nghiên cứu động cơ stirling sử dụng nhiệt thải

Nội dung nghiên cứu xoay quanh vấn đề tận dụng nguồn khí thải có sẵn thải ra trong quá trình hoạt động của động cơ để làm nguồn cấp nhiệt cho động cơ Stirling hoạt động và chạy máy phát

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ QUỐC VIỆT

NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ STIRLING SỬ DỤNG NHIỆT THẢI

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246

S K C0 0 4 4 3 4

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ QUỐC VIỆT

NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ STIRLING

SỬ DỤNG NHIỆT THẢI

Tp Hồ Chí Minh, năm 2014

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LÊ QUỐC VIỆT

NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ STIRLING

SỬ DỤNG NHIỆT THẢI

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246

Hướng dẫn khoa học: PGS TS HOÀNG AN QUỐC

Tp Hồ Chí Minh, năm 2014

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Ngày, tháng, năm sinh: 02/08/1988 Nơi sinh: Đồng Nai

Địa chỉ liên lạc: 387 KP3, P Long Bình Tân, Biên Hòa, Đồng Nai

Điện thoại riêng: 0973512813 Email: quocviet288@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Ngành học: Công Nghệ Kĩ Thuật Ô Tô

Tên Đồ án tốt nghiệp:“Nghiên cứu chế tạo mô hình hệ thống điều khiển tốc độ cầm chừng ISC”

Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 06/2010, tại Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn: ThS Trần Văn Nguyện

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…

Ký tên

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy cô đã giảng dạy chương trình cao học ngành Kĩ thuật Cơ khí động lực, những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức hữu ích về chuyên ngành, làm cơ sở để tôi thực hiện tốt luận văn

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người đã luôn ở bên cạnh tôi, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Cuối cùng tôi xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn đến các bạn đồng nghiệp đã

hỗ trợ cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, học tập và thực hiện đề tài luận văn hoàn chỉnh

Trong thời gian thực hiện luận văn, mặc dù tôi đã cố gắng nhiều để hoàn thành tốt tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp quý báu của quý thầy cô và các bạn

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2014

Học viên thực hiện

Lê Quốc Việt

TÓM TẮT

Đề tài trình bày về việc nghiên cứu ứng dụng động cơ Stirling sử dụng nhiệt thải trên ô tô, xe máy để phát điện Nội dung nghiên cứu xoay quanh vấn đề tận dụng nguồn khí thải có sẵn thải ra trong quá trình hoạt động của động cơ để làm nguồn cấp nhiệt cho động cơ Stirling hoạt động và chạy máy phát điện mini để tạo

ra nguồn điện Nghiên cứu cũng chỉ ra phương pháp tính lượng nhiệt thải từ một động cơ cụ thể, phương pháp thiết kế một động cơ Stirling phù hợp với lượng nhiệt thải đó Trong nghiên cứu, tác giả thực hiện được việc chế tạo và thử nghiệm một động cơ Stirling nhỏ, sử dụng nguồn nhiệt thải từ xemáy để phát điện thắp sáng cho các bóng đèn Led Kết quả thu được với hiệu suất tận dụng nhiệt thải cao nhất là 1,284% ứng với giá chế độ tải của động cơ là 40%, công suất tải do máy phát phát

ra đạt giá trị lớn nhất là 0,21W

Các vấn đề cần nghiên cứu của đề tài đã được thể hiện trong năm chương của luận văn:

 Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

 Chương 3: Tính toán thiết kế động cơ Stirling

 Chương 4: Thử nghiệm ứng dụng động cơ Stirling

 Chuong 5: Kết luận và định hướng nghiên cứu

ABSTRACT

Topic presented in the research is the application of Stirling engine using waste heat in cars, motorcycles to generators.The content of research is problems utilize available emissions emitted during operation of the engine to supply heat for the Stirling engine to running small generator to generate electric power.The research also provided the method for calculating the amount of waste heat from a specific engine, method to design a Stirling engine is consistent with that waste heat source.In the research, the author performed the fabrication and testing of a small Stirling engine, using waste heat from the engine of motorcycle to generate electricity to illuminate Leds.Results obtained with maximumwaste heat efficiency

is 1,284% correspondingregime load of motorcycle engine is 40%,maximum power

of generator is generated 0,21W

Issues of research topics were presented in five chapters of the thesis:

 Chapter 1 : Overview of research topics

 Chapter 2 : Theoretical Basis

 Chapter 3 : Calculate and design the Stirling engine

 Chapter 4 : Experimental application of the Stirling engine

 Chapter 5 : Conclusions and research orientation

LỜI NÓI ĐẦU

rachotoànthế giớimột bài toánkhóvềvấnđềnhiênliệu.Nhiềunướcđãrasứctìm nguồnnguyên liệu thích hợp nhưng cho đến nay chưa có kết quả tối ưu

Thế giới chưa kịp phổ biến sản phẩm cồn etanol trên các phương tiện vận tải

do Braxin khởi xướng thì phải nhận lấy bao nhiêu trục trặc mà nó mang lại như: nồng độ tạp chất cao, quá trình cháy sinh ra axit làm hỏng nhanh chóng động cơ

ViệtNamchúngta vớinguồntàinguyênđadạngcũngđãtìmđượcnhững nguồnnguyênliệuthaythế,đángchúýhơncảlàDieselsinhhọc(Bio-Diesel)chiết

xuấttừcáTra,cáBasa, quả Jatropha…Tuy đã thuđượcnhữngkếtquảbanđầu nhưng tínhchất làmtrươngnởcaosuvànhấtlànhiềutrườnghợptàuthuyềnchếtmáygiữabiển khơiđãgâyranhữngthiệthại quálớn

Vìvậychúngtakhócóthểtìm đượcnguồnnguyênliệuthaythếhoànhảo trongtươnglai gần

ĐộngcơStirling cólịchsửtừrấtlâuđời được phátminhtrướccảđộngcơ xăngvàDiesel.Hiệntạiđộngcơnàycònnhữnghạnchếcầnkhắcphục,nhưngcác

nhàchếtạovẫnkhôngngừngquantâmnghiêncứubởi mộtđặcđiểmmàkhôngmột loạiđộngcơnàocóđược đó là khảnăngsửdụngbấtkìnguồnnhiênliệunàotừ thancủi,thanđá,dầumỏ,nănglượngmặttrời, địa nhiệt, nhiệt thải…

VớimụctiêuchínhlànghiêncứuđộngcơStirling sử dụng nhiệt thải đểthấyđượcnhững ưuđiểmcủanó,từđóđềxuấtkhảnăngpháttriểncũngnhưlà sửdụngđộngcơStirlingvàcungcấpchocác thế hệsinhviênđisau một tàiliệutìm

hiểuvềđộngcơStirling,emđãchọnđềtài“Nghiên cứu động cơ Stirling sử dụng nhiệt

thải”choluận văntốtnghiệpcủamình

Mặcdùđãrấtcốgắnghoànthànhđềtài,nhưng dobướcđầulàmquenvới côngtácnghiêncứukhoahọc,trìnhđộbảnthâncònhạnchếnênđềtàinàykhông thể tránhkhỏinhữngsai sót.Rấtmongđượcsựthôngcảmvàgópýcủaquýthầycô vàcác bạnđểđềtàinàyđượchoànthiệnhơn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2014

