Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ stirling chạy bằng năng lượng mặt trời có công suất nhỏ

Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ stirling chạy bằng năng lượng mặt trời có công suất nhỏ Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ stirling chạy bằng năng lượng mặt trời có công suất nhỏ Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ stirling chạy bằng năng lượng mặt trời có công suất nhỏ Nghiên cứu thiết kế chế tạo động cơ stirling chạy bằng năng lượng mặt trời có công suất nhỏ

Trang 1

TÓM TẮT

Luận văn này trình bày nghiên cứu sử dụng năng lượng tái tạo cụ thê là năng lượng mặt trời để chạy động cơ Stirling và phát điện Gương parabol tạo ra ảnh của mặt

trời với nhiệt độ khoảng 530°C-1090°C tương ứng với cường độ phát xạ từ 600 —

1116W/nỮ Tại dãy nhiệt độ này đủ để tạo ra chuyền động quay trén déng co Stirling biến nó thành một máy phát điện Theo phương pháp này, điện sẽ được sản xuất và sau đó được sử dụng để chiếu sáng, hiệu quả cao nhất của mô hình khi nhiệt độ cấp cho piston lực là 1090°C tương ứng với cường độ phát xạ mặt trời 1116W/n khi đó công suất của động cơ là 0.179W Đề thuận tiện cho việc nghiên cứu thì mô hình động cơ

Stirling kiểu Gamma có công suất nhỏ được chế tạo phục vụ cho thí nghiệm

ABSTRACT

Trang 2

MỤC LỤC Trang Chuong 1: TONG QUAN VA NGUYEN LY HOAT DONG CUA DONG CO STIRLING 1 1.1 Tổng quan động cơ Stirling 1 1.1.1 Tình hình nghiên cứu 4 1.1.2 Lý do chọn đề tài 7

1.1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 8

1.2 Nguyén ly hoat d6ng va phan loai d6ng co Stirling 8

1.2.1 Nguyên ly hoạt động của động cơ Strrling 8

1.2.2 Phan loai d6ng co Stirling 9

1.2.2.1 Déng co Stirling kiéu Alpha 10

1.2.2.2 Déng co Stirling kiéu Beta 13

1.2.2.3 Déng co Stirling kiéu Gamma 15

1.3 So sánh các kiêu động cơ Stirling 17

1.3.1 So sánh động cơ Stirling kiểu hai piston với kiểu piston phụ 17

1.3.2 So sánh động cơ Stirling kiểu Beta với kiêu Gamma 17

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUT TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ

STIRLING 19

2.1 Dong co Stirling 19

2.1.1 Chu trình nhiệt động của động cơ Strrling 19

Trang 3

2.2 Chu trình nhiệt thực tế của động cơ Stirling 25

2.2.1 Đặt van dé 25

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt của động cơ Stirling 26

2.2.2.1 Ảnh hưởng do truyền nhiệt 26

2.2.2.2.Ảnh hưởng do hoàn nhiệt khơng hồn tồn 26

2.2.2.3 Ảnh hưởng do có sự rò rỉ môi chất 28

2.2.2.4 Ảnh hưởng do tồn tại không gian chết 29

2.3 Năng lượng mặt trời 30

2.3.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời và cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị nhiệt mặt

trời 30

2.3.1.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời 30

2.3.1.2 Một số khái niệm cơ bản 32

2.3.1.3 Cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị nhiệt mặt trời 32

2.4 Tính toán gương parabol cho động cơ Stirling cỡ nhỏ 34

2.4.1 Tính đường kính gương parabol 35

2.4.2 Tính chiều cao gương Parabol 36

Chuong 3: TINH TOAN THIET KE CHE TAO DONG CO STIRLING SU

DUNG NANG LUOQNG MAT TROL 38

3.1 Tinh va chon guong Parabol 38

3.2 Tính toan dong co Stirling 40

3.3 Thông số động cơ Stirling 42

3.4 Chi tiết chính động cơ Stirling 42

Trang 4

Chương 4: KÉT QUÁ VÀ THÍ NGHIỆM

4.1 Mô tả thí nghiệm

4.2 Thiết bị đo

4.2.1 Thiết bị đo cường độ bức xạ

Trang 5

DANH SÁCH CÁC KY HIỆU Tm„„: Nhiệt độ lớn nhất (°C) T„¡;: Nhiệt độ nhỏ nhất (“C) V„„„„: Thể tích lớn nhất (mm”) V„„„: Thể tích nhỏ nhất (mm) P„a„: Áp suất lớn nhất (N/m”) P„„„: Áp suất nhỏ nhất (N/m?)

R: Hăng số của chất khí (J/Kmol.độ)

Qn: Nhiệt lượng ở buông nén (J) S: Entropy (J/K) F Dién tich (m’) H Chiều cao (m) A: Hệ số hấp thụ R: Hệ số phản xạ

D: Đường kín của mặt trời (m) †: Tiêu cự gương Parabol (m)

p: Khoảng cách từ ảnh tới gương (m) k: Hệ số tập trung

Nạ.: Là công suất của động cơ (W)

£: Độ đen của vật liệu

œ: Hệ số gốc(độ/phút)

Trang 6

E: Cường độ bức xạ (W/m?)

tạ: Thời gian nắng trong ngày (giờ)

Aa: Hệ số suy giảm trong quá trình phản xạ r¿ Tỉ số nhiệt độ rv:Tỉ số thể tích v: tỉ số thể tích chiếm chỗ Vạc: Thể tích piston giãn nở (mm) Vsp: Thể tích piston lực (mm?) Vụ: Thể tích không gian chết (mm) Rauyu: Bán kính trục khuỷu (m)

