phân tích chu trình nhiệt động, đặc điểm kết cấu và khả năng ứng dụng động cơ stirling trong ngành thủy sản việt nam

Động cơ Stirling kiểu Alpha Động cơ Stirling kiểu alpha còn được gọi là động cơ Stirling kiểu hai piston two pistons type Stirling engine được cấu thành từ các bộ phận cơ bản với chức n

thuû s¶n viÖt nam

LuËn v¨n Th¹c sÜ chuyªn ngµnh Kü thuËt Tµu thuû

Nha Trang - 9/2005

bộ giáo dục và đào tạo

trường đại học thuỷ sản

Đề tài :

phân tích chu trình nhiệt động, đặc điểm kết cấu

và khả năng ứng dụng động cơ stirling trong

ngành thuỷ sản việt nam

Luận văn Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Tàu thuỷ

chữ viết tắt sử dụng trong luận văn

ĐHTS - Trường Đại học Thuỷ sản

lời nói đầu

Động cơ Stirling là một loại động cơ nhiệt do ông Robert Stirling - người Scotland - sáng chế vào năm 1816

Động cơ Stirling có kết cấu rất đa dạng, công suất có thể từ vài Watt để trang bị cho các trạm hải đăng, các trạm khí tượng tự động, v.v đến hàng ngàn kilowatt cho các hệ thống lạnh

Sau giai đoạn được sử dụng khá phổ biến vào những năm cuối thế kỷ 19

và đầu thế kỷ 20, động cơ Stirling đã bị các loại động cơ đốt trong thay thế dần

Gần đây, động cơ Stirling lại được nhiều cơ sở nghiên cứu và các hãng chế tạo động cơ quan tâm tới do khả năng sử dụng các nguồn nhiệt thay thế

để sinh công cơ học, đặc biệt là khả năng chạy bằng năng lượng mặt trời

Động cơ Stirling đã và đang được thử nghiệm sử dụng trong nhiều lĩnh vực, ví

dụ : làm lạnh, phát điện, dẫn động chân vịt tàu thuỷ, v.v Mới đây, động cơ Stirling còn được nghiên cứu sử dụng trong kĩnh vực chinh phục vũ trụ

Mặc dù đã ra đời từ trước khi có động cơ xăng, động cơ diesel và đã có giai đoạn được sử dụng khá phổ biến ở châu Âu, nhưng động cơ Stirling hầu như không có mặt trong các tài liệu chuyên ngành bằng tiếng Việt, thậm chí

thuật ngữ Động cơ Stirling cũng khá xa lạ với số đông sinh viên ngành Cơ khí

Chương 1

TổNG QUAN Về ĐộNG CƠ STIRLING

1.1 đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ stirling

Động cơ Stirling do ông Robert Stirling - mục sư người Scotland - sáng

chế vào năm 1816 với tên gọi ban đầu là động cơ khí nóng Trong hệ thống

phân loại động cơ, động cơ Stirling được xếp vào nhóm động cơ đốt ngoài, đó

là loại máy có chức năng chuyển hoá nhiệt năng thành cơ năng, trong đó nhiệt

được sinh ra bằng cách đốt cháy nhiên liệu bên ngoài không gian công tác của

động cơ

Cho đến nay, những kiểu động cơ Stirling đã được nghiên cứu và chế tạo có cấu trúc khá đa dạng, có công suất từ vài W đến hàng ngàn kW và

được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau

Bảng 1.1 Phân loại tổng quát động cơ Stirling:

Tiêu chí phân loại Phân loại

Môi chất công tác

Không khí Hydrogen (H2) Helium (He) Nguồn nhiệt

Nhiên liệu Năng lượng mặt trời Địa nhiệt

Đặc điểm cấu tạo

Động cơ Stirling kiểu alpha Động cơ Stirling kiểu beta Động cơ Stirling kiểu gamma Động cơ một xylanh

Động cơ nhiều xylanh Công dụng Tổ hợp máy phát điện Stirling

Máy lạnh Stirling ,

1.1.1 Động cơ Stirling kiểu Alpha

Động cơ Stirling kiểu alpha còn được gọi là động cơ Stirling kiểu hai piston (two pistons type Stirling engine) được cấu thành từ các bộ phận cơ bản với

chức năng như sau :

 Bộ cấp nhiệt - bộ phận có chức năng cấp nhiệt cho môi chất công

tác (MCCT) MCCT thường dùng cho động cơ Stirling là không khí, hydrogen (H2) hoặc helium (He) Nguồn nhiệt cho động cơ Stirling có thể là xăng, dầu, than, củi, năng lượng mặt trời, v.v

 Bộ hồi nhiệt - bộ phận có chức năng thu nhận nhiệt của MCCT khi

nó đi từ không gian dãn nở có nhiệt độ cao sang không gian nén có nhiệt độ thấp hơn và truyền lại phần nhiệt đã thu nhận cho MCCT khi MCCT đi ngược trở lại Có thể xem bộ hồi nhiệt như một thiết bị tận dụng năng lượng Động cơ Stirling vẫn có thể hoạt động khi không có bộ hồi nhiệt nhưng khi đó hiệu suất của động cơ sẽ thấp hơn

 Bộ làm mát - là nơi MCCT thải nhiệt ra môi trường bên ngoài ở

động cơ Stirling, MCCT có thể được làm mát bằng không khí hoặc nước

 Piston dãn nở và piston nén - Piston dãn nở là bộ phận tiếp nhận

áp lực của MCCT khi dãn nở để sinh công cơ học Piston nén là bộ phận có chức năng nén và đẩy MCCT từ không gian nén qua các bộ trao đổi nhiệt về không gian dãn nở Hai piston dãn nở và nén được đặt lệch pha nhau một góc

90 0

 Xylanh dãn nở và xylanh nén - Xylanh dãn nở là bộ phận dẫn

hướng piston dãn nở và cùng với piston dãn nở tạo ra không gian dãn nở Xylanh nén là bộ phận dẫn hướng piston nén và cùng với piston nén tạo ra không gian nén

