling kiểu chữ V 6 5 H. 1.5. Động cơ Stirling hình sao, xylanh quay 6 6 H. 1.6. Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu Alpha 6 7 H. 1.7. Biểu diễn nguyên lý hoạt động của động cơ Sirling kiểu Alpha 8 8 H. 1.8. Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu Beta 10 9 H. 1.9. Biểu diễn nguyên lý hoạt động của động cơ Sirling kiểu Beta 10 10 H. 1.10. Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu Gamma 11 11 H. 1.11. Biểu diễn nguyên lý hoạt động của động cơ Sirling kiểu Gamma 12 12 H. 1.12. Động cơ Stirling do Robert Stirling sáng chế năm 1816 16 13 H. 1.13 . Tổ hợp động cơ Stirling – máy phát điện của công ty Philips 16 14 H. 1.14. Động cơ Stirling ứng dụng vào những năm 1860 17 15 H. 1.15. Động cơ Stirling kiểu con trượt (piston phụ) hai xylanh 18 16 H. 1.18. Động cơ Stirling do Toshiba chế tạo năm 1987 18 17 H. 2.1. Mô hình cấu trúc cơ bản của động cơ Stirling 21 18 H. 2.2. Chu trình lý thuyết của động cơ Stirling 22 19 H. 2.3. Chu trình lý thuyết của động cơ Stirling và chu trình Carnot 26 20 H. 2.4. Sơ đồ của một động cơ Stirling kiểu piston 28 21 H. 2.5. Ảnh hưởng do quá trình truyền nhiệt 28 22 H. 2.6. Thang nhiệt độ 29 23 H. 2.7. Ảnh hưởng do quá trình hoàn nhiệt không hoàn toàn 30 24 H. 2.8. Ảnh hưởng do có sự rò lọt môi chất công tác 31 25 H. 2.9. Ảnh hưởng do tồn tại không gian chết 32 26 H. 2.10. Đồ thị công của động cơ Stirling thực 33 27 H. 2.11. Ảnh hưởng do đặc điểm chuyển động của piston 33 28 H. 2.12. Ảnh hưởng do tổn thất khí động học 35 29 H. 2.13. Tổng ảnh hưởng sai lệch so với điều kiện lý tưởng 35 30 H. 2.14. Qui luật biến thiên thể tích theo góc quay trục khuỷu của động cơ Stirling kiểu Alpha 38 31 H. 2.15. Sơ đồ biểu diễn biến thiên thể tích trong xylanh theo góc quay trục khuỷu của động cơ Stirling kiểu Beta 46 32 H. 3.1. Mô tả hiện tượng hiệu ứng lồng kính 55 33 H. 3.2. Mặt cắt bộ thu năng lượng Mặt trời kiểu lồng kính (2 lớp kính) 55 34 H. 3.3. Sơ đồ mạng nhiệt của bộ thu kiểu lồng kính với 2 lớp kính 57 35 H. 3.4. Sơ đồ mạng nhiệt tương đương của bộ thu 57 36 H. 3.5. Hệ gương và mặt thu 60 37 H. 3.6. Gương phẳng 61 38 H. 3.7. Nhà máy nhiệt điện mặt trời dùng hệ gương phẳng 62 39 H. 3.8. Gương nón cụt 62 40 H. 3.9. Bếp nấu bằng năng lượng mặt trời dùng gương nón cụt 63 41 H. 3.10. Gương nón với mặt thu hình ống trụ 64 42 H. 3.11. Ảnh của mặt trời qua gương Parabol 65 43 H. 3.12. Hệ thống cấp nhiệt dùng gương Parabol tròn xoay 66 44 H. 3.13. Gương Parabol trụ 66 45 H. 3.14. Mô hình chế tạo Parabol trụ 66 46 H. 3.15. Hệ thống cung cấp nhiệt dùng gương phản xạ Parabol trụ 67 47 H. 3.16. Động cơ Stirling kiểu Gamma chạy bằng năng lượng mặt trời 71 48 H. 3.17. Hình ảnh bên ngoài bộ đôi động cơ Stirling – bơm nước chạy bằng năng lượng mặt trời do Việt Nam chế tạo 72 49 H. 3.18. Sơ đồ động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời gián tiếp (trường hợp một gương Parabol) 72 50 H. 4.1. Lưu đồ thuật toán 80 51 H. 4.2. Cửa sổ lệnh của MATLAB 85 52 H. 4.3. Cửa sổ nhập các thông số bộ thu năng lượng mặt trời 86 53 H. 4.4. Cửa sổ nhập các thông số động cơ Stirling 86 54 H. 4.5. Cửa sổ thông báo để chọn phương thức hiển thị kết quả 87 55 H. 4.6. Đồ thị áp suất và thể tích tức thời theo góc quay trục khuỷu 87 56 H. 4.7. Kết quả tính toán các thông số cơ bản của động cơ 88 57 H. 4.8. Các đồ thị nhận được từ kết quả tính chu trình động cơ mẫu 94 1 LỜI NÓI ĐẦU Trong lịch sử phát triển của nền văn minh nhân loại, nguồn năng lượng chủ yếu được sử dụng là nguồn năng lượng hóa thạch. Tốc độ khai thác ồ ạt và sử dụng một cách lãng phí các nguồn nhiên liệu hoá thạch trong suốt mấy trăm năm qua đã làm cho chúng dần cạn kiệt, bên cạnh đó là sự ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng, Diesel cũng như tiếng ồn từ các động cơ này là những vấn đề lớn đang được các nhà khoa học quan tâm và giải quyết. Nếu xét riêng về nhiên liệu dùng cho các loại động cơ nhiệt, thì đây là vấn đề đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Đặc biệt là vấn đề nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong, với mục tiêu đáp ứng yêu cầu về năng lượng ngày một cao và giảm thiểu ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra. Song song với việc tìm và phát triển nguồn nhiên liệu thay thế, các nhà khoa học cũng đang tích cực nghiên cứu, sáng