Dyylanhphu: Duong kính xy lanh phụ (m) Lixylanhphu: Chiéu dai xy lanh phu (m)

Trang 7

DANH SACH CHU VIET TAT

He: Helium H,: Hydrogen

CNC: Computer Numerical Control

NLMT: Năng lượng mặt trời

Trang 8

DANH SÁCH CÁC BÁNG

Bảng Trang

Bảng 1.1 Phân loại động cơ Stirling 9-10

Bảng 3.1 Thông số gương Parabol 39

Bảng 3.2 Thông số thiết kế động cơ Stirling 42

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật đồng hồ TENMARS TM - 207 51

Bảng 4.2 Thong sé k¥ thuat cua déng hé do nhiét dd EXTECH- EA11A 52

Bang 4.3 Thông số mô hình 53

Trang 9

DANH SÁCH CÁC HÌNH Trang tựa Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9

Ông Robert Stirling

Dong co Stirling dugc phat minh nam 1816

Dong co Stirling dugc ché tao nim 1850

Động cơ Stirling được công ty Philips chế tạo năm 1940 Động cơ Stirling sử dụng nhiệt thải

Quá trình cấp nhiệt và làm mát của động cơ Stirling

Cấu tạo của động cơ Stirling kiêu Alpha

Động cơ Stirling kiểu Beta

Biểu diễn nguyên lý hoạt động của động cơ loại Beta Hình 1.10 Động cơ Stirling kiểu Gamaa

Hình 1.11 Biêu diễn nguyên lý hoạt động của động cơ loại Gamma Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4

Cau trúc cơ bản của động cơ Stirling Chu trình lý thuyết của động cơ Stirling Ảnh hưởng đo truyền nhiệt

Ảnh hưởng do hồn nhiệt khơng hồn toàn Ảnh hưởng đo rò rỉ môi chất

Ảnh hưởng không gian chết

Trang 10

Hinh 3.5 Piston gian no

Hinh 3.6 Xilanh luc

Hinh 3.7 Banh da chinh Hinh 3.8 Banh da phu Hình 3.9 Trục đỡ động cơ Hình 3.10 Đề động cơ Hình 3.11 Chi tiết động cơ được phay rãnh trên máy FINETECH SMV2060-H3L Hình 3.12 Chi tiết động cơ được gia công trên máy rãnh trên máy tiện CNC TAKANG — 460

Hình 3.13 Động cơ Stirling loại Gamma sau khi chế tạo

Hình 4.1 Động cơ Stirling loại Gamma sử dụng năng lượng mặt trời Hình 4.2 Thiết bị đo cường độ bức xạ

Hình 4.3 Đồng hồ đo nhiệt độ EXTECH - EA11A

Hình 4.4 Đồ thị giữa cường độ bức xạ và công suất động cơ

Hình 4.5 Mối quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ động cơ

Trang 11

Chuong 1: TONG QUAN VA NGUYEN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA DONG CO STIRLING

1.1 Tổng quan 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”[1]

Hinh 1.1 Ong Robert Stirling

Trong hé thống phân loại động cơ nhiệt, động cơ Stirling được xếp vào nhóm động cơ đốt ngoài vì nhiệt cấp cho động cơ được sinh ra tir viéc đốt nhiên liệu bên ngoài động cơ, đây là loại động cơ có chức năng chuyên hoá nhiệt năng thành cơ

nang Phat minh dau tiên của Ông đó là động cơ kiêu con trượt (kiểu Beta) như ở hình

Trang 12

Hình 1.2 Động cơ Stirling được phát mình năm 1816

Vào những năm 1850 có thể nói động cơ Stirling bước vào thời kỳ hoàn kim bởi những sáng kiến chế tạo của Ông J Ericsson một kỹ sư người Thụy Điển mang

lại Ông đã chế tạo động cơ Stirling có công suất lên đến 5 HP và đã bán được gần

Trang 13

Vào những năm 1940 công ty Philips đã đưa vào ứng dụng phô biến động cơ

Stirling để phát điện lại xuất hiện khá phổ biến đưới đạng tô hợp máy phát điện có công suất từ 200W đến 500W Các máy phát điện này được dùng ở nhiều mục đích

nhưng chủ yếu là các tram hai đăng, các trạm khí tượng tự động, các tram khuếch đại

tín hiệu thông tin v.v

Hình 1.4 Động cơ Stirling được công ty Philips chế tạo 1940

Cũng trong thời gian này, động cơ Stirling được nghiên cứu và thử nghiệm như là một loại máy lạnh Rất nhiều loại máy làm lạnh của công ty Phillips dugc đưa ra thị trường có công suất một phần của Watt đến các máy công nghiệp lớn có năng lực làm lạnh tới hàng ngàn kilô Watt Nhưng chỉ một thời gian ngắn sau đó, một lần nữa động cơ Stirling lại bị lãng quên bởi sự xuất hiện của acqui Vì acqui có khả năng dự trữ và cung cấp điện năng tiện dụng hơn nhiều so với động cơ Stirling - máy phát Mặc dù vậy, động cơ Stirling vẫn được quan tâm trong suốt thế kỷ XIX bởi

tính chất có một không hai của nó Nếu chu trình nhiệt động được thực tiễn hoá thì

Trang 14

Những nghiên cứu phát triển và ứng dụng động cơ Stirling trên phương tiện vận tải cũng đã được các nhà sản xuất ô tô quan tâm từ nửa đầu thế kỷ XX Mặt khác, do có thê biến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành cơ năng, nên động cơ Stirling rất được quan tâm nghiên cứu ứng dụng trên các con tàu không gian từ năm 1995,