Người thực hiện đề tài

Lê Quốc Việt

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN ii

CẢM TẠ iii

TÓM TẮT iv

ABSTRACT v

LỜI NÓI ĐẦU vi

MỤC LỤC viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT xii

DANH MỤC CÁC HÌNH xii

DANH MỤC CÁC BẢNG xvii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1

1.1.Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1

1.2.Tình hình nghiên cứu hiện nay 2

1.2.1.Các công trình nghiên cứu trong nước 2

1.2.2.Các công trình nghiên cứu nước ngoài 2

1.3.Mục đích nghiên cứu 6

1.4.Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 6

1.5.Đối tượng nghiên cứu 7

1.6.Phương pháp nghiên cứu 7

1.7.Lý do chọn đề tài 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1.Giới thiệu về động cơ Stirling 8

2.1.1.Khái niệm và lịch sử phát triển của động cơ Stirling 8

2.1.2.Phân loại động cơ Stirling 12

2.1.3.Đặc điểm cấu tạo của động cơ Stirling 13

2.1.4.Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ Stirling 15

2.1.5.Cấu tạo và hoạt động của các loại động cơ Stirling 19

2.1.5.1.Động cơ Stirling kiểu hai piston (kiểu alpha) 19

2.1.5.2 Động cơ Stirling kiểu piston phụ 22

2.2.2.Hiệu suất nhiệt lý thuyết của chu trình Stirling 29

2.2.2.1.Quá trình nén đẳng nhiệt 1-2 29

2.2.2.2.Quá trình nung nóng đẳng tích 2-3 30

2.2.2.3.Quá trình giãn nở đẳng nhiệt 3-4 30

2.2.2.4.Quá trình làm lạnh đẳng tích 4-1 31

2.3.Phương pháp thiết kế động cơ Stirling theo chu trình Schmidt 33

2.3.1.Các giả thiết cơ bản của chu trình 33

2.3.2.Các phương trình cơ bản của chu trình 34

2.3.2.1 Động cơ Stirling kiểu Alpha 35

2.3.2.2 Động cơ Stirling kiểu Beta 38

2.3.2.3 Động cơ Stirling kiểu Gamma 40

2.3.2.4 Tính toán năng lượng, công suất và hiệu suất 42

2.4 Phương pháp tính các thông số khí thải của động cơ đốt trong và lượng nhiệt có thể cung cấp cho động cơ Stirling 43

2.4.1.Giới thiệu về khí thải động cơ đốt trong 43

2.4.2.Tính toán lượngkhíxảGkxdođộng cơchínhxả ra 45

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ STIRLING 47

3.1 Lựa chọn và tính toán nguồn nhiệt thải 47

3.2 Tính toán thiết kế động cơ Stirling theo thông số nhiệt thải 49

3.2.1 Tỉ số nhiệt độ tuyệt đối giữa nguồn nóng và nguồn lạnh 50

3.2.2 Lựa chọn tỷ số thể tích cho động cơ Stirling theo tỉ số nhiệt độ 50

3.2.3 Tính thể tích làm việc lớn nhất của động cơ theo lượng nhiệt thải 51

3.2.4 Tính toán thông số động cơ 52

3.2.4.1 Các thông số ban đầu để thiết kế động cơ Stiling: 52

3.2.4.2 Các thông số thiết kế thiết kế động cơ Stiling: 52

3.3 Thiết kế và gia công các chi tiết của động cơ Stirling 55

3.3.1 Bản vẽ thiết kế 55

3.3.2 Gia công các chi tiết 57

3.4 Tính chu trình nhiệt của động cơ thiết kế 59

3.4.1 Các thông số ban đầu 59

3.4.2 Thể tích các không gian làm việc của động cơ 59

3.4.3 Tính toán nhiệt lượng cho động cơ Stirling thiết kế 61

3.4.3.1 Nhiệt lượng cần thiết để nung nóng môi chất công tác 61

3.4.3.2 Nhiệt lượng truyền qua xylanh giản nở 62

3.4.3.3 Nhiệt lượng truyền qua phần đỉnh của xylanh giãn nở 63

3.4.3.4 Nhiệt lượng truyền qua piston giãn nở 63

3.4.3.5 Nhiệt lượng truyền qua bộ tản nhiệt 63

3.4.3.6 Nhiệt lượng truyền qua ống nối giữa 2 xylanh 64

3.4.3.7 Nhiệt lượng truyền qua xylanh nén 64

3.4.3.8 Nhiệt lượng truyền qua piston nén 65

3.4.3.9 Nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho động cơ 65

3.4.4 Tính toán chu trình nhiệt động học của động cơ Stirling 65

3.4.4.1 Khối lượng môi chất công tác 65

3.4.4.2 Quá trình cấp nhiệt đẳng tích 1-2 65

3.4.4.3 Quá trình giản nở đẳng nhiệt 2-3 66

3.4.4.4 Quá trình làm mát đẳng tích 3-4 66

3.4.4.5 Quá trình nén đẳng nhiệt 4-1 66

3.4.4.6 Công tính toán của động cơ 67

3.4.4.7 Hiệu suất nhiệt tính toán của động cơ 67

3.4.4.8 Khả năng sử dụng nhiệt thải xe máy của động cơ Stirling theo thiết kế 68

CHƯƠNG 4 THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ STIRLING 69

4.1 Mục tiêu và yêu cầu của việc thử nghiệm động cơ Stirling 69

4.1.1 Mục tiêu 69

4.1.2 Yêu cầu và điều kiện thử nghiệm 69

4.2 Phương pháp và bố trí thực nghiệm 70

4.2.1 Phương pháp thử nghiệm 70

4.2.2 Bố trí thử nghiệm 70

4.2.2.1 Bố trí lắp đặt mô hình thử nghiệm 70

4.2.2.2 Các chi tiết trong mô hình thử nghiệm 71

4.3.Kết quả thực nghiệm 77

4.3.1 Kết quả đo nhiệt độ khí thải của xe máy theo tốc độ động cơ và chế độ tải 77

4.3.2 Kết quả thử nghiệm hoạt động của động cơ Stirling theo các chế độ thử nghiệm 78

4.3.2.1 Trường hợp 1: động cơ xe máy hoạt động ở 20% tải, nhiệt độ khí thải khoảng 250oC 78

4.3.2.2 Trường hợp 2: động cơ xe máy hoạt động ở 40% tải, nhiệt độ khí thải khoảng 350o C 79

4.3.2.3 Trường hợp 3: động cơ xe máy hoạt động ở 60% tải, nhiệt độ khí thải khoảng 430o C 80

4.3.3 Kết quả đo điện áp phát ra và công suất tải của động cơ Stirling theo

nhiệt độ khí thải 81

4.3.4 Đánh giá hiệu suất sử dụng nhiệt thải của động cơ Stirling trên thực tế 83 4.4.Đánh giá kết quả thử nghiệm 85

4.5.Chương trình mô phỏng và tính toán thông số động cơ Stirling 86

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 87

5.1.Những vấn đề đã giải quyết 87

5.2.Những vấn đề còn tồn tại 88

5.3.Hướng phát triển của đề tài 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

TR Nhiệt độ bộ hoàn nhiệt, độ K

Tmax, TE, TH Nhiệt độ nguồn nóng, độ K

𝑚 Lưu lượng khối lượng, kg/s

V SE Thể tích quét của piston giãn nở hoặc piston phụ

V SC Thể tích quét của piston nén hoặc piston lực

V DE Thể tích chết của không gian giãn nở

V DC Thể tích chết của không gian nén

V E Thể tích tức thời của không gian giãn nở

V C Thể tích tức thời của không gian nén

V Thể tích tức thời tổng thể của động cơ

x, dx Góc lệch pha giữa hai piston

L E Công suất của quá trình giãn nở

L C Công suất của quá trình nén

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1: Robert Stirling - người phát minh ra động cơ Stirling 9

Hình 2.2: Mô hình động cơ của Robert Stirling sáng chế (1816) 9

Hình 2.3: Tổ hợp động cơ Stirling - Máy phát điện của công ty Philips 10

Hình 2.4: Một số thiết bị sử dụng động cơ Stirling (a) Hệ thống năng lượng mặt trời, (b) Bơm nhiệt, (c) Thiết bị làm lạnh, (d) Tàu ngầm 11

Hình 2.5: Bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời của trường Đại học Đà Nẵng 12

Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling 13

Hình 2.7: Động cơ Stirling kiểu alpha với cơ cấu Ross - Yoke (a) và cơ cấu Ross Rocker (b) 15

Hình 2.8: Khi chưa cấp nhiệt 16

Hình 2.9: Cấp nhiệt cho một đầu của xy lanh 16

Hình 2.10: Không khí có áp suất cao đẩy piston đi ra 17

Hình 2.11: Khi áp suất bên trong xy lanhcân bằng với áp suất khí quyển thì quá trình sinh công kết thúc 17

Hình 2.12: Ngừng cấp nhiệt, tăng cường làm mát Nhiệt độ và áp suất bên trong xy lanh giảm xuống 17

Hình 2.13: Piston chuyển động vào bên trong do áp suất không khí bên ngoài cao hơn 18

Hình 2.14: Nguyên lý hoạt động tự động của động cơ Stirling 18

Hình 2.15: Mô hình cấu trúc của động cơ Stirling kiểu alpha 19

Hình 2.16: Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu alpha nhiều xy lanh 20

Hình 2.17: Động cơ Stirling STM 4 - 120 của hãng STM Power 20

Hình 2.18: Chu trình hoạt động của động cơ Stirling kiểu Alpha 21

Hình 2.19: Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu Beta 22

Hình 2.20: Chu trình cấp nhiệt động cơ Stirling kiểu Beta 24

Hình 2.21: Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu Gamma 24

Hình 2.22:Quátrìnhnén(a) vàquá trìnhcấpnhiệt(b) 25

Hình 2.23: Quátrìnhgiãnnởsinhcông(a) vàquátrìnhlàmmát(b) 26

Hình 2.24: a) Mô hình cấu trúc động cơ Stirling, b) Đồ thị p – v, c) Đồ thị T – S 26

Hình 2.25: a - Khoảng dịch chuyển của piston ở các điểm giới hạn của chu trình; b - Đồ thị Thời gian - Khoảng dịch chuyển 28

Hình 2.26: Chu trình Stirling và chu trình Carnot 32

Hình 2.27: Động cơ Stirling kiểu Alpha 35

Hình 2.28: Động cơ Stirling kiểu Beta 38

Hình 2.29: Động cơ Stirling kiểu Gamma 40

Hình 2.30: Sự phân bố năng lượng trên xe 44

Hình 3.1: Đồ thị tỉ số thể tích động cơ Stirling theo tỉ số nhiệt độ […] 51

Hình 3.2: Cụm piston, xi lanh phụ và piston, xylanh lực 56

Hình 3.3: Cụm thanh nối và bánh đà 56

Hình 3.4: Cụm làm mát không gian giãn nở và không gian nén 57

Hình 3.5: Các chi tiết của động cơ sau khi chế tạo 58

Hình 3.6: Động cơ Stirling sau khi lắp hoàn chỉnh 59

Hình 4.1: Sơ đồ bố trí mô hình động cơ Stirling trên đường ống thải 70

Hình 4.2: Bố trí thử nghiệm thực tế 71

Hình 4.3: Mô hình động cơ Stirling 72

Hình 4.4: Cấu tạo ống pô đã chế tạo và vị trí lắp động cơ Stirling 72

Hình 4.5: Ống pô lắp lên xe máy và lắp động cơ Stirling 72

Hình 4.6: Đệm làm kín cổ pô và các dụng cụ tháo lắp 73

Hình 4.7: Thiết bị đo tốc độ động cơ xe máy 73

Hình 4.8: Thiết bị đo nhiệt độ bề mặt 74

Hình 4.9: Đồng hồ VOM và thao tác đo điện áp phát ra 74

Hình 4.10: Nhiệt kế điện tử 75

Hình 4.11: Bộ đo số vòng quay của động cơ Stirling 76

Hình 4.12: Giao diện đo số vòng quay của động cơ Stirling 76

Hình 4.13: Biểu đồ so sánh nhiệt độ khí thải theo tải động cơ và tốc độ 78

Hình 4.14: Biểu đồ điện áp phát ra theo tốc độ động cơ Stirling 83 Hình 4.15: Biểu đồ thể hiện công suất tải phát ra và nhiệt độ khí thải ứng với chế

độ tải của động cơ xe máy thử nghiệm 83

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Phân loại tổng quát động cơ Stirling 13

Bảng 2.2: Các kí hiệu sử dụng trong lý thuyết Schmidt 34

Bảng 3.1: Các thông số xe SYM EZ 110 47

Bảng 3.2: Bảng tổng hợp các thông số động cơ Stirling thiết kế 54

Bảng 3.3: Bảng tổng hợp các chi tiết và vật liệu chế tạo 58

Bảng 4.1: Độ chính xác của các dụng cụ đo 76

Bảng 4.2: Kết quả khảo sát nhiệt độ khí thải theo tải động cơ 77

Bảng 4.3: Các kết quả thử nghiệm trường hợp 1 79

Bảng 4.4: Các kết quả thử nghiệm trường hợp 2 80

Bảng 4.5: Các kết quả thử nghiệm trường hợp 3 81

Bảng 4.6: Các thông số của động cơ Stirling và công suất máy phát khi thay đổi chế độ tải của xe máy 82