tạo ra những động cơ mới thân thiện với môi trường. Vì thế trong tương lai, động cơ đốt trong có thể dần được thay thế bởi các loại động cơ khác. Động cơ Stirling là loại động cơ đốt ngoài, có thể sử dụng bất kỳ nguồn nhiệt nào, trong đó phải kể đến các nguồn nhiệt sạch như địa nhiệt, nước nóng của các suối nóng tự nhiên, năng lượng mặt trời, v.v. Theo các nhà khoa học, nếu tìm cách nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ Stirling thì đây sẽ là một loại động cơ có rất nhiều tiềm năng trong tương lai. Ở nước ta, cũng có những nghiên cứu chế tạo ứng dụng động cơ Stirling. Mới đây, trường Đại học bách khoa Đà nẵng đã chế tạo thành công động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời, nhưng hiệu quả hoạt động của động cơ chưa cao. Việc nghiên cứu ứng dụng động cơ nói chung, động cơ Stirling nói riêng, trước hết nên bắt đầu từ việc nghiên cứu chu trình hoạt động của động cơ. Từ đó chúng ta có thể tìm ra những giải pháp tích cực để nâng cao hiệu suất của chu trình, và sau đó là nâng cao hiệu suất có ích và các chỉ tiêu khác của động cơ. Đối với chu trình động cơ đốt trong, các nhà khoa học trên thế giới và trong nước đã có nhiều công trình nghiên cứu và được ứng dụng có hiệu quả cao trong thực tiễn. Có những chương trình, phần mền chuyên dụng để tính chu trình nhiệt động động cơ đốt trong cho kết quả đáng tin cậy. Riêng đối với chu trình động cơ Stirling, các kết quả nghiên cứu có thể chưa được công bố rộng rãi, đặc biệt ở Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu sâu về chu trình nhiệt động động cơ Stirling. 2 Nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn về động cơ Stirling, bổ sung tư liệu về loại động cơ này phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu trong lĩnh vực thiết bị năng lượng, tôi được giao thực hiện luân văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu xây dựng chương trình tính chu trình nhiệt động của động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời”. Nội dung của luận văn được trình bày trong 4 chương : Chương 1. Tổng quan về động cơ Stirling. Giới thiệu các loại động cơ Stirling, nguyên tắc hoạt động, lịch sử phát triển và ứng dụng động cơ Stirling. Phân tích những ưu nhược điểm và ứng dụng của động cơ Stirling. Chương 2. Chu trình nhiệt động của động cơ Stirling. Phân tích chu trình lý thuyết, phân tích những yếu tố ảnh hưởng đến chu trình nhiệt động thực tế của động cơ Stirling. Giới thiệu và phân tích phương pháp tính chu trình nhiệt động của Schmidt đối với động cơ Stirling. Chương 3. Thiết bị nhiệt mặt trời. Giới thiệu khái quát về năng lượng mặt trời, cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị nhiệt mặt trời, các bộ thu năng lượng mặt trời và động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời. Chương 4. Chương trình tính chu trình nhiệt động của động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời. Lựa chọn phần mềm ứng dụng, các bước tính, kết quả tính toán chu trình nhiệt động động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời. Phân tích lý thuyết hai yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời. Mặc dù đã tồn tại và phát triển trong gần hai thế kỷ qua, nhưng động cơ Stirling vẫn còn là đề tài mới mẻ ở Việt Nam, hầu như không thấy đề cập đến một cách cụ thể trong các sách giáo khoa về động cơ nhiệt. Những nội dung được trình bày trong luận văn dựa trên một số tài liệu, các thông tin thu thập được từ các trang web và đề tài luận văn thạc sĩ của một số học viên các khóa trước. Trong bối cảnh đó, luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quí Thầy, Cô và đồng nghiệp. Học viên Phạm Ngọc Hiển [...]... tính toán chu trình nhiệt động động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời, trước hết phải hiểu được đúng bản chất và các yếu tố ảnh hưởng đến chu trình nhiệt động của động cơ Stirling Chương 2 sẽ đề cập đến nội dung này và từ đó tìm ra những biện pháp tích cực làm cơ sở cho việc tính toán, thiết kế động cơ Stirling 20 Chương 2 CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING 2.1 Chu trình lý thuyết của. .. Phân loại động cơ Stirling Các loại động cơ Stirling Tiêu chí phân loại Theo môi chất  Động cơ Stirling sử dụng MCCT là không khí, công tác (MCCT)  Động cơ Stirling sử dụng MCCT là khí hydrô (H2),  Động cơ Stirling