 Không gian dãn nở - không gian nằm giữa piston dãn nở và bộ cấp

nhiệt Tại không gian dãn nở, MCCT có nhiệt độ và áp suất cao sẽ dãn nở

đồng thời đẩy piston dãn nở từ ĐCT đến ĐCD để sinh công

 Không gian nén - là nơi MCCT được làm mát sau khi được đẩy từ không gian dãn nở qua, sau đó được nén và đẩy trở lại không gian dãn nở

 Cơ cấu truyền lực - bao gồm các bộ phận có chức năng tiếp nhận

lực đẩy của MCCT và truyền lực đó đến các hộ tiêu thụ đồng thời phối hợp chuyển động của các piston Cơ cấu truyền lực của động cơ Stirling kiểu alpha

có thể có cấu tạo kiểu thanh truyền - trục khuỷu tương tự như ở ĐCĐT thông

dụng hoặc có thể có các cấu trúc đặc biệt khác (xem H 1.3, H 1.4)

H 1.1 Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu alpha 1- Trục khuỷu, 2- Thanh truyền, 3- Xylanh lực, 4- Piston dãn nở,

5- Không gian dãn nở, 6- Bộ cấp nhiệt, 7- Bộ hồi nhiệt, 8- Bộ làm

mát, 9- Không gian nén, 10- Piston nén, 11- Bánh đà

Tương tự như động cơ xăng và diesel thông dụng, động cơ Stirling hoạt

động theo kiểu chu kỳ, tức là có các chu trình công tác nối tiếp nhau Mỗi chu trình công tác là một giai đoạn làm việc tương ứng với một lần sinh công Nguyên lý hoạt động và chu trình lý thuyết của động cơ Stirling được thể hiện

trên H 1.2 Mỗi chu trình công tác của động cơ Stirling kiểu alpha bao gồm 4 quá trình cơ bản như sau :

1) Quá trình nén - trong quá trình nén, cả piston dãn nở và piston nén

đều đi lên, MCCT được nén lại trong không gian giữa 2 đỉnh của 2 piston (H 1.2a) Trong quá trình nén, MCCT trong không gian nén được làm mát để duy trì nhiệt độ không đổi Tmin Quá trình nén kết thúc khi piston dãn nở tới ĐCT Quá trình nén được thể hiện trên chu trình lý thuyết bằng bằng đường 1-2

2) Quá trình cấp nhiệt - trong mỗi chu trình công tác, MCCT lưu thông

một lần từ không gian dãn nở sang không gian nén và một lần ngược trở lại Trên đường lưu thông từ không gian nén sang không gian dãn nở, MCCT được sấy nóng đến nhiệt độ TR trong bộ hồi nhiệt rồi sau đó được đốt nóng đến nhiệt

độ Tmax và áp suất pmax trong bộ cấp nhiệt rồi đi vào không gian dãn nở Quá trình cấp nhiệt kết thúc khi piston nén tới ĐCT và được biểu diễn bằng đoạn 2-

3 trên đồ thị công (H 1.2b) Trong quá trình cấp nhiệt, piston dãn nở đi xuống, còn piston nén đi lên nên thể tích của MCCT là không đổi (cấp nhiệt đẳng tích)

3) Quá trình sinh công - với nhiệt độ Tmax và áp suất pmax, MCCT trong không gian dãn nở sẽ đẩy piston dãn nở chuyển động về phía ĐCD và sinh công cơ học Quá trình dãn nở kết thúc khi piston dãn nở tới ĐCD (H 1.2c)

4) Quá trình nhả nhiệt - sau khi đã dãn nở để sinh công, MCCT được

piston dãn nở đẩy từ không gian dãn nở sang không gian nén Trên đường đi qua các bộ trao đổi nhiệt, một phần nhiệt của MCCT được thu hồi khi đi qua bộ hồi nhiệt Trong quá trình nhả nhiệt, piston dãn nở đi lên và piston nén đi xuống nên thể tích của MCCT là không đổi

1 2

3

4 p

V

T

s

4 3

H.1-3 Động cơ Stirling kiểu Alpha với cơ cấu Ross-Yoke (a)

và với cơ cấu Ross-Rocker-V (b)

Các piston có thể được dẫn động bằng thanh truyền - trục khuỷu (H 1.1), bằng cơ cấu Ross (H 1.3) hoặc cơ cấu cam đặc biệt (swashplate) (H 1.5)

Các đơn vị động cơ Stirling kiểu alpha mô tả ở trên có thể được liên kết lại thành kết cấu nhiều xylanh để cho công suất lớn hơn Trong trường hợp này, không gian giãn nở của một xylanh được nối với không gian nén của xylanh kế tiếp theo một chuỗi kết nối: xylanh, bộ cấp nhiệt, bộ hồi nhiệt và bộ làm mát Sơ đồ động cơ Stirling kiểu Alpha 4 xylanh được thể hiện trên H.1-4

H 1.5 giới thiệu kết cấu động cơ Stirling kiểu alpha với ký hiệu STM 4-120 của hãng STM Power với 4 piston Các piston được dẫn động bằng cơ cấu cam đặc biệt và chuyển động qua lại theo dạng hình sin với góc lệch pha là

90 0 giữa các xylanh kề nhau

(a )

(b )

H.1.4 Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu Alpha nhiều xy lanh

H.1.5 Động cơ Stirling STM 4 -120 của hãng STM Power

1.1.2 Động cơ Stirling kiểu beta

Động cơ Stirling kiểu beta còn được gọi là động cơ Stirling kiểu piston phụ Các bộ phận cơ bản của động cơ Stirling kiểu beta bao gồm: piston lực,

piston phụ, bộ cấp nhiệt, bộ hồi nhiệt, bộ làm mát, cơ cấu truyền lực (H 1.6) Piston lực và piston phụ cùng được đặt trong một xylanh Piston phụ chỉ có nhiệm vụ đẩy MCCT 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