Ngày nay, nghiên cứu động cơ Stirling để sử dụng các nguồn năng lượng tái

sinh cũng đang được đây mạnh Đặc biệt là trong lĩnh vực nắng lượng sạch, động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời sẽ được quan tâm đúng mức và phát triển phục vụ nhu cầu đa dạng trong sản xuất và phát triển kinh tế xã hội

1.1.1 Tình hình nghiên cứu

Tình hình nghiên cứu trong nước: Phan Quang Xưng - Hoàng Dương Hùng[2] Đề tài nghiên cứu là ứng dụng 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 với công suất là 5m”/ ngày Bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời này có thể sử dụng hiệu quá 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

Trần Quang Thạch[3] với đề tài Ứng dụng động cơ Siirling trong các thiết bị làm lạnh Đề tài đã nghiên cửu 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 thông tương ứng Cùng với thực nghiệm đề tài đã rút

ra nhiều kết quả khả thi để phát triển trong tương lai

Nguyễn Vũ Lân và cộng sự[4] đã nghiên cứu về việc Tết kế chế tạo Động Cơ Stirling sw dung nhiét thải(hình 1.5) Bài báo này nghiên cứu sử dụng động cơ

Stirling như một thiết bị để tận dụng nhiệt thải từ xe ô tô và xe máy đề phát điện

Trang 15

trong một hệ thống pin Hiệu quả thu hồi năng lượng cao nhất của mô hình thí nghiệm này là 1.284% Nghiên cứu cũng đã phát triển hệ thống tính toán lượng nhiệt từ khói thải ra của một động cơ xe máy thông thường có sẵn trên thị trường Electric nerator Compression piston Hinh 1.5 Dong co Stirling sw dung nhiét thai

Pham Ngoc Hién[5] véi dé tai nghién ciru x4y dựng chương trình tính chu

trình nhiệt động của động cơ Stirling sử đụng năng lượng mặt trời Đề tài đã nghiên cứu phân loại động cơ Stirling bao gồm các loại: Alpha, Beta, Gamma và nguyên lý hoạt động của từng loại động cơ Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến động cơ Stirling Mặt khác đề tài còn nghiên cứu tổng quan về năng lượng mặt trời qua đó tính toán các thiết bị nhiệt sử dụng năng lượng mặt trời Nghiên cứu xây dựng chương trình tính chu trình nhiệt động của động cơ Strrling sử dụng năng lượng mặt trời

Nguyễn Bốn — Hoàng Dương Hùng[6] thực hiện đề tài nghiên cứu cơ sở lý thuyết về năng lượng mặt trời, sản phẩm sử dụng nhiệt từ năng lượng mặt trời, tính toán các loại gương sử dụng năng lượng mặt trời và đưa ra giải pháp hiệu quả để nâng cao hiệu suât của động cơ

Trang 16

được việc sử dụng thiết bị chưng cất dạng tắm phắng nhiều cấp để kết hợp với collector đê chưng cât nước

Tình hình nghiên cứu ngoài nước: S.FIrstner, I Furstner[8] đã nghiên cứu sử dụng động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời với kết quá là tận dụng được

gần 50% lượng nhiệt mà gương Parabol tạo ra

MingJiang NI và cộng sự[9]|; Bài báo báo này nghiên cứu thực nghiệm gia nhiệt dòng chảy dao động của helium, nitrogen và carbon dioxide trong ống hình chữ

U trong gia nhiét trong pham vi 332°C - 516°C Helium co hé sé truyén nhiệt cao nhất ctia 115,2-192,1 W/(m’.K) va chénh léch nhiệt độ thấp nhất 30.1°C - 54°C giữa thành

ống và môi chất làm việc Với kết quả nghiên cứu này thì môi chất lý tưởng để sử

dụng cho động cơ Stirling là Helium, tuy nhiên vì lý do an toàn Helium là chất dễ gây cháy nỗi ở nhiệt độ cao nên không khí là môi chất thường được sử dụng trong động cơ

Stirling vì không khí vừa có sẵn và an toàn cho người sử dụng

Christopher J Paul, Abraham Engeda[10], Nghién cứu sử dụng nhiên liệu có

nhiệt độ thấp cấp cho động cơ Stirling dưới 900°C với điều kiện tăng bề mặt tiếp xúc

động cơ với nguồn nhiệt, hiệu suất đạt được là 23,6%

Jose Ruelas và cộng sự[ 1 !] Nghiên cứu mô phỏng hình học ảnh của mặt trời kết hop voi dong co Stirling

Noel P Nightingale[12] với tên dé tai Design Automotive Stirling Engine Mod IL Dé tài đã nghiên cứu thiết kế, chế tao dong co Stirling str dung trên xe 6 tô thay thế

động cơ đốt trong 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 Với phiên bản động

cơ Stirlng MOD II, động cơ này có những đặc điểm nôi bật như có hiệu suất cao, khối lượng tương đối nhỏ và không chiếm diện tích

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 phân điều khiến và thiết bị để hoạt động như

Trang 17

D6ng co Stirling MOD II duge sur dung trén xe Chevrolet Celebrity 1985 cua hang GM (General Motor) va hiéu quả sử dụng nhiên liệu 17,5 km/lit Ngoai ra hiéu suất của động cơ đạt được trên 50% cao hơn so với động cơ đốt trong gắn trên cùng một loại xe

Halit Karabulut[13] Nhóm nghiên cứu đã chế tạo và kiểm nghiệm động cơ Stirling chit V loai nap khi, 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 ôn định Cũng qua đó nhóm đã khắc phục một phân sự rò ri khí khi động cơ làm viỆc với để 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

