MỘT NGHIÊN cứu bước đầu TRÊN ĐỘNG cơ đốt NGOÀI HOẠT ĐỘNG THEO CHU TRÌNH STIRLING

MỘT NGHIÊN cứu bước đầu TRÊN ĐỘNG cơ đốt NGOÀI HOẠT ĐỘNG THEO CHU TRÌNH STIRLING MỘT NGHIÊN cứu bước đầu TRÊN ĐỘNG cơ đốt NGOÀI HOẠT ĐỘNG THEO CHU TRÌNH STIRLING MỘT NGHIÊN cứu bước đầu TRÊN ĐỘNG cơ đốt NGOÀI HOẠT ĐỘNG THEO CHU TRÌNH STIRLING MỘT NGHIÊN cứu bước đầu TRÊN ĐỘNG cơ đốt NGOÀI HOẠT ĐỘNG THEO CHU TRÌNH STIRLING MỘT NGHIÊN cứu bước đầu TRÊN ĐỘNG cơ đốt NGOÀI HOẠT ĐỘNG THEO CHU TRÌNH STIRLING

Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV MỘT NGHIÊN CỨU BƯỚC ĐẦU TRÊN ĐỘNG CƠ ĐỐT NGOÀI HOẠT ĐỘNG THEO CHU TRÌNH STIRLING A PREMILINARY STUDY ON EXTERNAL COMBUSTION ENGINE USING STIRLING CYCLE 1Nguyễn Nguyễn Thọ Lâm*1a, Lâm Thành Cơ1, Nguyễn Hồ Xuân Duy1, Nguyễn Thế Bảo1, Huỳnh Thanh Công2b Bộ môn Ô tô – Máy động lực, Khoa Kỹ thuật Giao thông, Trường ĐH Bách Khoa, ĐHQG TP HCM PTN Trọng điểm ĐHQG Động đốt trong, ĐHQG TP HCM a nntholam@yahoo.com; bhthanhcong@yahoo.com TÓM TẮT Bài báo trình bày phương pháp nghiên cứu, thiết kế chế tạo mẫu động đốt hoạt động theo chu trình Stirling với nguồn nhiên liệu chỗ (như biogas) Dựa ba dạng động Stirling Alpha, Beta Gamma, viết đưa so sánh với tiêu chí kỹ thuật thích hợp việc sử dụng Việt Nam Kết động Stirling dạng Alpha chọn phương án thiết kế thích hợp Trong viết này, phương pháp tính toán Schmidt sử dụng để tính toán thông số kỹ thuật động phục vụ công tác thiết kế kỹ thuật chi tiết động tiến hành số thử nghiệm thực báo cáo Từ khóa: động đốt ngoài, chu trình Stirling, phương pháp Schmidt, biogas ABSTRACT The paper show the method which is used to study, design and manufacturing the external combustion engine prototype This engine operation base on Stirling cycle and use local fuel (as biogas) From three main type of Stirling engine, that is alpha, beta, gamma, the paper perform comparisons with technical requirements and suitabilities in application to Vietnam As a result of the research, Alpha type is chosen In this paper, Schmidt method is applied to determine specifications of engine and to design main components of engine Finally, some of tests and conclusions is made and reported Kewords: external combustion engine, Stirling cycle, Schmidt method, biogas Ký hiệu chữ viết tắt x độ Góc quay trục khuỷu XDC Tỉ số thể tích chết thể tích quét bên buồng lạnh VDE m3 Thể tích chết buồng nóng XR Tỉ số thể tích hồi nhiệt thể tích quét bên buồng nóng VSE m3 Thể tích quét buồng nóng R J/kg.K Hằng số khí lý tưởng VSC m3 Thể tích quét buồng lạnh f Hz Tần số VDC m3 Thể tích chết buồng lạnh θ độ Góc lệch pha VE m3 Thể tích toàn buồng nóng P bar Áp suất toàn động VC m3 Thể tích toàn buồng lạnh Pmin bar Áp suất nhỏ VR m3 Thể tích hồi nhiệt Pmax bar Áp suất lớn V m3 Thể tích toàn động Pmean bar Áp suất trung bình 384 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV TE K Nhiệt độ buồng nóng n rpm Tốc độ động TC K Nhiệt độ buồng lạnh Wi J Công thị TR K Nhiệt độ hồi nhiệt WE J Công giãn nở m kg Khối lượng môi chất công tác WC J Công nén t Tỉ số nhiệt độ buồng nóng buồng lạnh Li W Công suất thị v Tỉ số thể tích buồng nóng buồng lạnh e Hiệu suất nhiệt theo phương pháp Schmidt XDE Tỉ số thể tích chết thể tích quét bên buồng nóng t Hiệu suất nhiệt theo chu trình Stirling GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ Động Stirling động đốt phát minh Robert Stirling năm 1816 Động bao gồm buồng nóng, buồng lạnh thông hệ thống truyền động để đưa môi chất công tác di chuyển Từ môi chất công tác thay đổi trạng thái, nhận nhiệt sinh công Động Stirling có ưu điểm hoạt động êm dịu, hiệu suất lý thuyết cao, đạt tới 50% đến 80% hiệu suất lý tưởng chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch (như chu trình Carnot) việc chuyển hóa nhiệt thành công không phát thải chất độc hại Tuy nhiên, nhược điểm tỉ số công suất/khối lượng cao, khó thay đổi linh hoạt công suất mô-men, giá thành cao [1] Động Stirling ứng viên phù hợp sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau, giải pháp hiệu chứng minh sử dụng lượng tái tạo (mặt trời, địa nhiệt,…) nhiều nước giới (Hình 1) Về lịch sử phát triển động Stirling, William Beale (1960) phát minh động Stirling dạng free piston Năm 1969, kỹ sư Phòng nghiên cứu Philips (Hà Lan) lần cho đời động Stirling nhiều xy-lanh (Rhobic Drive) với công suất tới vài trăm mã lực General Motors (1977) giới thiệu động Stirling sử dụng ô tô W.R Martini (1978) [2] đưa dẫn việc thiết kế động Stirling sử dụng lĩnh vực hàng không vũ trụ G Walker (1980) [3] khái quát lý thuyết bản, sở việc nghiên cứu động Stirling Qua kỉ 21, việc áp dụng động Stirling kết hợp sử dụng lượng mặt trời trở nên phổ biến qua nghiên cứu M.He, S.Sanders [4] Team04, Dr Militzer [5] Đây động Stirling phát triển ứng dụng xe ô tô (hình 2) Hình Động Stirling sử dụng lượng mặt trời Arizona (Mỹ) Hình Xe ô tô lai sử dụng động Stirling 385 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Tại Việt Nam, TS Phan Quang Xưng đồng nghiệp [6] nghiên cứu động Stirling sử dụng lượng mặt trời (hình 3) cho mẫu động sử dụng để bơm nước sinh hoạt ngày Bơm nước sử dụng lượng mặt trời sử dụng hiệu trường hợp bơm nước từ bể lên bồn chứa dùng bơm nước từ ao hồ, sông ngòi dùng cho tưới tiêu cho nông trường Hình Động Stirling sử dụng lượng mặt trời để bơm nước Ngoài ra, mạnh Việt Nam nhiều địa phương có tiềm lớn nguồn nguyên liệu sẵn có địa phương, đặc biệt phụ phẩm từ hoạt động nông nghiệp chăn nuôi biomass, biogas, … Chính thế, đối tượng nghiên cứu nhóm nghiên cứu, thiết kế chế tạo động Stirling hợp lý để sử dụng PHƯƠNG PHÁP VÀ CƠ SỞ NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lý thuyết Động Stirling hoạt động theo chu trình Stirling hình: Trong đó, – tình đẳng nhiệt – trình đẳng tích – trình đẳng nhiệt – trình đẳng tích Hình Đồ thị P – V T – S chu trình Stirling [7] Hiệu suất nhiệt: t   Tmax Tmin 2.2 Yêu cầu thiết kế - Động Stirling thiết kế đơn giản kết cấu để dễ dàng thay đổi thông số kỹ thuật nhằm phục vụ nghiên cứu cải thiện khả hoạt động - Độ tin cậy cao - Có khả sử dụng nguyên nhiên liệu Việt Nam - Giá thành không cao - Chênh lệch nhiệt độ hai buồng nóng lạnh cao 386 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Có nguồn tài liệu tham khảo phong phú nhằm dễ dàng đưa so sánh đối chứng - Phù hợp với vật liệu khả chế tạo có Việt Nam 2.3 Phương án thiết kế Động Stirling có ba dạng Alpha, Beta Gamma: Mô tả Dạng Alpha Dạng Beta Dạng Gamma Động dạng Alpha có hai piston nằm hai xylanh tách rời Trong đó, bên xy-lanh nóng, bên xy-lanh lạnh hai xy-lanh hồi nhiệt Dạng Beta dạng lâu đời động Stirling Gồm piston displacer (con chạy), hai nằm xylanh tạo nên khối thẳng hàng Dạng Gamma dạng động hoạt động chệnh lệch nhiệt độ xy-lanh nóng lạnh không cao Gồm piston displacer nằm hai xy-lanh Kết cấu Ưu điểm Kết cấu đơn giản - Kích thước nhỏ gọn - Hoạt động chênh lệch động Stirling kiểu nhiệt độ nhỏ (chỉ từ đến So với hai dạng lại 6oC) công suất đạt lớn Alpha Gamma đơn vị - Độ xác độ bền thể tích vật liệu không cần cao Khó khăn việc làm kín - Khó bôi trơn piston Nhược điểm xy lanh - Khó khăn việc tìm vật liệu làm xy lanh nóng - Công suất không đạt tối đa kiểu Alpha Khó khăn phần chế tạo piston truyền Bôi trơn piston xylanh khó khăn Có tỷ số nén nhỏ, hiệu suất thấp loại Công suất riêng thấp Kích thước lớn Dựa vào nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm dạng động Stirling yêu cầu kỹ thuật đưa ra, nhóm chọn dạng Alpha phương án thiết kế để xây dựng mô hình động 2.4 Phương pháp tính toán Dựa công thức mà Schmidt đề cập: Các thông số đầu vào: VE  m  VSE   cos( x)   V DE P.V E R.T E  P.V R R.T R  VC  VSC   cos( x  Ø)   VDC P.V C R.T C 387 V  V V V E C R Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Xác định tỉ số: t TC V ; v C TE VE X DE  VDE ; VSE X DC  VDC ; VSE XR  VR VSE Các thông số: a  tan 1 v sin(dx) t  cos(dx) 4tX R  v  X DC 1 t S  t  2tX DE  B  t  2tv cos(dx)  v c  B S Áp suất động cơ: Pmean S  B 2mRTC P VSE ( S  B cos(  a)) hay P  Pmean  c S  B cos( x  a )   c.cos( x  a ) Áp suất trung bình động cơ: Pmean   2  2 Pdx  Pmean  2mRTc VSE S  B 2 Áp suất nhỏ động cơ: Áp suất lớn động cơ: 2mRTc Pmin  Pmax  VSE ( S  B ) Công giãn nở: WE  Công nén: Pmean VSE  c.sin(a)   c2 WC   Hiệu suất: Công suất thị: e Wi WE 2mRTc VSE ( S  B) Li  Wi n Công thị: Pmean VSE  c.t.sin(a) Wi    c2 Hiệu suất lý thuyết: Wi e WE Pmean VSE  c.(1  t ).sin( a ) 1 1 c Khối lượng biogas cung cấp: mbiogas  Ne LHV Bảng Vật liệu phận Hình Mô hình hình học tính toán động Stirling dạng Alpha 388 Bộ phận Vật liệu Nắp xy-lanh nóng Đồng Thân xy-lanh nóng Thép Nắp xy-lanh lạnh Nhôm Thân xy-lanh lạnh Nhôm Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Kết tính toán thông số đầu vào: Thông số Bảng Thông số đầu vào động Stirling Đơn vị Giá trị ban đầu Thông số Đơn vị Giá trị ban đầu VSE m3 125,6.10-6 TE K 673 VSC m3 125,6.10-6 TC K 303 VDE m3 23,6.10-6 TR K 488 VDC m3 23,6.10-6 θ độ 90 VR m3 35.10-6 f hz 8,333 2.5 Kết tính toán Bảng Khối lượng nhiên liệu cần dùng Bảng Kết tính toán lý thuyết động Stirling dạng Alpha Thông số Ký hiệu Đơn vị bar Nhiên liệu Nhiệt trị [8] (kJ/kg) Khối lượng cần dùng (kg/s) LPG 46 607 1,418.10-6 CNG 47 141 1,402.10-6 Biogas* 21104.4 (66,67% CH4) 3,132.10-6 Thông số thiết kế ban đầu Áp suất trung bình Pmean 1,61 Công suất Li W 66,1 Hiệu suất lý thuyết e % 55 *: đo từ khảo sát thực tế Đồ thị công thị theo tính toán lý thuyết: Hình Đồ thị công thị động Stirling dạng Alpha theo tính toán lý thuyết NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ SƠ BỘ Các thí nghiệm bước đầu thực Phòng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Động đốt với nhiên liệu khí LPG để kiểm tra biến đổi nhiệt độ buồng nóng buồng lạnh, hồi nhiệt theo thời gian Động đặt lên bệ thử gắn đồng hồ đo áp suất bên phía xy-lanh lạnh, cảm biến nhiệt độ nắp xy-lanh nóng, nắp xy-lanh lạnh hồi nhiệt để đo nhiệt độ dòng khí 389 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV nóng bên Ngoài