H.1.6 Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu Beta

a) b)

H.1.7 Các quá trình làm việc của động cơ Stirling kiểu Beta

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

1) Quá trình nén - quá trình nén bắt đầu khi piston phụ đi từ ĐCT về phía

ĐCD, lúc này piston lực đi từ điểm giữa hành trình lên ĐCT (H.1.7a) MCCT

được nén lại và tiếp tục được làm mát để duy trì nhiệt độ không đổi Quá trình nén kết thúc khi piston lực lên đến ĐCT

2) Quá trình cấp nhiệt - MCCT từ không gian nén được piston phụ đẩy

sang không gian giãn nở (H.1.7b) Khi đi qua bộ hồi nhiệt, MCCT được sấy nóng đến nhiệt độ TR rồi sau đó được đốt nóng đến nhiệt độ Tmax và áp suất

pmax trong bộ cấp nhiệt và đi vào không gian giãn nở Quá trình cấp nhiệt kết thúc khi piston phụ tới ĐCD Do cả hai piston cùng đi xuống nên thể tích của MCCT trong quá trình cấp nhiệt là không đổi

3) Quá trình giãn nở - Với nhiệt độ và áp suất cao trong không gian giãn

nở, MCCT giãn nở đẩy piston lực đi xuống và sinh công (H.1.7c) Quá trình dãn nở kết thúc khi piston lực tới ĐCD

4) Quá trình làm mát - piston phụ đi lên và đẩy MCCT từ không gian giãn

nở sang không gian nén (H.1.7d) Trên đường đi qua các bộ trao đổi nhiệt, một phần nhiệt của MCCT được truyền cho bộ hồi nhiệt, một phần được truyền cho môi chất làm mát trong bộ làm mát Do ở giai đoạn này cả hai piston cùng đi lên nên thể tích của MCCT không thay đổi Giai đoạn làm mát đẳng tích kết thúc khi piston phụ lên đến ĐCT

1.1.3 Động cơ Stirling kiểu gamma

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

và có cấu tạo tương tự như động cơ Stirling kiểu beta, nhưng piston lực và piston phụ được đặt trong hai xylanh riêng biệt (H.1.8) Tương tự như động cơ Stirling kiểu beta, piston phụ chỉ có nhiệm vụ đẩy MCCT từ không gian nén sang không gian giãn nở Piston lực có nhiệm vụ tiếp nhận lực giãn nở của MCCT và truyền ra ngoài dưới dạng công cơ học

H.1.8 Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu gamma

Các quá trình làm việc của động cơ Stirling kiểu gamma được thể hiện trên H.1.9

1) Quá trình nén - piston phụ đi xuống từ ĐCT và piston lực đi lên

MCCT được nén lại và tiếp tục được làm mát để giữ nhiệt độ không đổi (H.1.9a) Quá trình nén kết thúc khi piston lực lên đến ĐCT

2) Quá trình cấp nhiệt - piston phụ tiếp tục đi xuống và đẩy toàn bộ

MCCT trong không gian nén sang không gian giãn nở đi qua các bộ trao đổi nhiệt (H.1.9b) Tại bộ hồi nhiệt MCCT được sấy nóng và tăng nhiệt độ lên đến

TR và tiếp tục được nung nóng đến nhiệt độ Tmax khi đi ngang qua bộ cấp nhiệt

ở giai đoạn này cả hai piston cùng đi xuống do đó thể tích MCCT không thay

đổi Giai đoạn cấp nhiệt đẳng tích kết thúc khi piston phụ xuống đến ĐCD

H.1.9 Các giai đoạn làm việc của động cơ Stirling kiểu gamma

3) Quá trình dãn nở sinh công - MCCT sau khi được cấp nhiệt có nhiệt

độ và áp suất cao, giãn nở đẩy piston lực đi xuống (H.1.9c) Quá trình giãn nở sinh công kết thúc khi piston lực xuống đến ĐCD

4) Giai đoạn làm mát - piston phụ đi lên và đẩy MCCT từ không gian giãn

nở sang không gian nén (H.2-8d) Giai đoạn làm mát đẳng tích kết thúc khi piston phụ lên đến ĐCT

1.2 so sánh động cơ stirling và động cơ đốt trong

1.2.1 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 rất cao, đặc biệt trong trường hợp MCCT không phải là không khí mà là các chất

dễ cháy nổ hoặc có giá thành cao như hydrogen (H2) hoặc helium (He) Việc

làm kín không gian công tác ở động cơ Stirling kiểu piston phụ (động cơ kiểu beta và kiểu gamma) thuận lợi hơn vì chỉ cần xecmang kín khí cho một piston (piston lực) Một ưu điểm nữa của động cơ kiểu piston phụ là khối lượng chuyển động tịnh tiến toàn bộ có thể nhỏ hơn ở động cơ kiểu hai piston (động cơ kiểu alpha) Chính điều này làm cho động cơ kiểu piston phụ dễ cân bằng

và ít rung động Piston phụ không tạo ra cơ năng mà chỉ chịu lực khí thể xuất hiện do tổn thất dòng khí động lực học và lực quán tính của bản thân nó Vì vậy nó có kết cấu nhẹ nên chỉ cần thanh truyền, ổ đỡ có khối lượng nhỏ Điều này làm giảm đáng kể trọng lượng và tổn thất ma sát

Công suất của động cơ Stirling (theo cách tính gần đúng) là một hàm tuyến tính của áp suất môi chất công tác Vì vậy, để có thể nâng cao công suất riêng ta có thể tăng áp động cơ ở những động cơ nhỏ việc tăng áp hộp trục khuỷu rất thuận tiện Điều này không chỉ làm giảm nhẹ chức năng 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 kiểu piston phụ

Trong động cơ kiểu gamma, xylanh của piston phụ và xylanh của piston lực tách rời nhau và được nối với nhau bằng một ống nối, bởi vậy thể tích này không thể giảm xuống bằng không Do đó thể tích chết của xylanh (thể tích

mà piston không quét tới) tăng lên và làm giảm công suất riêng 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 hiệu quả sử dụng không gian công tác của xylanh tốt hơn