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Từ lâu nay, vấn đề năng lượng là một vấn đề quan tâm hàng đầu của mọi người Nguồn dầu mỏ trên thế giới dù rất phong phú, nhưng sự khai khác dầu mỏ một cách ồ

ạt như hiện nay đã làm cho nguồn dầu mỏ ngày càng cạn kiệt dần, do đó giá dầu sẽ tăng cao Hơn nữa, trong thời đại ngày nay, khi mà vấn đề môi trường đang là vấn đề toàn cầu, môi trường đang bị ô nhiễm nặng, mà một trong những nguyên nhân chính đó

là do khí thải của động cơ Nồng độ của những chất gây ô nhiễm trong khí xả động cơ như NOx, CO, HC, bồ hóng có xu hướng gia tăng mạnh mẽ cùng với sự gia tăng nồng độ CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ bầu khí quyển, đã là đề tài bàn cãi ở nhiều diễn đàn quốc tế và khu vực

Tất cả những vấn đề đó, đòi hỏi ngành động cơ phải có những giải pháp thích hợp Động cơ đốt trong ngày nay dần dần sẽ được thay thế bằng các loại động cơ khác, trong đó động cơ Stirling đang được sự quan tâm của nhiều người Đây là loại động cơ đốt ngoài sử dụng môi chất công tác thể khí Động cơ có kết cấu đơn giản, không có các hệ thống phức tạp như hệ thống điện, hệ thống phun nhiên liệu Động cơ Stirling cung cấp côngtheo một chu trình trong đó piston nén khí ở nhiệt

độ thấp và cho khí giãn nở ở nhiệt độ cao Động cơ này có thể dùng bất kỳ nguồn nhiệt nào, quá trình cấp nhiệt có thể thực hiện bên trong hay bên ngoài xylanh

Động cơ Stirling xuất hiện khá sớm, với tên gọi trước đây là động cơ khí nóng, đựơc đưa ra lần đầu tiên bởi một mục sư người Scotland, có tên là Robert Stirling vào năm 1816 Sau một thời gian phát triển, tính năng ưu việt về công suất riêng của động cơ hơi nước đã làm lumờ động cơ Stirling Tuy nhiên, động cơ Stirling vẫn được quan tâm trong suốt thế kỷ XIX bởi tính chất đặc biệt của động cơ này đó là: nếu chu trình nhiệt động học được thực tiễn hóa thì hiệu suất của động cơ Stirling sẽ giống như hiệu suất của chu trình Carnot, tức là hiệu suất lý thuyết cực đại có được của bất kỳ động cơ nhiệt nào.Động cơ Stirling đã được thí nghiệm và sử

dụng trong các lĩnh vực như: máy làm lạnh, động cơ phát điện, động cơ tàu thủy, động cơ ô tô, động cơ máy bay, sử dụng trên các vệ tinh trong không gian

1.2 Tình hình nghiên cứu hiện nay

Hiện nay việc nghiên cứu động cơ Stirling được duy trì và phát triển mạnh mẽ

ở trong và ngoài nước Có nhiều công trình nổi tiếng được công bố rộng rãi Dưới đây là một số công trình nghiên cứu đã được công bố:

1.2.1 Các công trình nghiên cứu trong nước

 Đề tài:Nghiên cứu động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời

Tác giả: Hoàng Dương Hùng,Phan Quý Trà, Đại học Bách khoa Đà Nẵng [1] Tóm tắt:

Đề tài nghiên cứu ứng dụng là động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời, nhóm nghiên cứu tính toán thiết kế hoàn thiện sản phẩm bơm nước ứng dụng động

cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời 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

 Đề tài:Ứng dụng động cơ Stirling trong các thiết bị làm lạnh

Tác giả: Trần Quang Thạch, luận văn Thạc sĩ, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh, 2012 [2]

Tóm tắt:

Đề tài đã nghiên cứu ứng dụng động cơ Stirling cho các thiết bị làm lạnh như điều hòa tủ lạnh, giảm ô nhiễm do chất độc hại ảnh hưởng môi trường trong thiết bị làm lạnh gây ra Đề tài đã tính toán thiết kế động cơ phù hợp với yêu cầu đặt ra cùng với đó là đề xuất cải tiến hệ thống tương ứng Cùng với thực nghiệm đề tài đã rút ra nhiều kết quả khả thi để phát triển trong tương lai

1.2.2 Các công trình nghiên cứu nước ngoài

 Đề tài:Manufacturing and Testing of a V-Type Stirling Engine (Sản xuất và

kiểm nghiệm động cơ Stirling dạng chữ V) [6]

Tác giả:Halit Karabulut, Phòng Sư phạm Cơ khí, Đại học Gazi, Thổ Nhĩ Kì H¨useyin Serdar Yucesu, Atilla Koca, Phòng Sư phạm Cơ khí, Đại học Zonguldak Karaelmas, Thổ Nhĩ Kì

Tóm tắt:

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo và kiểm nghiệm động cơ Stirling chữ V loại nạp khí, dung tích quét 260 cc Tốc độ, momen của động cơ được kiểm nghiệm với giá trị nhiệt độ và áp suất nạp khác nhau trong phạm vi nhiệt độ từ 600 đến 1000 độ C

và 1 đến 4 bar Từ những thông số thực nghiệm đó, nhóm nghiên cứu xác định được khả năng, tình trạng làm việc của động cơ luôn ổn định Cũng qua đó nhóm đã khắc phục một phần sự rò rỉ khí khi động cơ làm việc với đề xuất nạp khí ngay tại vùng công tác của động cơ ở chế độ làm việc.Từ đó sẽ dần hoàn thiện động cơ để có thể hoạt động với dải nhiệt độ cao hơn.Piston gang hợp kim không cần xéc măng đã được sử dụng thành công

 Đề tài: Design studies of mobile applications with SOFC–heat engine

modules (Thiết kế mô hình các ứng dụng cơ động với mô đun kết hợp pin SOFC và động cơ nhiệt) [7]

Tác giả: Wolfgang Winkler, Hagen Lorenz, Khoa Cơ khí, Đại học Khoa học ứng dụng Harmburg, CHLB Đức

Tóm tắt:

Đề tài đã kết hợp pin nhiên liệu thể rắn (SOFC) và động cơ Stirling cùng với 1 Turbine nhỏ để tạo thành một hệ thống động lực đẩy xe chạy.Nguồn công suất này bao gồm 1 phần tử tạo công từ SOFC-HE (Solid Oxide Fuel Cell – Heat Engine), bộ lưu điện, mạch quản lý công suất và motor điện tại 4 bánh xe Đề tài đã tính toán tối

ưu hóa hệ thống để đạt giá trị tốt nhất.Với việc sử dụng 2 nguồn năng lượng này cùng với kết quả kiểm nghiệm khi sử dụng với hiệu suất cao, nhóm đã đề xuất sẽ áp dụng như phần bổ sung thêm 1 nguồn năng lượng mới sạch hơn, hiệu quả hơn cho ô

tô thay thế dần động cơ đốt trong hiện tại

 Đề tài: Design Automotive StirlingEngine Mod II (thiết kế động cơ Stirling

Mod II trên ô tô) [8]

Tác giả: Noel P Nightingale, Trung tâm Nghiên cứu Kĩ thuật Cơ khí,NY,Mĩ Tóm tắt:

Đề tài đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo động cơ Stirling ứng dụng cho xe ô tô thay thế động cơ đốt trong truyền thống Qua đó thu được kết quả tốt với tiềm năng

về tiết kiệm nhiên liệu và đạt hiệu suất kĩ thuật theo yêu cầu chung đối với động cơ Stirling Dự án đã thực hiện trong 9 năm và cho ra nhiều mẫu động cơ tương ứng với các mẫu xe cùng với các kết quả thực nghiệm tốt.Và đề tài nghiên cứu đã cho ra phiên bản cuối cải tiến là động cơ Stirling MOD II, động cơ này đã xóa bỏ những tranh luận về việc động cơ Stirling có khối lượng lớn, nặng nề, không thực tế, đắt tiền, hiệu năng thấp

Động cơ cải tiến này đã được trang bị trên xe Chevrolet Celebrity 1985 của hãng GM (General Motor) và đã đạt được tính kinh tế về nhiên liệu với giá trị là 17,5 km/lít với nhiện liệu kết hợp xăng không chì.Ngoài ra hiệu suất của động cơ đạt được trên 50% cao hơn so với động cơ đốt trong gắn trên cũng loại xe Động cơ Mod II Stirling là động cơ chữ V 4 xylanh được gắn trên 1 trục khuỷu Động cơ được trang bị đầy đủ các thành phần điều khiển và thiết bị để hoạt động như động

cơ ô tô bình thường

 Đề tài: Automotive Stirling Engine Development Project (Dự án phát triển

động cơ Stirling trên ô tô) [9]

Tác giả: W'dliam D Ernst, Richard K Shaltens, Trung tâm Nghiên cứu Kĩ thuật Cơ khí,NY, Mĩ

Tóm tắt:

Đề tài này tập trung vào phát triển và kiểm nghiệm các thành phần của động

cơ Stirling trên ô tô và kĩ thuật của hệ thống đã được thực hiện trước đó là 2 phiên bản Mod I và Mod II.Từ 2 phiên bản này qua các thí nghiệm trên thực tế cũng như

mô hình hóa, nhóm nghiên cứu đã đề xuất trang bị phiên bản Mod II cho ô tô.Điều này có được sau khi thử nghiệm Mod II trên ô tô với hơn 21000 giờ thử bao gồm cả

4800 giờ thử trên đường thực tế với quãng đường thực hiện là 59000 dặm.Qua đó chứng minh được Mod II hoạt động hiệu quả đúng với mục tiêu đặt ra của nhóm

nghiên cứu với công suất đạt được là 68 kW, hiệu suất cao Vì vậy loại động cơ này

đã được đề xuất trang bị trên ô tô và nó được sản xuất theo dự án ASE của chương trình kiểm định và đánh giá công nghiệp (ITEP), dự án khai thác kĩ thuật của NASA (TU)

 Đề tài: Advanced 35W free-piston StirlingEngine for space power applications

(Động cơ Stirling piston tự do 35W cho ứng dụng không gian) [10]

Tác giả: J.Gary Wood and Neill Lane, tập đoàn công nghiệp Sunpower, Ohio,Mĩ

Tóm tắt:

Dự án này thiết kế và kiểm nghiệm loại động cơ công suất 35 W Stirling ứng dụng cho công nghiệp vũ trụ Động cơ này được thiết kế với mong muốn đạt giá trị hiệu suất cao, khối lượng thấp Tổng quá trình nhiệt động học của động cơ này sau khi thiết kế kiểm nghiệm đã đạt hơn 50% Carnot với công suất 100 kW/kg.Động cơ này đã cho thấy được kết quả đáng mong đợi tại mức công suất thấp

 Đề tài: Performance Analysis of a Stirling Engine Fuelled by Diesel and

Ethanol and Transition to Bio-oil (Phân tích hiệu năng của động cơ Stirling được cung cấp nhiên liệu Diesel và Ethanol và tiến tới dùng dầu sinh học) [11]

Tác giả: Charles Habbaky, Adrian Boangiu, Luận văn Thạc sĩ Khoa học ứng dụng, Đại học Toronto, Canada

Tóm tắt:

Đề tài tập trung vào việc kiểm nghiệm hiệu năng của động cơ Stirling dùng công suất và nhiệt kết hợp (CHP Combined Heat and Power) được cung cấp nhiên liệu Diesel và Ethanol Để chứng minh việc tối ưu thành công loại động cơ này với nguồn năng lượng xen kẽ từ đó tiến tới cải tiến dùng dầu sinh học (Bio-oil)

Dữ liệu thu thập được qua quá trình kiểm nghiệm của nhóm cho thấy được việc giảm khí thải độc hại, giảm tiêu hao nhiên liệu, tỉ lệ không khí nhiên liệu.Quá trình kiểm tra ion hóa ngọn lửa (Flame ionization detector FID) đã được thực hiện

và cho thấy tồn tại mộtlượng hydrocarbon chưa cháy hết.Quá trình phân tích hiệu

suất cũng đã được thực hiện để so sánh giữa sự đốt nóng bằng nhiệt và điện cung cấp từ nguồn năng lượng bên ngoài Quá trình đo đạc và các vấn đề cũng đã được xác định và động cơ có thể chạy ổn định với module nhiên liệu nói trên Quá trình cháy bên ngoài cũng đã được thiết kế cho việc dùng dầu sinh học trên động cơ Stirling với cũng thuộc tính buồng cháy như trên

1.3 Mục đích nghiên cứu

Thông qua đề tài nghiên cứu về động cơ Stirling giúp hiểu rõ hơn về cơ sở lý thuyết, lịch sử, cấu tạo cũng như hoạt động của các loại động cơ Stirling nói riêng, động cơ nhiệt nói chung Qua đó, có thể chế tạo động cơ Stirling mẫu sử dụng nhiệt thải làm mô hình học tập và nghiên cứu