1.1.2 Ly do chon dé tai

Dựa trên những kết quá nghiên cứu trong và ngoài nước kết hợp với tình hình

Trang 18

1.1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiÊn cứu

Mục tiêu nghiên cứu thiết kế động cơ Stirling:

- Nghiên cứu công nghệ của động cơ đốt ngồi Stirling - Tính tốn thiết kế chế tạo động cơ Stirling có công suất nhỏ - Tính toán và chọn thiết bị nhiệt mặt trời gương Parabol

- Thực hiện các thí nghiệm trên mô hình dé tim ra dai cường độ bức xạ mặt trời phù hợp trong vận hành động cơ công suất nhỏ

Nhiệm vụ:

- Trên cơ sở kế thừa những kết quá nghiên cứu trong và ngoài nước thực hiện

nghiên cứu công nghệ của động cơ Stirling qua đó ta tính toán thiết kế chế tạo động

cơ Stirling có công suất nhỏ đồng thời kết hợp với việc tính toán chọn thiết bị nhiệt

mặt trời gương Parabol dé cấp nhiệt cho động cơ Sau đó thực hiện đo đạt lay két qua

làm tiền đề cho các nghiên cứu sau này

1.2 Nguyên lý hoạt động và phân loại động cơ Stirling

1.2.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ Stirling

Chu trình nhiệt động của động cơ Stirling bao gồm 4 quá trình cơ bản là làm

lạnh đăng tích, nén đẳng nhiệt, cấp nhiệt đăng tích cuối cùng là giãn nở đẳng nhiệt Trong quá trình hoạt động, môi chất sẽ được đây từ không gian giãn nỡ đến không gian làm mát và ngược lại, nhờ vào sự đi chuyến của hai piston, hai piston này đặt

lệch nhau 90° trên trục của động cơ Chính vì điều này tạo ra chuyển động quay trên

trục động cơ, từ đó ta có các ứng dụng của động có Stirling trong đời sống hằng ngày

Trang 19

a b

d C

Hình 1.6 Quá trình cấp nhiệt và làm mắt của động cơ Stirling

a— Trạng thải chưa cấp nhiét;b — Trang thai cap nhiét; c,d — Trang thai lam mat

1.2.2 Phan loai déng co Stirling

Tùy vào mục đích sử dụng mà động cơ có công suất từ vài W đến hàng ngàn kW và tùy thuộc vào độ lớn và phương thức cấp nhiệt Có nhiều tiêu chí dé phân loại động cơ Stirling nhưng có các tiêu chí cơ ban sau[5]:

Bảng I.]I Phân loụi động cơ Stirling

STT Tiêu chí phân loại Các loại động cơ Stirling

> Động cơ Stirling kiểu alpha

ủy > Động cơ Stirling kiểu Bcta

1 Theo dac diém cau tao ¬

> Dong co Stirling kiêu Gamma > Dong co Stirling hinh chi V

> Động co Stirling chay bằng nhiên liệu (than, dầu, khí đốt, v.v.)

2 Theo nguồn nhiệt > Động cơ Stirling chạy bằng địa nhiệt

> Dong co Stirling chay bang năng lượng mặt troi

Trang 20

> Dong co Stirling sw dyng MCCT la khí helium

" (He)

Theo môi chât sử dụng Si

3 > Động cơ Stirling sử dụng MCCT là không khí

cho động cơ ¬

> Dong co Stirling sw dung MCCT 1a khi hydr6 (2)

> Động cơ Stirling dùng để phát điện

> May lanh Stirling

4 | Theo mục đích sử dụng | Động cơ Stirling trén xe dtd

> Dong co Stirling sử dụng trên tàu thủy

1.2.2.1 Động cơ Stirling kiểu Alpha - Dac diém cau tao:

wn

Hình 1.7 Cấu tạo của động cơ Stirling kiểu Alpha

1 Trục khuỷu; 2 Thanh truyền; 3 Xylanh lực; 4 Piston giãn nở; 5 Không gian giãn nở;

6 Bộ cấp nhiệt; 7 Bộ hoàn nhiệt; 8 Bộ làm mát; 9 Không gian nén; 10 Piston nén;

11 Bánh đà

Động cơ Stirling kiểu Alpha có cấu tạo phức tạp so với kiểu Beta và Gamma đòi hỏi các chỉ tiết phải được chế tạo và lắp đặt chính xác bao gồm trục khuỷu, thanh truyền,

xylanh lực, PIiston giãn nở, không gian giãn nở, bộ cấp nhiệt, bộ hoàn nhiệt, bộ làm

mát, không gian nén, Piston nén, bánh đà trong đó:

Trang 21

Bộ cấp nhiệt được lắp ngay trên đầu của xylanh giãn nở và là vị trí cấp nhiệt cho môi chất bên trong động cơ, nguồn nhiệt cấp cho động cơ Stirling có thể được

cung cấp từ việc đốt cháy nhiên liệu là xăng, dầu, than hoặc là năng lượng mặt trời

Bộ hoàn nhiệt là bộ phận có chức năng thu nhận nhiệt của môi chất 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 khi môi chất đi ngược trở lại Có thể

xem bộ hoàn nhiệt như một thiết bị tận dụng năng lượng Động cơ Stirling vẫn có thé hoạt động khi khơng có bộ hồn nhiệt, nhưng trường hợp này hiệu suất của động cơ sẽ thấp hơn

Bộ làm mát có nhiệm vụ nhận nhiệt của môi chất khi đi từ không gian giãn nở sang không gian làm mát và có nhiệt vụ cấp nhiệt khi môi chất đi theo chiều ngược lai