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

1.2.2 so sánh động cơ Stirling với đcđt

So với ĐCĐT thông dụng (động cơ xăng và diesel), động cơ Stirling có những ưu điểm sau đây :

1) Động cơ Stirling có thể chạy được bằng bất kỳ loại nhiên liệu nào, từ nhiên liệu hoá thạch (than đá, sản phẩm dầu mỏ) đến nhiên liệu tái tạo như

gổ, củi, v.v Ngoài ra, động cơ Stirling cũng có thể hoạt động tốt với các nguồn nhiệt thiên nhiên như địa nhiệt, năng lượng mặt trời

Nếu chạy bằng năng lượng mặt trời hoặc địa nhiệt thì động cơ Stirling có thể coi là loại động cơ sạch Ngay cả trong trường hợp chạy bằng các loại nhiên liệu truyền thống (xăng, dầu diesel, ) thì nguy cơ gây ô nhiểm môi trường bởi khí thải cũng thấp hơn nhiều do quá trình cháy ở động cơ Stirling diễn ra liên tục bên ngoài không gian công tác của động cơ nên việc đảm bảo cho quá trình cháy diễn ra hoàn toàn dễ dàng hơn nhiều so với trường hợp

ĐCĐT

2) Chu trình công tác của động cơ Stirling thuộc loại chu trình kín, tức là không có sự trao đổi MCCT với môi trường bên ngoài nên động cơ Stirling có thể hoạt động ở bất cứ nơi đâu nếu có sự chênh lệch nhiệt độ

3) Độ ồn và rung động khi hoạt động của động cơ Stirling thấp hơn do không có sự biến đổi áp suất của MCCT một cách đột ngột và không có cơ cấu nạp - xả như ở ĐCĐT

4) Sản phẩm cháy không tiếp xúc trực tiếp với các bộ phận chuyển

động, vì vậy cường độ mài mòn và ăn mòn thấp hơn, tuổi thọ động cơ lớn hơn Lượng tiêu thụ dầu bôi trơn gần như không đáng kể

1.3 lịch sử phát triển động cơ stirling

H.1.10 Robert Stirling và mô hình động cơ do ông sáng chế (1816)

Động cơ Stirling được sáng chế vào năm 1816 Lúc mới ra đời, động cơ Stirling được đánh giá rất cao về tính an toàn vì nó không bị nổ như trường hợp nồi hơi của động cơ hơi nước phổ biến vào thời gian đó

Thành công rực rỡ của loại động cơ Stirling do J Ericsson - kỹ sư người Thụy Điển - mang lại với việc chế tạo động cơ Stirling có công suất 0,5  5 HP

và đã bán được gần 2000 chiếc ở Anh và Mỹ vào khoảng năm 1850 Sau thời gian này, động cơ Stirling tiếp tục được chế tạo và hoàn thiện về kết cấu cũng như nâng cao công suất và hiệu suất Tuy nhiên, sau khi xuất hiện động cơ xăng (1878) và động cơ diesel (1893), động cơ Stirling đã được sản xuất ít dần

và gần như bị lãng quên trong một thời gian dài trong suốt nửa đầu thế kỷ XX

Vào khoảng năm 1940, động cơ Stirling lại xuất hiện khá phổ biến dưới dạng tổ hợp máy phát điện xách tay do công ty Philips (Hà Lan) chế tạo Cũng vào khoảng thời gian này, động cơ Stirling cũng được nghiên cứu và thử nghiệm như là một loại máy lạnh Tuy nhiên, chỉ một thời gian ngắn sau đó, một lần nữa động cơ Stirling dưới dạng máy phát điện cỡ nhỏ lại bị loại bỏ dần bởi sự xuất hiện của acqui - nguồn cung cấp điện năng tiện dụng hơn nhiều

của Nhật chế tạo

H.1.12 Động cơ Stirling

hoạt động với năng lượng

của một ngọn đèn dầu

học được thực tiễn hoá thì hiệu suất nhiệt của động cơ Stirling sẽ tương đương hiệu suất nhiệt động cơ với chu trình carnot, tức là hiệu suất nhiệt sẽ cao hơn của bất kỳ động cơ nhiệt nào đã được sáng chế

Năm 1938, công ty N.V Phillips Glaxilampen Fabrieken của Hà Lan mới bắt đầu nghiên cứu chế tạo và sản xuất động cơ Stirling cung cấp cho thị trường Và cùng với công ty Phillips, rất nhiều nhà khoa học đã trở lại đầu tư nghiên cứu động cơ Stirling Đối với động cơ Stirling, hiệu suất 40%, và công Suất 82 kW trên 1 lít thể tích quét là hoàn toàn có thể đạt được, và với những công trình nghiên cứu đang được tiến hành, những con số có ý nghĩa này còn

Chương 2

CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING

2.1 CHU TRÌNH LÝ THUYẾT CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING

2.1.1 ĐỒ THỊ CÔNG VÀ ĐỒ THỊ NHIỆT CỦA CHU TRÌNH

LÝ THUYẾT CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING

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

về trạng thái của MCCT diễn ra trong một giai đoạn làm việc tương ứng 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 những yếu tố khác nhau đến Hiệu suất

nhiệt của chu trình () và Áp suất trung bình của MCCT (pm) - các chỉ tiêu kinh

tế kỹ 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 và công suất của động cơ

Tương tự như ở ĐCĐT, chu trình nhiệt động thực tế của động cơ Stirling chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố khác nhau, các yếu tố đó lại ảnh hưởng tương tác lẫn nhau nên cho đến nay chỉ có thể xác định được  và pm của nó một cách chính 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 chu trình, từ đó có thể đề ra các biện pháp tăng hiệu suất và công suất của động

cơ thực tế, người ta thường đưa ra các giả định đơn giản hoá các quá trình nhiệt động thực tế để có thể xây dựng được các chu trình nhiệt động ngay từ trong giai đoạn nghiên cứu lý thuyết hoặc trong giai đoạn thiết kế động cơ Tuỳ thuộc vào mức độ đơn giản hoá, chúng ta sẽ có chu trình lý thuyết hoặc chu trình tính toán của động cơ nhiệt