sử dụng MCCT là khí helium (He) Theo nguồn nhiệt  Động cơ Stirling chạy bằng nhiên liệu (than, dầu, khí đốt, v.v.),  Động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời,  Động cơ Stirling. .. hưởng của những yếu tố khác nhau đến hiệu suất nhiệt của chu trình; áp suất trung bình của môi chất công tác ứng với một chu trình; các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cơ bản của chu trình nhiệt động động cơ nhiệt Từ đó có cơ sở để tính toán thiết kế, đồng thời tìm biện pháp nâng cao hiệu suất và công suất của động cơ Cũng như chu trình động cơ nhiệt khác, chu trình nhiệt động thực tế của động cơ Stirling. .. bằng địa nhiệt, v.v Theo mục đích sử  Tổ hợp máy phát điện Stirling, dụng  Máy lạnh Stirling,  Động cơ Stirling cho ôtô,  Động cơ Stirling cho tàu thủy, v.v Theo đặc điểm cấu  Động cơ Stirling kiểu alpha, tạo  Động cơ Stirling kiểu beta,  Động cơ Stirling kiểu gamma,  Động cơ Stirling một xylanh,  Động cơ Stirling nhiều xylanh,  Động cơ Stirling có piston tác dụng kép,  Động cơ Stirling. .. một giai đoạn hoạt động của động cơ tương ứng với một lần sinh công Nói cách khác, chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt bao gồm một số quá trình nhiệt động diễn ra kế tiếp nhau nhằm mục đích biến đổi nhiệt năng cấp cho môi chất công tác thành cơ năng, sau khi thực hiện các quá trình đó, môi chất công tác trở về trạng thái ban đầu Mục tiêu nghiên cứu chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt là xác định... Chu trình lý thuyết của động cơ Stirling 2.1.1 Đồ thị công và đồ thị nhiệt Động cơ Stirling nói riêng và động cơ nhiệt hiện nay nói chung đều hoạt động theo kiểu chu kỳ, trong đó việc biến đổi nhiệt năng thành cơ năng được thực hiện bằng cách thực hiện các chu trình nhiệt động kế tiếp nhau Chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt bao gồm tất cả những sự thay đổi về trạng thái của môi chất công tác diễn... thay thế quá trình đẳng Entropy bằng quá trình đẳng tích Quá trình đẳng nhiệt (1-5) và (3-6) của chu trình Carnot được mở rộng đến quá trình (1-2) và (3-4) tương ứng, vì vậy công suất của động cơ tăng cùng một tỉ lệ với sự tăng lượng nhiệt cung cấp vào và thoát ra của chu trình Stirling Hiệu suất nhiệt của hai chu trình tương đương nhau 27 2.2 Chu trình nhiệt động thực tế của động cơ Stirling 2.2.1... Carnot Một động cơ có thể được xem là thiết kế tốt khi có hiệu suất tương đối lớn hơn 0,4 Thực tế, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của động cơ Stirling, tức là ảnh hưởng đến chu trình thực của động cơ Stirling Sau đây sẽ phân tích ảnh hưởng của những yếu tố cơ bản đến chu trình thực của động cơ Stirling 2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt của động cơ Stirling Nghiên cứu những... do có thể biến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành cơ năng, nên động cơ Stirling rất được quan tâm nghiên cứu ứng dụng trên các con tàu không gian từ năm 1995 Ngày nay, nghiên cứu động cơ Stirling để sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh cũng đang được đẩy mạnh Đặc biệt là trong lĩnh vực năng lượng sạch, động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời sẽ được quan tâm đúng mức và phát triển phục vụ... kỹ thuật của chu trình động cơ Stirling, người ta thường đưa ra các giả định để đơn giản hoá các quá trình nhiệt động thực tế, từ đó có thể xây dựng được chu trình nhiệt động ngay từ trong giai đoạn nghiên cứu lý thuyết và tiếp theo là trong giai đoạn thiết kế động cơ Để xây dựng chu trình lý thuyết của động cơ Stirling, chúng ta có thể minh họa cấu trúc cơ bản của động cơ Stirling như H 2.1 Với những . 3.3 Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời 70 3.3.1 Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời trực tiếp 71 3.3.2 Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời gián tiếp 72 Chương 4. CHƯƠNG. về năng lượng mặt trời, cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị nhiệt mặt trời, các bộ thu năng lượng mặt trời và động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời. Chương 4. Chương trình tính chu trình. trình nhiệt động của động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời. Lựa chọn phần mềm ứng dụng, các bước tính, kết quả tính toán chu trình nhiệt động động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời.