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

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

1 Nguyễn Nguyễn Thọ Lâm* 1a , Lâm Thành Cơ 1 , Nguyễn Hồ Xuân Duy 1 ,

Nguyễn Thế Bảo 1 , 2 Huỳnh Thanh Công 2b

1Bộ môn Ô tô – Máy động lực, Khoa Kỹ thuật Giao thông,

Trường ĐH Bách Khoa, ĐHQG TP HCM

2PTN Trọng điểm ĐHQG Động cơ đốt trong, ĐHQG TP HCM

a nntholam@yahoo.com; b hthanhcong@yahoo.com

TÓM TẮT

Bài báo trình bày phương pháp nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mẫu động cơ đốt ngoài hoạt động theo chu trình Stirling với nguồn nhiên liệu tại chỗ (như biogas) Dựa trên ba dạng chính của động cơ Stirling là Alpha, Beta và Gamma, bài viết đưa ra những so sánh với những tiêu chí về kỹ thuật và sự thích hợp trong việc sử dụng tại Việt Nam Kết quả là động cơ Stirling dạng Alpha được chọn là phương án thiết kế thích hợp Trong bài viết này, phương pháp tính toán của Schmidt được sử dụng để tính toán các thông số kỹ thuật cơ bản của động

cơ phục vụ công tác thiết kế kỹ thuật các chi tiết chính của động cơ và tiến hành một số thử nghiệm được thực hiện và báo cáo

Từ khóa: động cơ 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 và chữ viết tắt

x độ Góc quay trục khuỷu XDC Tỉ số thể tích chết và thể tích

quét bên buồng lạnh

VDE m3 Thể tích chết buồng nóng XR Tỉ số thể tích bộ hồi nhiệt và

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 bộ buồng nóng P bar Áp suất toàn động cơ

VC m3 Thể tích toàn bộ buồng lạnh Pmin bar Áp suất nhỏ nhất

VR m3 Thể tích bộ hồi nhiệt Pmax bar Áp suất lớn nhất

V m3 Thể tích toàn bộ động cơ Pmean bar Áp suất trung bình

TE K Nhiệt độ buồng nóng n rpm Tốc độ động cơ

TC K Nhiệt độ buồng lạnh Wi J Công chỉ thị

TR K Nhiệt độ bộ hồi nhiệt WE J Công giãn nở

m kg Khối lượng môi chất công

tác

WC J Công nén

t Tỉ số nhiệt độ giữa buồng

nóng và buồng lạnh

Li W Công suất chỉ thị

v Tỉ số thể tích giữa buồng

nóng và buồng lạnh

e Hiệu suất nhiệt theo phương

pháp Schmidt

XDE Tỉ số thể tích chết và thể tích

quét bên buồng nóng t Hiệu suất nhiệt theo chu trình

Stirling

1 GIỚI THIỆU VẤN ĐỀ

Động cơ Stirling là một động cơ đốt ngoài được phát minh bởi Robert Stirling năm

1816 Động cơ bao gồm một buồng nóng, một buồng lạnh thông nhau và hệ thống truyền động để đưa môi chất công tác di chuyển Từ đó môi chất công tác thay đổi trạng thái, nhận nhiệt và sinh công Động cơ Stirling có ưu điểm là hoạt động êm dịu, hiệu suất lý thuyết cao,

có thể đạt tới 50% đến 80% hiệu suất lý tưởng của chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch (như chu trình Carnot) trong việc chuyển hóa nhiệt năng thành công và không phát thải các chất độc hại Tuy nhiên, nhược điểm của nó là tỉ số công suất/khối lượng cao, khó thay đổi linh hoạt công suất và mô-men, giá thành cao [1] Động cơ Stirling là một ứng viên rất phù hợp do có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau, là một giải pháp hiệu quả đã được chứng minh sử dụng năng lượng tái tạo (mặt trời, địa nhiệt,…) tại nhiều nước trên thế giới

(Hình 1)

Về lịch sử phát triển của động cơ Stirling, William Beale (1960) phát minh ra động cơ Stirling dạng free piston Năm 1969, các kỹ sư của Phòng nghiên cứu Philips (Hà Lan) lần đầu tiên cho ra đời động cơ Stirling nhiều xy-lanh (Rhobic Drive) với công suất tới vài trăm

mã lực General Motors (1977) giới thiệu động cơ Stirling sử dụng trên ô tô W.R Martini (1978) [2] đưa ra những chỉ dẫn đầu tiên trong việc thiết kế động cơ Stirling sử dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ G Walker (1980) [3] khái quát được lý thuyết cơ bản, cơ sở trong việc nghiên cứu động cơ Stirling Qua thế kỉ 21, việc áp dụng động cơ Stirling kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời trở nên phổ biến qua các nghiên cứu của M.He, S.Sanders [4] và Team04, Dr Militzer [5] Đây là động cơ Stirling đầu tiên được phát triển và ứng dụng trên

xe ô tô như (hình 2)

Hình 1 Động cơ Stirling sử dụng

năng lượng mặt trời tại Arizona (Mỹ)

Hình 2 Xe ô tô lai sử dụng động cơ

Stirling

Tại Việt Nam, TS Phan Quang Xưng và các đồng nghiệp [6] đã nghiên cứu về động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời (hình 3) và cho ra mẫu động cơ sử dụng để bơm nước sinh hoạt hằng ngày 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

Hình 3 Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời để bơm nước

Ngoài ra, thế mạnh của Việt Nam là nhiều địa phương có tiềm năng rất lớn về các nguồn nguyên liệu sẵn có tại các địa phương, đặc biệt những phụ phẩm từ hoạt động nông nghiệp và chăn nuôi như biomass, biogas, … Chính vì thế, đối tượng nghiên cứu của nhóm là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo động cơ Stirling hợp lý để có thể sử dụng

2 PHƯƠNG PHÁP VÀ CƠ SỞ NGHIÊN CỨU

2.1 Cơ sở lý thuyết

Động cơ Stirling hoạt động theo chu trình Stirling như hình:

Hình 4 Đồ thị P – V và T – S của chu trình Stirling [7]

Trong đó,

1 – 2 là quá tình đẳng nhiệt

2 – 3 là quá trình đẳng tích

3 – 4 là quá trình đẳng nhiệt

4 – 1 là quá trình đẳng tích

Hiệu suất nhiệt:

max min

1

t

T T

2.2 Yêu cầu thiết kế

- Động cơ Stirling thiết kế đơn giản về kết cấu để dễ dàng thay đổi các thông số kỹ thuật nhằm phục vụ nghiên cứu cải thiện khả năng hoạt động

- Độ tin cậy cao

- Có khả năng sử dụng nguyên nhiên liệu tại Việt Nam

- Giá thành không quá cao

- Chênh lệch nhiệt độ giữa hai buồng nóng và lạnh cao

- Có nguồn tài liệu tham khảo phong phú nhằm dễ dàng đưa ra những so sánh đối chứng

- Phù hợp với vật liệu và khả năng chế tạo hiện có tại Việt Nam

2.3 Phương án thiết kế

Động cơ Stirling có ba dạng chính Alpha, Beta và Gamma:

Dạng Alpha Dạng Beta Dạng Gamma

Mô tả

Động cơ dạng Alpha có

hai piston nằm ở hai

xy-lanh tách rời nhau Trong

đó, một bên là xy-lanh

nóng, một bên là xy-lanh

lạnh và giữa hai xy-lanh

là một bộ hồi nhiệt

Dạng Beta là dạng lâu đời nhất của động cơ Stirling

Gồm một piston và một displacer (con chạy), cả hai nằm trong cùng một xy-lanh tạo nên một khối thẳng hàng

Dạng Gamma là dạng động cơ hoạt động trong

sự chệnh lệch về nhiệt độ giữa xy-lanh nóng và lạnh không quá cao Gồm một piston và một displacer nằm ở hai xy-lanh

Kết

cấu

Ưu

điểm

- Kết cấu đơn giản

- So với hai dạng còn lại thì

công suất đạt được là lớn

nhất trên cùng một đơn vị

thể tích

- Kích thước nhỏ gọn hơn các động cơ Stirling kiểu Alpha và Gamma

- Hoạt động khi chênh lệch nhiệt độ nhỏ (chỉ từ 2 đến

6oC)

- Độ chính xác và độ bền vật liệu không cần cao

Nhược

điểm

- Khó khăn trong việc làm

kín

- Khó bôi trơn giữa piston

và xy lanh

- Khó khăn trong việc tìm

vật liệu làm xy lanh nóng

- Công suất không đạt tối đa như kiểu Alpha Khó khăn

ở phần chế tạo piston và thanh truyền

- Bôi trơn giữa piston và xy-lanh khó khăn

- Có tỷ số nén nhỏ, hiệu suất thấp nhất trong 3 loại

- Công suất riêng thấp

- Kích thước lớn

Dựa vào nguyên lý hoạt động, ưu và nhược điểm của các dạng động cơ Stirling và các yêu cầu kỹ thuật đưa ra, nhóm đã chọn dạng Alpha là phương án thiết kế để xây dựng mô hình động cơ

2.4 Phương pháp tính toán

Dựa trên các công thức mà Schmidt đề cập:

Các thông số đầu vào:

1 cos( )

2

SE

V

SC

m

Xác định các tỉ số:

C

E

T

t

T

E

V v

V

DE SE

V X V

DC SE

V X V

R SE

V X V



Các thông số:

tan

a







4

1

R

tX

t



S



Áp suất trong động cơ:

2

C SE

mRT P



1 )

P











Áp suất trung bình của động cơ:

2

2 1

c

SE

mRT





Áp suất nhỏ nhất của động cơ: Áp suất lớn nhất của động cơ:

min

2

c SE

mRT

P



2

c SE

mRT P





Công giãn nở: Công nén: Công chỉ thị:

2

n( )

me SE

E

an

W

c





1

.sin(

1

)

SE C

mean

W

c

 

( )

SE

m an i e

c

a V





Hiệu suất: Công suất chỉ thị: Hiệu suất lý thuyết: Khối lượng biogas cung cấp:

i

E

W

e

W

E

W e W

LHV



Hình 5 Mô hình hình học tính toán động cơ

Stirling dạng Alpha

Bảng 1 Vật liệu các bộ phận chính

Bộ phận Vật liệu

Nắp xy-lanh nóng Đồng Thân xy-lanh nóng Thép Nắp xy-lanh lạnh Nhôm Thân xy-lanh lạnh Nhôm

Kết quả tính toán các thông số đầu vào:

Bảng 2 Thông số đầu vào của động cơ Stirling

Thông số Đơn vị Giá trị ban đầu Thông số Đơn vị Giá trị ban đầu

VSE m3 125,6.10-6 TE K 673

2.5 Kết quá tính toán

Bảng 3 Kết quả tính toán lý thuyết

động cơ Stirling dạng Alpha

Thông số Ký

hiệu

Đơn

vị

Thông số thiết kế ban đầu

Áp suất

trung bình

Công suất Li W 66,1

Hiệu suất

lý thuyết

Bảng 4 Khối lượng nhiên liệu cần dùng 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*

(66,67% CH4)

21104.4 3,132.10-6

*: đo từ khảo sát thực tế

Đồ thị công chỉ thị theo tính toán lý thuyết:

Hình 6 Đồ thị công chỉ thị động cơ Stirling dạng Alpha theo tính toán lý thuyết

3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ SƠ BỘ

Các thí nghiệm bước đầu thực hiện tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Động cơ đốt trong với nhiên liệu là khí LPG để kiểm tra sự biến đổi nhiệt độ buồng nóng và buồng lạnh, bộ hồi nhiệt theo thời gian

Động cơ được đặt lên bệ thử và được gắn đồng hồ đo áp suất bên phía xy-lanh lạnh, cảm biến nhiệt độ tại nắp xy-lanh nóng, nắp xy-lanh lạnh và bộ hồi nhiệt để đo nhiệt độ dòng khí

nóng bên trong Ngoài ra, nhiệt độ bề mặt buồng nóng và lạnh được đo bằng bộ 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 cơ được thí nghiệm trong điều kiện được gia nhiệt tới 380oC trong khoảng 10 phút ở ngoài môi trường tự nhiên Môi chất công tác được làm mát qua các cánh tản nhiệt bên xy-lanh lạnh Động cơ làm mát bằng không khí đối lưu tự nhiên

Hình 7 Mô hình động cơ Stirling khi thử nghiệm

Kết quả thực nghiệm:

Hình 8 Nhiệt độ bên buồng nóng Hình 9 Nhiệt độ bên buồng lạnh

Hình 10 Nhiệt độ bộ hồi nhiệt Hình 11 Áp suất buồng lạnh

Hình 8, hình 9 và hình 10 cho thấy ở điều kiện ngọn lửa tiếp xúc trực tiếp với vách xy-lanh khi thời gian gia nhiệt tăng thì nhiệt độ bên trong và bên ngoài buồng nóng tăng nhanh, nhiệt độ bộ hồi nhiệt và buồng lạnh tăng nhưng không nhiều Điều này là do môi chất công tác trước khi đi tới các bộ phận này đã bị rò rỉ ra bên ngoài Vì thế, nhiệt độ này tăng là chủ yếu do dẫn nhiệt giữa các bộ phận

Sau vài lần thử nghiệm, mối ghép giữa nắp xy-lanh và thân xy-lanh bên nóng bị hở và gây sụt áp, rò rỉ không khí ra bên ngoài Điều này là do hai bộ phận này làm từ hai vật liệu khác nhau có hệ số giãn nở nhiệt không bằng nhau

Sau khi thử nghiệm, động cơ phải được giải nhiệt từ 30 đến 45 phút Trong trường hợp gia nhiệt buồng nóng lên hơn 600 độ C và nếu giữ nhiệt độ quá 5 phút thì piston sẽ bị bó kẹt Động cơ vẫn chưa hoạt động

KẾT LUẬN

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công động cơ đốt ngoài hoạt động theo chu trình Stirling Động cơ cho phép gia nhiệt độ buồng nóng lên tới 600 độ C Động cơ chưa hoạt động được do gặp vấn đề trong việc làm kín và độ giãn nở của vật liệu chế tạo xy-lanh nóng

Do tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa, trong 10 phút, nhiệt độ bên trong buồng nóng tăng nhanh từ nhiệt độ môi trường là 28oC lên 370oC Nhiệt độ buồng lạnh bên trong cũng tăng từ

32oC lên 36oC nhưng chủ yếu là do truyền nhiệt giữa các chi tiết

Hướng phát triển tiếp theo là tập trung vào: (1) vận hành ổn định của động cơ, (2) đánh giá đặc tính động cơ theo thông số vận hành và các nguồn cấp khác nhau

LỜI CẢM ƠN

Bài viết được thực hiện trong khuôn khổ Chương trình hỗ trợ NCKH dành cho sinh viên chính quy năm 2014 Nhóm tác giả chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu ĐHBK đã 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 và đồng nghiệp, Nghiên cứu động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời

[7] http://www.powerfromthesun.net/Book/chapter12/chapter12.html

[8] http://greet.es.anl.gov/