Để xây dựng chu trình lý thuyết của động cơ Stirling, chúng ta có thể minh họa cấu trúc động cơ như trên H 2.1 với những giả định như sau :

 MCCT là khí lý tưởng (có nhiệt dung riêng không đổi và tuân theo phương trình trạng thái PV = RT)

 Nhiệt độ trong buồng dãn nở luôn được duy trì ở trị số Tmax , nhiệt độ trong buồng nén luôn được duy trì ở trị số Tmin

 Bộ hoàn nhiệt nhận nhiệt và nhả nhiệt theo chu kỳ và luôn có một gradient nhiệt độ Tmax - Tmin qua mặt cắt ngang của bộ hoàn nhiệt

 Không có không gian chết, tức là coi không gian nối buồng nén với buồng dãn nở bằng không

 Bỏ qua các tổn thất do ma sát khi các piston chuyển động và sự rò rỉ MCCT

3

4 p

V

T

s

4 3

T max

T min

H 2.1 Mô hình cấu trúc và chu trình lý thuyết của động cơ Stirling

Giả sử điểm đầu của chu trình tương ứng với thời điểm piston nén đang ở ĐCD (vị trí ngoài cùng bên phải) và piston dãn nở đang ở ĐCT (vị trí trong cùng, gần sát với bộ hoàn nhiệt) Tất cả MCCT lúc đó đang ở trong buồng nén, thể tích MCCT là cực đại, vì vậy áp suất và nhiệt độ của MCCT có trị số nhỏ nhất, tương ứng với điểm 1 trên đồ thị p-V và T-S (H 2.1)

Trong quá trình nén, piston nén di chuyển về phía ĐCT và piston dãn nở được xem như đứng yên MCCT bị nén lại trong buồng nén, 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 nén ra môi trường xung quanh 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 tiếp tục di chuyển về phía ĐCT (về phía bộ hoàn nhiệt) còn piston dãn nở thì di chuyển về phía ĐCD MCCT di chuyển từ buồng nén sang buồng dãn nở với thể tích không đổi Trong khi đi qua bộ hoàn nhiệt, MCCT được sấy nóng từ nhiệt

độ Tmin bởi lượng nhiệt truyền từ bộ hoàn nhiệt Khi đi qua bộ cấp nhiệt, MCCT được đốt nóng đến nhiệt độ Tmax và đi vào buồng dãn nở ở nhiệt độ Tmax Sự gia tăng nhiệt độ trong khi đi qua bộ hoàn nhiệt và bộ cấp nhiệt ở thể tích không đổi

sẽ làm gia tăng áp suất Như vậy, quá trình cấp nhiệt cho MCCT diễn ra trong điều kiện đẳng tích và được biểu diễn bằng đoạn 2-3 Quá trình này kết thúc tại thời điểm piston nén tới ĐCT

Tiếp theo, piston nén sẽ đứng yên tại ĐCT, piston dãn nở tiếp tục bị MCCT trong buồng dãn nở đẩy về phía ĐCD Thể tích của MCCT tăng lên, áp suất giảm xuống nhưng nhiệt độ vẫn được duy trì ở trị số Tmax do MCCT tiếp tục

được cấp nhiệt lượng Q E từ bộ cấp nhiệt Giai đoạn này được biểu diễn bằng đoạn 3-4 Thời điểm cuối của quá trình là khi piston dãn nở tới ĐCD

Quá trình cuối của chu trình là quá trình trong đó cả 2 piston đều dịch chuyển về phía trái để đưa MCCT từ buồng dãn nở sang buồng nén Khi qua bộ hoàn nhiệt, MCCT nhả nhiệt cho bộ hoàn nhiệt, nhiệt độ của nó giảm xuống Tmin

và đi vào buồng nén Quá trình này được thể hiện bằng đoạn 4-1

Như vậy, chu trình lý thuyết của động cơ Stirling được cấu thành từ 4 quá trình nhiệt động cơ bản như sau :

 Nén đẳng nhiệt 1-2

 Cấp nhiệt (đốt nóng) đẳng tích 2-3

 Dãn nở đẳng nhiệt 3-4

 Nhả nhiệt (làm lạnh) đẳng tích 4-1

2.1.2 HIỆU SUẤT NHIỆT CỦA CHU TRÌNH LÝ THUYẾT

CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING

Một số ký hiệu qui ước :

T 2 = T 1 = T min

r p V

V p

2

1 1

V p W

2) Quá trình cấp nhiệt đẳng tích 2-3

Trong quá trình này, nhiệt truyền từ bộ hoàn nhiệt đến môi chất công tác

làm tăng nhiệt độ T min đến T max Không có công nào được thực hiện và có sự

tăng Entropy và nội năng của môi chất công tác



2 2

3 2 3

p T

T p

3 S C v

3) Quá trình giãn nở đẳng nhiệt 3-4

Trong quá trình này, nhiệt độ vẫn giữ nguyên T max trong khi môi chất công tác giãn nở Công được tạo ra bởi môi chất công tác, có trị số bằng về độ lớn của nhiệt lượng cung cấp Quá trình này không có sự thay đổi nội năng, nhưng có sự gia tăng entropy của môi chất công tác:

r

p V

V p

4

3 3

Thay đổi Entropy :

 S4  S3  R ln   r (2.13)

4 Quá trình làm lạnh đẳng tích 4-1

Trong quá trình này, nhiệt đựơc truyền từ môi chất công tác đến bộ hoàn

nhiệt, làm giảm nhiệt độ của môi chất công tác từ T max xuống T min Không có công thực hiện, và có sự giảm nội năng và Entropy của môi chất công tác

T

T p

Toàn bộ lượng nhiệt cung cấp ở nhiệt độ Tmax :

  r RT

Toàn bộ lượng nhiệt thoát ở nhiệt độ Tmin:

3

1 3

r RT

r RT r

RT Q

W Q

Q Q

E E

C E

max

min max

Biểu thức (2.19) cho thấy, với cùng nhiệt độ nguồn nóng (Tmax) và nhiệt

độ nguồn lạnh (Tmin), hiệu suất nhiệt của chu trình lý thuyết của động cơ Stirling bằng hiệu suất của chu trình carnot Điều này có nghĩa là :

 Hiệu suất nhiệt lý thuyết của động cơ Stirling chỉ phụ thuộc vào nhiệt

độ ở bộ cấp nhiệt (Tmax) và nhiệt độ ở bộ làm lạnh (Tmin) T max càng lớn và T min

càng nhỏ thì hiệu suất nhiệt lý thuyết càng cao

 Với cùng T max và Tmin, động cơ Stirling có hiệu suất nhiệt lý thuyết cao hơn hiệu suất nhiệt lý thuyết của bất kỳ động cơ nhiệt nào khác

Ưu điểm chính của chu trình Stirling so với chu trình Carnot là ở chỗ thay thế hai quá trình đồng Entropy bằng hai quá trình đẳng tích, vì thế mà gia tăng

diện tích của biểu đồ p-V Vì vậy, để có được số lượng lớn công từ chu trình

Stirling không cần thiết phải cần đến áp suất và thể tích quét rất lớn như chu trình Carnot

H.2.2 biểu diễn chu trình carnot và chu trình lý thuyết của động cơ Stirling với cùng nhiệt độ cực đại (Tmax), nhiệt độ cực tiểu (Tmin), áp suất cực đại và dung tích công tác được vẽ chồng lên nhau Từ đồ thị ta thấy, với cùng các giới hạn về

áp suất, thể tích và nhiệt độ, được chỉ rõ ở H.2.2, diện tích gạch chéo 5-2-3 và 6-4 tượng trưng cho công bổ sung có được bằng cách thay thế quá trình đồng Entropy bằng quá trình đẳng tích Các 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 lượng nhiệt cung cấp và thoát ra của chu trình Stirling đều tăng cùng một tỉ lệ với công suất có được Hiệu suất nhiệt của hai chu trình đều giống nhau

1-1 2

3

4 5

6 p

V

T

s

4 6

H 2.2 Chu trình Stirling và chu trình Carnot

2.1.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT NHIỆT

THỰC TẾ

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 như điều kiện lý tưởng

Ví dụ như nhiệt độ môi chất không thể đảm bảo là hằng số trong quá trình giản nỡ và cũng không thể đảm bảo rằng luôn giữ môi chất ở điều kiện đẳng nhiệt từ đầu vào đến đầu ra của thiết bị hoàn nhiệt Ta thấy rằng có sự sai lệch với điều kiện đẳng nhiệt

12341 là chu trình Stirling lý tưởng

1’2’3’4’1’ là chu trình có kể đến ảnh hưởng do quá trình truyền nhiệt không hoàn toàn

3

3'

4

1'12

P

V

H 2.3 Ảnh hưởng do quá trình truyền nhiệt

2) Ảnh hưởng do hoàn nhiệt

Thiết bị hoàn nhiệt cần thiết để đảm bảo sao cho càng hoàn hảo càng tốt nếu muốn động cơ có hiệu suất cao Khi môi chất thoát ra khỏi thiết bị hoàn nhiệt đến phần lạnh của động cơ, nếu nhiệt độ này không đạt đến điều kiện lý tưởng thì áp suất của môi chất phần lạnh sẽ tăng cao còn áp suất của môi chất phần nóng sẽ giảm thấp

1’23’41’ Là chu trình có kể đến ảnh hưởng do quá trình hoàn nhiệt không hoàn toàn

3) Ảnh hưởng do quá trình rò rỉ môi chất

Trong động cơ thực tế môi chất làm việc không thể tránh khỏi hiện tượng

rò rỉ đối với chất khí Có nhiều nguyên nhân gây ra sự rò rỉ và chu trình 1’2’3’4’1’ là chu trình có kể đến ảnh hưởng do rò rỉ môi chất

H 2.4 Ảnh hưởng do quá

trình hoàn nhiệt không hoàn

toàn

P 33'

44'2'

3

3'

2'2P

V

4) Ảnh hưởng do không gian chết

Không gian chết sẽ làm giảm công sinh ra của chu trình bởi vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến áp suất của chu trình

5) Ảnh hưởng do chuyển động của piston

Sự ảnh hưởng do chuyển động của piston được mô tả trên H 2.8

Thể tích lớn nhất và nhỏ nhất của chu trình vẫn giống như trường hợp lý

tưởng ở trạng thái b và a

6) Tổng ảnh hưởng sai lệch so với điều kiện lý tưởng

Tổng hợp tất cả các ảnh hưởng đến quá trình làm việc của chu trình của

động cơ Stirling có thể biểu diễn trên đồ thị P-V như hình trên

4

a 1 d

2 b P

V

2.2 CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG THỰC TẾ CỦA

ĐỘNG CƠ STIRLING

Chu trình Stirling mà chúng ta vừa nghiên cứu là chu trình nhiệt động học

lý tưởng, bao gồm 4 quá trình nhiệt động học, trong đó hai quá trình đẳng nhiệt

và hai quá trình đẳng tích Trong đó, chúng ta giả định rằng tất cả các quá trình nhiệt động học đều là thuận nghịch, và tất các quá trình nén và giãn nở đều là đẳng nhiệt