Bên cạnh đó, việc nghiên cứu động cơ Stirling sử dụng nhiệt thải cũng nhằm góp phần tạo nền tảng cơ bản và làm tiền đề cho việc phát triển và ứng dụng động

cơ Stirling rộng rãi hơn trong nước, đặc biệt là trong kĩ thuật ngành cơ khí động lực

1.4 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài là tìm hiểu về cơ sở lý thuyết, cấu tạo, phân loại và nguyên lý hoạt động của động cơ Stirling, từ đó tính toán chu trình nhiệt của loại động cơ này Thông qua các nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết sẽ tiến hành nghiên cứu và chế tạo một động cơ Stirling sử dụng nhiệt thải

Trình bày được các lý thuyết cơ sở và kiến thức liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu

Tính toán và thiết kế được một động cơ Stirling sử dụng nhiệt thải

Thử nghiệm động cơ Stirling trên thực tế và so sánh đánh giá kết quả thử nghiệm

Tuy nhiên, mặt hạn chế của đề tài là chỉ thực hiện đối với một loại động cơ Stirling cụ thể mà chưa nghiên cứu được các loại động cơ Stirling khác nhau

Hướng phát triển của đề tài là sẽ tiếp tục cập nhật thêm các nghiên cứu mới,

mở rộng phạm vi ứng dụng của đề tài Trong quá trình nghiên cứu, chế tạo thêm nhiều loại động cơ Stirling khác với những mục đích sử dụng và khả năng thích ứng khác nhau

1.5 Đối tượng nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết của động cơ Stirling

Cấu tạo và phân loại động cơ Stirling

Nguyên lý hoạt động và tính toán chu trình của động cơ Stirling

Nghiên cứu và chế tạo động cơ Stirling sử dụng nhiệt thải

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện đề tài, tác giả dự định sẽ thực hiện một số phương pháp nghiên cứu như sau:

 Phương pháp nghiên cứu tài liệu từ các nguồn tài liệu trong và ngoài nước

 Phương pháp phân tích các tài liệu mô phỏng và các thiết kế đã có, sau đó thực hiện công việc trên thực tế

 Phương pháp thực nghiệm khoa học, tính toán thiết kế và thử nghiệm kết quả

 Đưa ra giải pháp và thiết kế chế tạo sản phẩm

1.7 Lý do chọn đề tài

Nghiên cứu động cơ Stirling đã được nhiều tổ chức trong và ngoài nước thực hiện, tuy nhiên việc nghiên cứu và chế tạo động cơ này ở nước ta ít được chú trọng Đặc biệt là nghiên cứu và chế tạo động cơ Stirling sử dụng nhiệt thải

Đề tài dựa trên nền tảng các kiến thức, nghiên cứu đã có về động cơ Stirling,

từ đó nghiên cứu và phát triển động cơ Stirling sử dụng nhiệt thải ứng dụng trên ô

tô, giúp tận dụng nguồn nhiệt thải mà không gây bất kỳ ảnh hưởng gì đến hoạt động của động cơ cũng như các hệ thống khác Đó là những điểm mới mà em nhận thấy

đề tài này mang lại, vì vậy em quyết định chọn đề tài “ Nghiên cứu động cơ Stirling

sử dụng nhiệt thải” làm đề tài nghiên cứu cho mình

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu về động cơ Stirling

2.1.1 Khái niệm và lịch sử phát triển của động cơ Stirling

Các loại động cơ nhiệt phổ biến hiện nay không được cung cấp nhiệt năng từ bên ngoài một cách trực tiếp mà được cung cấp nhiên liệu, sau đó nhiên liệu được đốt cháy để tạo ra nhiệt năng Căn cứ vào vị trí đốt nhiên liệu, người ta chia động cơ nhiệt thành hai nhóm: động cơ đốt trong và động cơ đốt ngoài

Động cơ Stirling là một loại động cơ nhiệt thuộc nhóm động cơ đốt ngoài có piston Môi chất công tác của động cơ Stirling (thường là không khí, hydrogen hay helium) chỉ di chuyển trong một không gian đã được làm kín và có thành phần không thay đổi trong tất cả những giai đoạn khác nhau của chu trình công tác Khi môi chất công tác được một nguồn nhiệt từ bên ngoài (có thể là đốt cháy nhiên liệu, địa nhiệt, năng lượng mặt trời ) đốt nóng thì nó sẽ giãn nở và đẩy piston đi xuống

để sinh công cơ học Sau đó nó được làm mát và được một piston khác đẩy trở lại không gian nén để thực hiện chu trình làm việc tiếp theo Còn ở động cơ đốt trong,

ở những giai đoạn khác nhau của chu trình công tác, môi chất công tác có thành phần, trạng thái khác nhau và được gọi bằng những tên khác nhau như khí mới, sản phẩm cháy, khí thải, khí sót, hỗn hợp cháy, hỗn hợp khí công tác

Động cơ Stirling được phát minh vào năm 1816 do ông Robert Stirling- một mục sư người Scotland sáng tạo ra Phát minh này nhằm tạo ra một sự lựa chọn an toàn hơn động cơ hơi nước đang phổ biến lúc bấy giờ Nồi hơi của động cơ hơi nước thường xảy ra hiện tượng nổ do áp suất cao của hơi nước và nhiên liệu không thích hợp

Hình 2.1: Robert Stirling - người phát minh ra động cơ Stirling [17]

Thực ra, những ý tưởng phát minh ra một loại động cơ mới thay thế cho động

cơ hơi nước đã xuất hiện từ đầu những năm 1699 khi những điều luật đầu tiên về khí thải ra đời Năm 1807 nhà phát minh người Anh George Cayley đã phát minh ra động cơ khí nóng Nhưng mô hình động cơ Stirling của Robert Stirling đưa ra năm

1816 là được chú ý hơn cả và được xem là đáng giá nhất Nó cũng là một loại động

cơ nhiệt thuộc nhóm động cơ đốt ngoài như động cơ hơi nước nhưng nguyên lý sinh công của nó lại khác hẳn Nó sử dụng một nguồn nóng để nung nóng môi chất công tác bên trong xy lanh làm cho nó giãn nở và sinh công, sau đó lại dùng một nguồn lạnh để giải nhiệt cho môi chất công tác trước khi đẩy nó trở lại về phíađầu nóng

Hình 2.2: Mô hình động cơ của Robert Stirling sáng chế (1816) [17]

Thời kỳ phát triển mạnh nhất của động cơ Stirling là vào năm 1850 khi J Ericsson - một kỹ sư người Thụy Điển đã nghiên cứu và chế tạo ra những động cơ Stirling thực tế có công suất 0,5 đến 5 HP Riêng trong năm đó họ đã bán được khoảng 2000 chiếc ở Anh và Mỹ Những năm sau đó động cơ Stirling tiếp tục được nghiên cứu chế tạo nhằm 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 những năm cuối của thập niên 40 của thế kỷ XX, động cơ Stirling lại xuất hiện khá phổ biến dưới dạng tổ hợp máy phát điện xách tay do công ty Philips Electronics của Hà Lan chế tạo Cũng trong khoảng thời gian này, động cơ Stirling còn được nghiên cứu thử nghiệm như một loại máy lạnh