Piston giãn nở và piston nén: piston giãn nở là bộ phận tiêp nhận áp lực từ

không gian giãn nở đê sinh công cơ học

Piston nén là bộ phận có chức năng nén và đây môi chât từ không gian nén qua các bộ trao đôi nhiệt vê không gian giãn nở

Xylanh giãn nở: Xylanh giãn nở cùng với pIston giãn nở tạo ra không gian

giãn nở

Xylanh nén: Xylanh nén cùng với piston nén tạo ra không gian nén

Không gian giãn nở là không g1an năm g1ữa pIston giãn nở và bộ câp nhiệt Tại

không gian giãn nở, môi chât có nhiệt độ và áp suật cao sẽ giãn nở đông thời đây piston giãn nở từ phía điêm chêt trên đên điệm chêt dưới đê sinh công

Không gian nén là nơi môi chất được được đây từ không gian giãn nở qua sau

khi được làm mát, sau đó môi chất được nén và đầy trở lại không gian giãn nở

Co cau truyền luc: bao gdm các bộ phận có chức năng tiệp nhận lực đây của

môi chat va truyén lực đó đên các máy công tác, đông thời nó có nhiệm vụ phôi hợp chuyên động của các piston Cơ cấu truyền lực của động cơ Stirling kiểu Alpha có thể

Trang 22

có cầu tạo kiểu thanh truyền - trục khuỷu tương tự như ở động cơ đốt trong

Nguyên lý hoạt động:

Động cơ Stirling hoạt động theo kiểu chu kỳ, bao gồm bốn chu trình liên tiếp nhau

Quá trình nén: Trong quá trình nén, cả hai piston giãn nở và piston nén đều đi lên, môi chất được nén lại trong không gian giữa hai đỉnh của hai piston) Môi chất trong không gian nén được làm mát để duy trì nhiệt độ không đôi tương ứng với mức

nhiệt độ nhỏ nhất của chu trình (T„„„) Quá trình nén kết thúc khi thê tích giữa hai

không gian trên đỉnh piston nén và piston giãn nở đạt giá trị nhỏ nhất, tức là khi piston

giãn nở đi đến điểm chết trên

Quá trình cấp nhiệt: Nhờ trục khuỷu tiếp tục quay, piston giãn nở bắt đầu từ điểm chết trên đi xuống, piston nén vẫn tiếp tục đi lên đây môi chất từ không gian nén sang không gian buồng giãn nở Trên đường lưu thông từ không gian nén sang không

gian giãn nở, môi chất được say nóng trong bộ hoàn nhiệt, sau đó môi chất được đốt nóng trong bộ cấp nhiệt đến nhiệt độ cao nhất của chu trình (T„a„) và áp suất của môi chất cũng đạt được giá trị lớn nhất (Pmax) rỗi đi vào không gian giãn nở Quá trình cấp nhiệt kết thúc khi piston nén đi tới điểm chết trên Trong quá trình cấp nhiệt, piston giãn nở đi xuống, còn piston nén đi lên, thé tích của môi chất coi như không đôi (cấp

nhiệt đăng tích)

Quá trình giãn nở sỉnh công: Ở trạng thái nhiệt độ Tmạ„ và ap suất P„„., môi chất trong không gian giãn nở thực hiện quá trình giãn nở, đây piston chuyên động về phía điểm chết dưới và sinh công có ích Đồng thời piston nén bắt đầu đi xuống Quá trình giãn nở kết thúc khi piston giãn nở đi tới điểm chết dưới

Quá trình nhả nhiệt: Piston giãn nở bắt đầu đi lên, piston nén tiếp tục đi xuống Sau khi giãn nở để sinh công, môi chất được piston giãn nở đây từ không gian giãn nở sang không gian nén Trên đường đi qua bộ hồn nhiệt, mơi chất nhả nhiệt cho bộ hoàn nhiệt (một phần nhiệt còn lại của môi chất sau giãn nở được bộ hoàn nhiệt thu và giữ lại) Đồng thời khi đi qua bộ làm mát, môi chất còn được làm mát

Trang 23

giảm nhiệt độ xuống g1á trỊ [mịn lrong quá trình nhả nhiệt, piston giãn nở đi lên và

piston nén đi xuống nên thể tích của môi chất coi như không đổi Quá trình nhả nhiệt kết thúc khi piston nén tới điểm chết dưới Sau đó chu trình mới lại được bắt đầu

Như vậy, trong mỗi chu trình công tác, môi chất lưu thông một lần từ không gian nén sang không gian giãn nở và một lần ngược trở lại từ không gian giãn nở sang

không gian nén Trong đó có một lần sinh công có ích

1.2.2.2 Động cơ Stirling kiểu Beta

- Đặc điểm cáu tạo: 4 5 2 G 1 vA

Hinh 1.8 Dong co Stirling kiéu Beta

5 Bo lam mat; 2 B6 hoan nhiét; 3 B6 cap nhiét; 4 Khong gian gian no;

5 Piston phu (con truot); 6 Khéng gian nén; 7 Piston luc

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 (H 1.3) bao gồm: piston lực, pIston phụ, bộ cấp nhiệt, bộ hoàn nhiệt, bộ làm mát, cơ cầu truyền lực Piston lực và piston phụ cùng được đặt trong một xylanh Piston phụ chỉ có nhiệm vụ đây môi chất 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

Trang 24

- Nguyên |ÿ hoạt động:

Hình 1.9 Biểu diễn nguyên lý hoạt động của động cơ lại Beta

Quá trình cấp nhiệt: Môi chất công tác từ không gian nén được piston phụ tiếp tục đây sang không gian giãn nở Khi đi qua bộ hồn nhiệt, mơi chất được sấy nóng

lên đến nhiệt độ Tạ„, sau đó môi chất được bộ cấp nhiệt đốt nóng đến nhiệt độ cao

nhất của chu trình (Tĩax) và ấp suất của môi chất cũng đạt được giá trị lớn nhất (Pmax), sau đó môi chất đi vào không gian giãn nở Quá trình cấp nhiệt kết thúc khi piston phụ tới điểm chết đưới Do cả hai piston cùng đi xuống nên thể tích của môi chất trong

quá trình cấp nhiệt coi như không đổi

Quá trình giãn nớ: Môi chất trong không gian giãn nở có nhiệt độ và áp suất cao đi qua phần trỗng giữa xylanh và piston phụ, đây piston lực đi xuống thực hiện

quá trình giãn nở và sinh công Quá trình giãn nở kết thúc khi piston lực đi tới điểm

chết dưới

Quá trình làm mát: Piston phụ đi lên và đây môi chất từ không gian giãn nở

sang không gian nén Trên đường đi qua các bộ trao đổi nhiệt, một phần nhiệt của môi chất được truyền cho bộ hoàn 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, thê tích của môi chất coi như không thay đổi Giai đoạn làm mát đắng tích kết thúc khi piston phụ lên đến

điểm chết trên Sau đó chu trình mới lại được bắt đầu

Như vậy, trong một chu trình công tác của động cơ Stirling kiêu Beta, các quá

Trang 25

trình đây môi chất từ buồng giãn nở sang buông nén và quá trình nén đây môi chất từ buồng nén sang buông giãn nở thực hiện khơng hồn tồn Vì có một phần môi chất đi qua khoảng trống giữa piston phụ và xylanh Điều này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng môi chất đi qua các bộ trao đôi nhiệt, làm ảnh hưởng không tốt đến quá trình trao đồi nhiệt Tuy nhiên động cơ Stirling kiểu Beta vẫn được ứng dụng khá phố biến vì có kết cầu đơn giản

1.2.2.3 Déng co Stirling kiéu Gamma - Dac diém cau tao:

Hinh 1.10 Dong co Stirling kiéu Gamma

l1 Bộ làm mát; 2 Bộ hoàn nhiệt; 3 Bộ cấp nhiệt; 4 Không gian giãn nở;

5 Piston phu; 6 Xylanh giãn nở; 7 Khơng gian nén; ư Xvianh lực; 9 Piston lực

Dong co Stirling kiéu Gamma thuộc nhóm động cơ Stirling kiểu piston phụ Có cấu tạo tương tự như động cơ Stirling kiéu Beta, nhung piston luc va piston phu duoc dat trong hai xylanh riêng biệt Cũng giống như d6ng co Stirling kiéu Beta, piston phụ chỉ có nhiệm vụ đây môi chất từ không gian nén sang không gian giãn nở Piston lực có nhiệm vụ tiếp nhận lực giãn nở của môi chất và truyền ra ngồi đưới dạng cơng cơ học

Trang 26

- Nguyên lý hoạt động: Hình 1.11 Biễu diễn nguyên lý hoạt động cia dong co Gamma

Quá trình nén: Piston phụ bắt đầu đi xuống từ điểm chết trên và piston lực dang di lên, môi chất nén lại và được làm mát để giữ nhiệt độ không đôi Quá trình nén kết thúc khi piston lực lên đến điểm chết trên

Quá trình cấp nhiệt: Piston lực bắt đầu đi xuống, piston phụ tiếp tục đi xuống

, piston phu day môi chất trong không gian nén đi qua các bộ trao đổi nhiệt sang

không gian giãn nở Tại bộ hồn nhiệt, mơi chất được sây nóng và tăng nhiệt độ lên đến Tụ„ và khi đi qua bộ cấp nhiệt, môi chất tiếp tục được nung nóng đến nhiệt độ T„„ Ở giai đoạn này, cả hai piston cùng đi xuống do đó thê tích môi chất coi như không

đôi Giai đoạn cấp nhiệt đăng tích kết thúc khi piston phụ xuống đến điểm chết đưới

Quá trình giãn nở sinh công: Môi chất sau khi được cấp nhiệt, có nhiệt độ và áp suất cao, thực hiện giãn nở đây piston luc di xuong sinh công có ích Piston phu bắt đầu từ điểm chết dưới đi về phía điểm chết trên Quá trình giãn nở sinh công kết thúc khi piston lực xuống đến điểm chết đưới

Quá trình nhá nhiệt: Piston lực bắt đầu đi lên, piston phụ tiếp tục đi lên và đây môi chất từ không gian giãn nở đi sang không gian nén Khi đi qua bộ hồn nhiệt,

mơi chất truyền nhiệt cho bộ hoàn nhiệt, đi qua bộ làm mát để tiếp tục làm mát Cả hai

Trang 27

piston di lên, thé tích coi như không đôi Giai đoạn làm mát đăng tích kết thúc khi piston phụ lên đến điểm chết trên Sau đó chu trình mới lại được bắt đầu

1.3 So sánh các kiểu động cơ Stirling:

Tuy về hình thức cấu tạo có khác nhau, nhưng nguyên lý hoạt động của các kiêu động cơ Stirling vừa giới thiệu ở trên cơ bản là như nhau Một chu trình công tác của chúng đều diễn ra theo thứ tự bốn quá trình: nén, cấp nhiệt, giãn nở và làm mát 1.3.1 So sánh động cơ Stirling kiểu hai piston với kiểu piston phụ