ra, nhiệt độ bề mặt buồng nóng lạnh đo đo nhiệt độ kiểu tiếp xúc hiển thị số Ngọn lửa từ bình LPG tiếp xúc vuông góc với mặt đầu nắp xy-lanh Động thí nghiệm điều kiện gia nhiệt tới 380oC khoảng 10 phút môi trường tự nhiên Môi chất công tác làm mát qua cánh tản nhiệt bên xy-lanh lạnh Động làm mát không khí đối lưu tự nhiên Hình Mô hình động Stirling thử nghiệm Kết thực nghiệm: Hình Nhiệt độ bên buồng nóng Hình Nhiệt độ bên buồng lạnh Hình 10 Nhiệt độ hồi nhiệt Hình 11 Áp suất buồng lạnh 390 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 8, hình hình 10 cho thấy điều kiện lửa tiếp xúc trực tiếp với vách xy-lanh thời gian gia nhiệt tăng nhiệt độ bên bên buồng nóng tăng nhanh, nhiệt độ hồi nhiệt buồng lạnh tăng không nhiều Điều môi chất công tác trước tới phận bị rò rỉ bên Vì thế, nhiệt độ tăng chủ yếu dẫn nhiệt phận Sau vài lần thử nghiệm, mối ghép nắp xy-lanh thân xy-lanh bên nóng bị hở gây sụt áp, rò rỉ không khí bên Điều hai phận làm từ hai vật liệu khác có hệ số giãn nở nhiệt không Sau thử nghiệm, động phải giải nhiệt từ 30 đến 45 phút Trong trường hợp gia nhiệt buồng nóng lên 600 độ C giữ nhiệt độ phút piston bị bó kẹt Động chưa hoạt động KẾT LUẬN Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thành công động đốt hoạt động theo chu trình Stirling Động cho phép gia nhiệt độ buồng nóng lên tới 600 độ C Động chưa hoạt động gặp vấn đề việc làm kín độ giãn nở vật liệu chế tạo xy-lanh nóng Do tiếp xúc trực tiếp với lửa, 10 phút, nhiệt độ bên buồng nóng tăng nhanh từ nhiệt độ môi trường 28oC lên 370oC Nhiệt độ buồng lạnh bên tăng từ 32oC lên 36oC chủ yếu truyền nhiệt chi tiết Hướng phát triển tập trung vào: (1) vận hành ổn định động cơ, (2) đánh giá đặc tính động theo thông số vận hành nguồn cấp khác LỜI CẢM ƠN Bài viết thực khuôn khổ Chương trình hỗ trợ NCKH dành cho sinh viên quy năm 2014 Nhóm tác giả chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu ĐHBK hỗ trợ kinh phí nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chin-Hsiang Cheng, Hang-Suin Yang, Optimization of geometrical parameters for Stirling engines based on theoretical analysis [2] Martini, W.R (1978), Stirling Engine Design Manual, Published by University PR of the Pacific [3] G Walker., Stirling Engines, (1980), Oxford University Press [4] Mike He Seith Sander, Design of a 2.5 kW Low Temperature Stirling Engine for Distributed Solar Thermal Generation [5] Team 04 & Dr Militzer, December Report [6] Hoàng Dương Hùng đồng nghiệp, Nghiên cứu động Stirling sử dụng lượng mặt trời [7] http://www.powerfromthesun.net/Book/chapter12/chapter12.html [8] http://greet.es.anl.gov/ 391 ... thế, đối tượng nghiên cứu nhóm nghiên cứu, thiết kế chế tạo động Stirling hợp lý để sử dụng PHƯƠNG PHÁP VÀ CƠ SỞ NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lý thuyết Động Stirling hoạt động theo chu trình Stirling hình:... Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thành công động đốt hoạt động theo chu trình Stirling Động cho phép gia nhiệt độ buồng nóng lên tới 600 độ C Động chưa hoạt động gặp vấn đề việc làm kín độ giãn nở... nhiệt theo phương pháp Schmidt XDE Tỉ số thể tích chết thể tích quét bên buồng nóng t Hiệu suất nhiệt theo chu trình Stirling GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ Động Stirling động đốt phát minh Robert Stirling