Hình 2.3: Tổ hợp động cơ Stirling - Máy phát điện của công ty Philips [21]

Trong hai lĩnh vực này động cơ Stirling đã đạt được những thành quả nhất định Tuy nhiên, chỉ một thời gian ngắn sau đó, khi có sự xuất hiện của ắc qui thì một lần nữa động cơ Stirling dưới dạng máy phát điện cỡ nhỏ lại bị loại bỏ dần nhường chỗ cho ắc qui, nguồn cung cấp điện năng tiện dụng hơn nhiều

Mặc dù vậy, động cơ Stirling vẫn được nghiên cứu cải tiến bởi tính chất nổi bật của loại động cơ này là: nếu chu trình nhiệt động học được thực tiễn hoá thì hiệu suất nhiệt của động cơ Stirling sẽ tương đương với hiệu suất nhiệt của chu trình

Carnot, tức là hiệu suất nhiệt sẽ cao hơn hiệu suất của bất kỳ động cơ nhiệt nào đã được sáng chế

Năm 1938 công ty N V Philips Glaxilampen Fabrieken của Hà Lan đã bắt đầu nghiên cứu chế tạo và sản xuất động cơ Stirling cung cấp cho thị trường Và cùng với công ty Philips, rất nhiều nhà khoa học đã trở lại 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 thì những con số ý nghĩa này còn có thể nâng cao hơn nữa

Những nghiên cứu phát triển ứng dụng động cơ Stirling trên phương diện vận chuyển cũng đã được các nhà sản xuất ô tô quan tâm từ giữa thế kỷ XX Mặt khác,

do có thể biến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành cơ năng nên động cơ Stirling được quan tâm nghiên cứu ứng dụng trên các con tàu không gian từ năm1995 Ngày nay, nghiên cứu động cơ Stirling để sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh cũng đang được đẩy mạnh Những năm gần đây, ở các nước Mỹ, Nhật, châu Âu, động cơ Stirling đang được nghiên cứu để trang bị cho tàu vũ trụ, phi thuyền sửdụng năng lượng mặt trời, tàu ngầm, các thiết bị làm lạnh

Hình 2.4: Một số thiết bị sử dụng động cơ Stirling (a) Hệ thống năng lượng mặt

trời, (b) Bơm nhiệt, (c) Thiết bị làm lạnh, (d) Tàu ngầm

Mới đây, tại Việt Nam chúng ta, trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã chế tạo thành công bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời, hoạt động theo nguyên tắc động cơ Stirling với các thông số kỹ thuật:

 Công suất trung bình: 5m3/ngày

 Áp suất hút tối đa: 5m H2O

 Áp suất đẩy tối đa: 10m H2O

Hình 2.5: Bơm nước sử dụng năng lượng mặt trờicủa trường Đại học Đà Nẵng [1]

Như vậy chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng rằng trong một tương lai không

xa nữa động cơ Stirling có thể sẽ trở lại và trở thành một trong những nguồn động lực phổ biến

2.1.2 Phân loại động cơ Stirling

Động cơ Stirling có thể được phân loại theo những tiêu chí khác nhau (bảng2.1) Nếu căn cứ vào đặc điểm cấu tạo, có thể chia động cơ Stirling thành các loại sau:động cơ Stirling kiểu alpha (α), động cơ Stirling kiểu Beta (β) và động cơ Stirling kiểuGamma (γ)

Bảng 2.1:Phân loại tổng quát động cơ Stirling Tiêu chí phân loại Phân loại

Môi chất công tác

- Động cơ Stirling với môi chất công tác là không khí

- Động cơ Stirling với môi chất công tác là hydrogen

- Động cơ Stirling với môi chất công tác là helium

Nguồn nhiệt

- Động cơ Stirling sử dụng nhiên liệu làm nguồn nhiệt

- Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời

- Động cơ Stirling sử dụng nguồn địa nhiệt

Đặc điểm cấu tạo

- Động cơ Stirling kiểu alpha

- Động cơ Stirling kiểu Beta

- Động cơ Stirling kiểu Gamma

- Động cơ Stirling một xy lanh

- Động cơ Stirling nhiều xy lanh

Công dụng - Tổ hợp máy phát điện Sirling

- Máy lạnh Stirling

2.1.3 Đặc điểm cấu tạo của động cơ Stirling

Tuy có hình dáng bên ngoài, kích thước và cách bố trí rất khác nhau, nhưngtất

cả động cơ Stirling đều được cấu thành từ các bộ phận cơ bản với chức năng như sau:

Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling

 Bộ cấp nhiệt - bộ phận có chức năng cấp nhiệt cho môi chất công tác Môi chất công tác thường dùng cho động cơ Stirling là không khí, hydrogen hoặc helium Nguồn nhiệt cho động cơ Stirling có thể là từ xăng dầu, than củi, năng lượng mặt trời, v.v

 Bộ hồi nhiệt - bộ phận có chức năng thu nhận nhiệt của môi chất công tác khi

nó đi từ không gian giãn nở có nhiệt độ cao sang không gian nén có nhiệt độ thấp hơn và truyền lại phần nhiệt đã thu nhận cho môi chất công tác khi môi chất công tác 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 môi chất công tác thải nhiệt ra môi trường bên ngoài Đối với động cơ Stirling, môi chất công tác có thể được làm mát bằng không khí hoặc nước

 Piston giãn nở và piston nén: piston giãn nở là bộ phận tiếp nhận áp lực của môi chất công tác khi giãn nở để sinh công cơ học Piston nén là bộ phận có chức năng nén và đẩy môi chất công tác từ không gian nén qua các bộ trao đổi nhiệt về không gian giãn nở Hai piston giãn nở và nén được đặt lệch pha nhau một góc nào

đó thường là 900

 Xylanh giãn nở và xylanh nén: xylanh giãn nở là bộ phận dẫn hướng piston giãn nở và cùng với piston giãn nở tạo ra không gian giãn nở Xylanh nén là bộ phận dẫn hướng piston nén và cùng với piston nén tạo ra không gian nén

 Không gian giãn nở: không gian nằm giữa piston giãn nở và bộ cấp nhiệt Tại không gian giãn nở, môi chất công tác có nhiệt độ và áp suất cao sẽ giãn nở đồng thời đẩy piston giãn nở từ điểm chết trên đến điểm chết dưới để sinh công

 Không gian nén: là nơi môi chất công tác được làm mát sau khi được đẩy từkhông gian giãn nở qua, sau đó được nén và đẩy trở lại không gian giãn nở