So sánh giữa các động cơ Stirlinh kiểu piston phụ với kiêu hai piston, động cơ Stirlinh kiểu piston phụ có những ưu điểm hơn kiểu hai piston như sau:

Việc làm kín không gian công tác ở động cơ Stirling kiểu piston phụ thuận lợi hơn, chỉ cần bồ trí xéc măng kín khí cho một piston (piston lực) Vì yêu cầu đối với việc làm kín không gian công tác ở động cơ Stirling là rất cao, đặc biệt trong trường hợp môi chất không phải là không khí mà là khí Hydrogen (H;) hoặc khí Heliun (He)

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 Chính điều này làm cho động

cơ kiểu piston phụ dễ cân bằng và ít rung động Vì piston phụ không tạo ra cơ năng

mà chỉ chịu lực khí thể xuất hiện do tốn thất dòng khí động lực học và lực quán tính

của bản thân nó Piston phụ có kết cấu nhẹ nên chỉ cần thanh truyền, ô đỡ có khối

lượng nhỏ Làm giảm đáng kế trọng lượng và tốn 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 nâng cao công suất riêng, ta có thể tăng áp cho động cơ Ở những động cơ nhỏ, việc tăng áp trong hộp trục khuỷu là rất thuận tiện Điều này không chỉ làm giảm nhẹ chức năng làm kín của xéc măng, mà còn giảm

bớt yêu cầu về độ bền của nhóm chỉ tiết piston, thanh truyền, ô đỡ

1.3.2 So sénh dong co Stirling kiéu Beta véi kiéu Gamma

Động cơ Stirling kiểu Beta và kiểu Gamma đều thuộc nhóm động cơ kiểu

Trang 28

piston phu, mỗi kiêu cũng có những ưu điểm, nhược điểm khác nhau

-_ Động cơ kiểu Beta, ứng với mỗi vòng quay của trục khuỷu, piston phụ và piston lực cùng quét một phân thể tích của xylanh ở các thời điểm khác nhau, nên

hiệu quả sử dụng không gian công tác của xylanh tốt hơn kiểu Gamma

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

không quét tới) tăng lên, từ đó làm giảm công suất riêng của động cơ

Tuy nhiên so với động cơ kiêu Beta, động cơ kiều Gamma có ưu điểm là dễ

bồ trí cơ cầu dẫn động băng thanh truyên trục khuỷu, vẫn đề làm kín không gian công

tác cũng dễ dàng hơn

Trang 29

Chương2: CƠ SỞ LÝ THUT TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ STIRLING

2,1 Động cơ Stirling

2.1.1 Chu trình nhiệt động của dong co Stirling

Động cơ Stirling nói riêng là động cơ nhiệt hiện nay nói chung đều hoạt động theo kiểu chu kỳ, trong đó việc biến đổi nhiệt năng thành cơ năng được thực hiện

bằng cách thực hiện các chu trình nhiệt động kế tiếp nhau[15-20] Chu trình nhiệt

động của động cơ nhiệt bao gồm tất cả những sự thay đôi về trạng thái của môi chất công tác diễn ra trong một giai đoạn hoạt động của động cơ tương ứng với một lần sinh công Nói cách khác, chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt bao gồm một số quá trình nhiệt động diễn ra kế tiếp nhau nhằm mục đích biến đổi nhiệt năng cấp cho môi chất công tác thành cơ năng, sau khi thực hiện các quá trình đó, môi chất công tác trở

về trạng thái ban đầu

Mục tiêu nghiên cứu chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt là xác định và

phân tích ảnh hưởng của những yếu tố khác nhau đến hiệu suất nhiệt của chu trình; áp

suất trung bình của môi chất công tác ứng với một chu trình; các chỉ tiêu kinh tế kỹ

thuật cơ bản của chu trình nhiệt động động cơ nhiệt Từ đó có cơ sở để tính toán thiết

kê, đông thời tìm biện pháp nâng cao hiệu suât và công suât của động cơ

Cũng như chu trình động cơ nhiệt khác, 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 lẫn nhau, nên chúng có ảnh hưởng rất phức tạp đến chu trình thực Vì vậy, chỉ có thê xác định được hiệu suất của chu trình và áp suất trung bình của môi chất công tác của nó một cách chính xác khi đã có động cơ thực

Muốn nghiên cứu các thông số của các quá trình nhiệt động cơ bản ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của chu trình động cơ Stirling, người ta thường đưa ra

các giả định để đơn giản hoá các quá trình nhiệt động thực tế, từ đó có thể xây dựng

được chu trình nhiệt động ngay từ trong giai đoạn nghiên cứu lý thuyết và tiếp theo là

Trang 30

trong giai đoạn thiết kế động cơ

Đề xây dựng chu trình lý thuyết của động cơ Stirling, chúng ta có thể minh

họa cấu trúc cơ bản của động cơ Stirling như H 2.1 Với những giả định như sau:

Môi chất công tác là khí lý tưởng (có nhiệt dung riêng không đổi và tuân theo

phương trình trạng thai[21]: pV=RT

Nhiệt độ trong buồng giãn nở luôn được duy trì ở trị số T„a„ , nhiệt độ trong buồng nén luôn được duy tri 6 tri S6 Tmin-

Bộ cấp nhiệt, bộ hoàn nhiệt thực hiện theo chu kỳ và luôn có một gradient nhiệt độ T,ma„ T— T„„a trên tiết diện mặt cắt ngang của bộ hồn nhiệt

Khơng có không gian chết, tức là coi không gian nối buồng nén với buồng giãn

nở bằng không

Bỏ qua các tốn that do ma sát khi các piston chuyên động và bỏ qua sự rò rỉ của môi chât công tác