Mặt khác, chúng ta cũng thừa nhận tất cả các môi chất công tác đều ở trong buồng nén và buồng giãn nở trong suốt quá trình giãn nở và nén, vì vậy tác dụng của bất kỳ lổ hổng nào trong bộ hoàn nhiệt, khe hở, hốc xylanh đều được

bỏ qua, cả hai piston đều được cho là chuyển động gián đoạn, để có được sự phân bố môi chất công tác như đã trình bày Ảnh hưởng của tất cả các ma sát khí động học cũng như cơ khí đều được bỏ qua Sự hoàn nhiệt được giả định là hoàn thiện, hay nói cách khác, nhiệt dung riêng và hệ số truyền nhiệt giữa môi chất công tác và bộ hoàn nhiệt là vô hạn

Tuy nhiên trong thực tế hiệu suất nhiệt của bất kỳ động cơ thực tế nào, cũng đều thấp hơn giá trị hiệu suất Carnot của chu trình lý tưởng Tỷ lệ giữa hiệu suất nhiệt thực tế và hiệu suất nhiệt Carnot lý thuyết đựơc gọi là hiệu suất tương đối

car

tt rel





trong đó : tt là hiệu suất nhiệt thực tế, car là hiệu suất của chu trình carnot

Một động cơ được xem là thiết kế tốt khi có hiệu suất tương đối lớn hơn 0,4 Để minh hoạ cho chu trình thực tế, người ta sử dụng một động cơ Stirling như hình vẽ 2-3 Nó gồm một động cơ hình chữ V, với hai piston có cùng một trục khuỷu

Khoảng không gian để các piston tạo thành buồng nén và buồng giãn nở, chúng được nối với nhau bằng bộ hoàn nhiệt và bộ trao đổi nhiệt

Trong quá trình làm việc của động cơ, sự sai khác lớn so với lý thuyết là ở chỗ sự di chuyển liên tục, thay vì di chuyển gián đoạn của piston Kết quả này

(chỉ rõ trên hình 2-4) trong đồ thị p-V với một đường biểu diễn liên tục rất trơn,

cả 4 đường biểu diễn quá trình của chu trình thực tế đều không sắc nhọn

F D

G H

C K

J B

L

E

Các quá trình nén và giãn nở không xảy ra hoàn toàn trong các buồng

công tác (buồng nén và buồng giãn nở) Vì vậy, 3 đồ thị p-V được vẽ, một cho

buồng nén, một cho buồng giãn nở và đồ thị còn lại cho toàn bộ thể tích kín, trong đó bao gồm cả thể tích chết Thể tích chết chính là một phần của không gian làm việc không được quét bởi các piston và nó bao gồm: khe hở trong xylanh, thể tích lổ trống của bộ hoàn nhiệt và các bộ trao đổi nhiệt, thể tích bên trong của đường ống dẫn và các cửa

Đồ thị p-V của buồng giãn nở đặc trưng cho toàn bộ công hữu ích của chu trình, trong khi biểu đồ buồng nén đặc trưng cho công nén (công âm) của chu

trình Hiệu số diện tích của hai đường biểu diễn này là công của chu trình, hay là công chỉ thị để thắng các tổn thất về ma sát cơ khí và để cung cấp công hữu ích cho trục khủyu động cơ

H 2.10: Sơ đồ của một động cơ Stirling kiểu piston thực tế

A -Buồng giãn nở, B -Buồng nén, C -Bộ hoàn nhiệt, D - Bộ cấp nhiệt,

E - Bộ làm mát, F - Đường vào của nhiên liệu, G -Đường vào của không khí, H - Đường ra của khí thải, J -Đường vào của nước, K -Đường ra của nước, L - Bộ sấy nóng không khí

Sự tổn thất về dòng rất quan trọng, bởi vì chúng sẽ gây ra sự giảm diện tích của đường biểu diễn p-V của buồng giãn nở (như đã chỉ rõ ở hình 2-5), kết quả làm giảm công suất của chu trình, dẫn đến giảm hiệu suất

Chuyển động hình sin của piston làm cho môi chất công tác được phân bố một cách khác nhau theo thời gian qua các phạm vi nhiệt độ khác nhau, nên

không thể vẽ một đồ thị T-S để thể hiện chung cho toàn bộ khối lượng của môi chất công tác mà chỉ có thể vẽ đồ thị T-S cho các hạt riêng biệt của môi chất

công tác khi chúng di chuyển từ khoảng nhiệt độ này đến khoảng nhiệt độ khác Không có một phương pháp thuận lợi nào để nối kết các đồ thị nhiều nhánh này

Một sự khác biệt cơ bản khác của chu trình thực tế so với chu trình lý tưởng là các quá trình nén và giãn nở là không đẳng nhiệt Trong một động cơ hoạt động ở tốc độ vừa phải (ví dụ 1000 v/phút), sự khác biệt này làm cho các quá trình giống quá trình đoạn nhiệt (không có sự trao đổi nhiệt) hơn là đẳng nhiệt (trao đổi nhiệt vô hạn) Để cải thiện tình trạnh này, người ta thường lắp các

bộ trao đổi nhiệt đặc biệt (như hình 2-3) bao gồm: bộ sấy nóng, lắp cạnh bên

p

V

Thể tích chết

buồng giãn nở, truyền nhiệt cho môi chất công tác, và các bộ làm nguội, lắp cạnh bên buồng nén, để lấy nhiệt độ từ môi chất công tác

Mặc dầu có những ưu điểm nhờ cải tiến bộ trao đổi nhiệt nhưng chúng ta khó đạt được chu trình lý thuyết Tương tự như vậy, đối với sự tổn thất khí động, tất cả những điều đó làm giảm hiệu suất của động cơ như đã mô tả ở trên Thể tích chết sẽ tăng lên bởi thể tích rỗng của bộ sấy nóng và bộ làm nguội, điều này làm giảm hiệu suất của động cơ hoàn nhiệt

Sau khi nghiên cứu tổn thất dòng và thể tích rỗng (kết hợp cùng với việc nghiên cứu giá cả, kích thước và khối lượng) để thiết kế bộ trao đổi nhiệt hợp lý, người ta nhận thấy sự khác biệt rõ rệt giữa nhiệt độ buồng giãn nở, buồng nén và môi chất công tác Điều này được minh hoạ bằng biểu đồ ở hình 2-6, và biểu đồ này thể hiện các cấp nhiệt độ của một động cơ hoàn nhiệt làm mát bằng nước và đốt nóng bằng nhiên liệu