 Cơ cấu truyền lực: bao gồm các bộ phận có chức năng tiếp nhận lực đẩy của môi chất công tác và truyền lực đó đến các bộ phận tiêu thụ đồng thời phối hợp chuyển động của các piston Cơ cấu truyền lực của động cơ Stirling có thể cấu tạo

kiểu thanh truyền trục khuỷu tương tự như ở động cơ đốt trong thông dụng hoặc có thể có các cấu trúc đặc biệt khác, chẳng hạn như cơ cấu Ross - Yoke (hình 2.7.a), hay cơ cấu Ross - Rocker (hình 2.7.b)

Hình 2.7: Động cơ Stirling kiểu alpha với cơ cấu Ross - Yoke (a) và cơ cấu Ross

Rocker (b); (1- Không gian giãn nở, 2 - Piston giãn nở, 3, 4 - Môi chất công tác,5 -

Không gian nén, 6 - Piston nén) [20]

2.1.4 Nguyên lý hoạt độngcơ bản của động cơ Stirling

Xét một xylanh được làm kín một đầu và đầu còn lại được bịt kín bằng một piston (xem hình 2.8) và một ít không khí chứa bên trong Piston chuyển động qua lại tự do nhưng hầu như kín để không khí bên trong không thoát được ra bên ngoài Giả sử, lúc ban đầu toàn bộ thiết bị có nhiệt độ bằng nhiệt độ đầu lạnh và bằng nhiệt độmôi trường Lúc này không khí bên trong có áp suất bằng áp suất khí quyển Với điều kiện đó piston sẽ đứng yên ở vị trí ban đầu

Hình 2.8: Khi chưa cấp nhiệt

Nếu ta đốt nóng một đầu xylanh (đầu nóng), nguồn nhiệt được sử dụng có thể

là chùm tia bức xạ mặt trời hội tụ tại đầu xylanh hoặc một cách đơn giản là dùng một ngọn nến Khi đó áp suất và nhiệt độ của không khí bên trong sẽ tăng lên, giãn

nở đẩy piston chuyển động và sinh công hữu ích Bất kỳ nguồn nhiệt nào cũng có khả năng sinh công, nhưng nhiệt độ càng cao thì sinh ra công càng lớn Động cơ không thể chuyển nhiệt thành công một lần rồi ngừng như trên mà phải cókhả năng sinh công liên tục

Hình 2.9: Cấp nhiệt cho một đầu của xy lanh

Quá trình sinh công vẫn tiếp diễn nếu còn quá trình giãn nở của không khí bên trong xylanh Tuy nhiên, piston chuyển động ra ngoài quá xa nó sẽ vượt ra ngoài xylanh, quá trình sinh công kết thúc Do vậy quá trình sinh công phải kết thúc trước khi điều đó xảy ra

Nếu khi piston chuyển động đến đầu bên phải của xy lanh ta ngừng quá trình cấp nhiệt và tăng quá trình thải nhiệt bằng cách tăng cường làm mát cho xy lanh thì

áp suất và nhiệt độ không khí bên trong xy lanh giảm xuống Đến một lúc nào đó áp suất không khí bên trong thấp hơn áp suất khí quyển thì piston sẽ chuyển động ngược lại và trở lại vị trí ban đầu, chuẩn bị cho chu trình tiếp theo Trên thực tế thì piston chuyển động quay lại là nhờ vào lực quán tính của bánh đà làm cho trục khuỷu quay vòng tròn, từ đó thanh truyền sẽ đẩy piston chuyển động trở lại

Hình 2.10: Không khí có áp suất cao đẩy piston đi ra

Hình 2.11: Khi áp suất bên trong xy lanhcân bằngvới áp suất khí quyển thì quá

trình sinh công kết thúc

Hình 2.12: Ngừng cấp nhiệt, tăng cường làm mát Nhiệt độ và áp suất bên trong xy

lanh giảm xuống

Hình 2.13: Piston chuyển động vào bên trong do áp suất không khí bên

ngoài cao hơn

Vấn đề đặt ra đối với động cơ Stirling là làm thế nào để chúng hoạt động một cách tự động, tức là xylanh nhận, thải nhiệt và liên hệ chặt chẽ với sự chuyển động của piston (hình 2.14 trình bày nguyên lý hoạt động tự động của động cơ Stirling)

Hình 2.14: Nguyên lý hoạt động tự động của động cơ Stirling

1- Xy lanh, 2- Piston, 3- Thanh truyền, 4- Bánh đà,5- Puli,

6- Dây cáp, 7- Giá, 8- Lò xo, 9- Nguồn nhiệt

2.1.5 Cấu tạo và hoạt động của các loại động cơ Stirling

Tương tự như ở động cơ xăng và động cơ 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, nó bao gồm các quá trình: quá trình nén, quá trình cấp nhiệt, quá trình giãn nở sinh công và quá trình làm mát Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn cấu tạo và nguyên lý hoạt động của từng loại động cơ Stirling

2.1.5.1 Động cơ Stirling kiểu hai piston (kiểu alpha)

Các động cơ Stirling kiểu alpha có hai piston đặt trong hai xy lanh riêng biệt

và được nối kết với nhau bằng một chuỗi các bộ phận trao đổi nhiệt gồm bộ phận cấp nhiệt (heater), bộ phận hồi nhiệt (regenerator), và bộ phận làm mát (cooler) Hai piston này được bố trí lệch nhau một góc 90 độ Có một không gian có nhiệt độ cao gọi là không gian giãn nở hay buồng giãn nở (expansion space) và một không gian

có nhiệt độ thấp gọi là không gian nén hay buồng nén (compression space) Như vậy hai piston làm cho môi chất công tác di chuyển qua lại giữa hai không gian này

và cùng sinh công như nhau

Hình 2.15: Mô hình cấu trúc của động cơ Stirling kiểu alpha [20]

Động cơ Stirling kiểu alpha được xem là cấu hình động cơ Stirling đơn giản nhất, tuy nhiên nó mắc phải nhược điểm là cả hai piston đều phải được làm kín để chất khí không bị rò rỉ ra bên ngoài

Tương tự như ở động cơ đốt trong, động cơ Stirling cũng có thể được liên kếtlại thành động cơ Stirling nhiều xy lanh để cho công suất lớn hơn Trong trường hợp này, không gian giãn nở của một xy lanh được nối với không gian nén của một

xy lanh kế tiếp theo của một chuỗi kết nối: xy lanh bộ cấp nhiệt, bộ hồi nhiệt và bộ làm mát giống như ở hình 2.16

Hình 2.16: Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu alpha nhiều xy lanh

Hình 2.17:Động cơ Stirling STM 4 - 120 của hãng STM Power

Trên hình 2.17 là hình vẽ thể hiện kết cấu của động cơ Stirling kiểu Alpha với

ký hiệu STM 4-120 của hãng STM Power Động cơ này có bốn xy lanh các piston được dẫn động bằng cơ cấu cam