Nhiệt độ của sản phẩm cháy và nước làm mát là 28000K và 2800K, giới hạn bền nhiệt của vật liệu dùng cho xylanh giãn nở và nung nóng là 10000K Điều này cung cấp một gradient nhiệt độ rất lớn, từ 28000K đến 10000K giữa các

sản phẩm cháy và xylanh Các gradient nhiệt độ khác là 1000K giữa môi chất công tác và buồng giãn nở và 500K giữa môi chất công tác và buồng nén

Vì vậy, sự chênh lệch nhiệt độ chu trình của môi chất công tác thay đổi từ

280 + 50 = 3300K đến 1000 - 100 = 9000K

Trong khi đó hiệu suất của chu trình Carnot (hoặc Stirling) cho hệ thống được tính:

% 90 2800

2520 2800

280 2800

570 900

330 900

Một số chi tiết của động cơ như bộ sấy nóng và bộ giãn nở, tiếp xúc liên tục với nhiệt độ cao, vì vậy chúng phải chịu sự giới hạn về độ bền vật liệu của

bộ sấy nóng và cuả xylanh giãn nở

A - Nhiệt độ của sản vật cháy,

B - Nhiệt độ của thành bộ làm nóng,

C - Nhiệt độ trung bình của buồng giãn nở,

D - Nhiệt độ trung bình của buồng nén,

E - Nhiệt độ của nước làm mát và thành làm nguội

A

B C

Quá trình nén và giãn nở không đẳng nhiệt, sự truyền nhiệt có giới hạn của bộ làm mát và sấy nóng, sự tổn thất do nhiệt thoát ra ngoài, khoảng không gian chết tăng lên, và sự tổn thất dòng khí động lực học là nguyên nhân chính cho sự chưa thành công của phần lớn các động cơ Stirling trong thực tế Các yếu

tố ảnh hưởng xấu khác còn bao gồm những hạn chế trong việc hoạt động của bộ hoàn nhiệt, tổn thất ma sát cơ khí lớn, sự cân bằng nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh, và sự rò rỉ môi chất do sự thiết kế phần bao kín không được hoàn

hảo

2.3 CHU TRÌNH SCHMIDT

Vào năm 1861, ông Schmidt đã giới thiệu những kết quả nghiên cứu sâu hơn về chu trình nhiệt động của động cơ Stirling Schmidt đã thực tế hoá một số giả định đối với chu trình lý thuyết của động cơ Stirling để kết quả tính toán các thông số cơ bản của chu trình gần với thực tế hơn Chu trình được xây dựng trên

cơ sở những kết quả nghiên cứu của Schmidt được gọi là chu trình Schmidt Cho

đến nay, chu trình Schmidt được coi là cơ sở để tính toán và thiết kế động cơ Stirling

2.3.1 CÁC GIẢ THIẾT CƠ BẢN

1) Quá trình hoàn nhiệt là hoàn hảo

2) Áp suất tức thời là giống nhau trong cả hệ thống

3) Môi chất công tác luôn tuân theo phương trình lý tưởng pV = RT 4) Không có sự rò rỉ, khối lượng của môi chất công tác luôn không đổi 5) Không gian làm việc biến thiên theo quy luật hình sin

6) Không có gradient nhiệt độ ở các bộ trao đổi nhiệt

7) Nhiệt độ thành xylanh và piston là không đổi

8) Có sự hoà trộn hoàn hảo của môi chất công tác trong xy lanh động

cơ

9) Nhiệt độ của môi chất công tác trong các không gian phụ trợ là không đổi

10) Tốc độ động cơ là không đổi

11) Động cơ luôn làm việc ở chế độ ổn định

2.3.2 CÁC KÝ HIỆU VÀ THUẬT NGỮ

o A= 2 2 1 / 2

) cos

2 (   k  k - Hệ số

o B = k 2S - Hệ số

o K - hằng số

o M - Khối lượng tổng cộng của môi chất công tác

o N - Tốc độ của động cơ

o p - Áp suất tức thời của chu trình

o pmax - Áp suất cực đại của chu trình

o pmin - Áp suất cực tiểu của chu trình

o pmean - Áp suất trung bình của chu trình

o P - : Công suất của động cơ

o Pmass=

c

RT

P

- Thông số công suất không thứ nguyên, trên cơ

sở khối lượng của môi chất công tác

o Pmax=

t

V p

P

max

: Thông số công suất không thứ nguyên, trên cơ sở áp

suất tối đa của chu trình và thể tích quét tổng hợp

o Q : Nhiệt lượng truyền cho môi chất công tác

o Qmass=

c

RT

Q

: Thông số làm nguội không thứ nguyên, trên cơ sở khối

lượng của môi chất công tác

o Qmax=

T

V p

Q

max

: Nhiệt lượng cung cấp không thứ nguyên, trên cơ sở

áp suất cực đại của chu trình

S : Thể tích không gian chết giảm xuống

o Tc : Nhiệt độ môi chất công tác của buồng nén, thông thường giả định là Tc = 3000K

o TD : Nhiệt độ của môi chất công tác trong không gian chết

o TE : Nhiệt độ của môi chất công tác trong buồng giãn nở

o Vc : Thể tích quét trong buồng nén

o VE : Thể tích quét trong buồng giãn nở

o VD : Thể tích bên trong toàn bộ của các bộ trao đổi nhiệt, thể tích

của bộ hoàn nhiệt, ống dẫn và cửa liên kết

o VT   Vc  VE   1  k  VE - thể tích quét toàn bộ

o V w  V E   V c1  cos V D

2

1 cos 1 2

1

- Thể tích toàn bộ

không gian làm việc

o Vwmax - Thể tích tối đa không gian làm việc

k k

Trong đó : V e : Thể tích buồng giãn nở

V E : Thể tích quét buồng giãn nở