1 2 3 4

Hình 2.1 Cấu tric co ban cia dong co Stirling

1.Piston nén; 2 Xy lanh nén (buông nén); 3 Buông làm mát; 4 Bộ hoàn

nhiệt; 2 Buong cấp nhiệt; 6 Piston dãn nở; 7 Xy lanh dẫn nở

Trên hình 2.1 thể hiện cấu trúc động cơ Stiling loại Alpha Bộ hoàn nhiệt ở đây có

công dụng là nhận nhiệt và nhả nhiệt cho môi chất

Một trong hai buông giữa bộ hoàn nhiệt và piston là buồng giãn nở, buồng này luôn được duy trì ở nhiệt độ cao (Tmax), buồng còn lại là buồng nén, luôn được duy

Trang 31

trì ở nhiệt độ thấp (T„„)

Vì vậy, luôn luôn có sự chênh lệch nhiệt độ Tạ„ — T„¡a qua bề mặt cắt ngang của bộ hoàn nhiệt Giả định là các piston chuyển động không có ma sát và không có

sự rò rỉ môi chất ra ngồi mơi trường

Đề bắt đầu một chu trình, giả định piston nén đang ở điểm chết ngoài (điểm chết đưới), piston giãn nở đang ở điểm chết trong (điểm chết trên), gần sát với bộ hoàn nhiệt Đồng thời tồn bộ mơi chất cơng tác đang ở trong buông nén, thể tích môi

chất là cực đại, vì vậy áp suất và nhiệt độ môi chất có giá trị nhỏ nhất, được đặc trưng bởi điểm 1 trên đồ thị p-V và T-§

Trong quá trình nén (quá trình 1-2), piston nén chuyền động về phía điểm chết trên điềm chết trên và piston giãn nở được xem như đứng yên (ở giai đoạn đầu của quá trình nén) Môi chất công tác bị nén lại trong buồng nén, và áp suất bắt đầu tăng lên, nhiệt độ vẫn được duy trì không đổi bởi nhiệt lượng Q„ từ xylanh buồng nén truyền cho môi trường xung quanh P T AN A 3 Tmax} — - - — 3 4 4 2 Tmin L - - 1 2 1 > ba V “Ss

Hình 2.2 Chu trình lý thuyết của động cơ Stirling

1-2 Quá trình nén đẳng nhiệt; 2-3 Quá trình cấp nhiệt đẳng tích; 3-4 Quá trình giãn nở đẳng nhiệt; 4-1 Quá trình làm mát đẳng tích

Trong quá trình tiếp theo (quá trình 2-3), cả hai piston đều đi chuyên đồng thời,

piston nén đi về phía bộ hoàn nhiệt và tạm thời dừng lại khi tới điểm chết trên, còn

piston giãn nở thì chuyển động dân về phía điểm chết dưới Thể tích ở giữa chúng vẫn duy trì không đổi Vì vậy, môi chất sẽ dịch chuyển từ buồng nén qua bộ hoàn nhiệt

Trang 32

đến buông giãn nở Trong khi đi qua bộ hồn nhiệt, mơi chất được sấy nóng từ nhiệt

độ T„„ lên đến nhiệt độ T„„„„ Sự gia tăng dần dần nhiệt độ khi đi qua bộ hoàn nhiệt ở thé tích không đối làm cho áp suất môi chất tăng lên

Quá trình giãn nở (quá trình 3-4), piston giãn nở tiếp tục đi về phía điểm chết dưới Piston nén vẫn đứng yên một chỗ tại điểm chết trên (sát bộ hoàn nhiệt) Khi giãn nở, thê tích tăng lên, áp suất môi chất giảm xuống Nhiệt độ được giữ ở giá trị

không đổi, bởi vì nhiệt lượng Q, duge bổ sung vào hệ thống từ nguồn nhiệt bên ngoài

Quá trình cuối của chu trình là quá trình làm mát (quá trình 4-1) Trong đó, cả hai piston đều đồng thời địch chuyến: piston giãn nở chuyền động từ điểm chết dưới

đến điêm chết trên, piston nén chuyên động từ điêm chết trên đến điểm chết dưới để

đưa môi chất (ở điều kiện thê tích không đổi) từ buồng giãn nở qua bộ hoàn nhiệt trở lại buồng nén Trong khi đi qua bộ hoàn nhiệt, nhiệt được truyền từ mơi chất sang bộ

hồn nhiệt Vì vậy môi chất sẽ giảm nhiệt độ đến T„ạ„ trong buông nén Nhiệt của quá

trình 4-1 được tích trong bộ hoàn nhiệt dùng để truyền cho môi chất trong quá trình

2-3 của chu trình tiếp theo

Tóm lại, chu trình nhiệt động Stirling bao gôm bốn quá trình:

1 Quá trình 1-2: quá trình nén dang nhiệt, thực hiện quá trình truyền nhiệt từ môi chất ở nhiệt độ T„„„ ra môi trường bên ngoài

2 Quá trình 2-3: quá trình sấy nóng đăng tích, thực hiện quá trình truyền nhiệt

từ bộ hoàn nhiệt cho môi chất (môi chất nhận nhiệt)

3 Quá trình 3-4: quá trình giãn nở đăng nhiệt, thực hiện quá trình truyền nhiệt (cấp nhiệt) cho môi chất ở nhiệt độ T„a„ từ nguồn nhiệt bên ngoài

4 Quá trình 4-1: quá trình làm mát đẳng tích, thực hiện quá trình truyền nhiệt

từ môi chất cho bộ hoàn nhiệt

Nếu lượng nhiệt truyền trong quá trình 2-3 có cùng trị số với lượng nhiệt trong

quá trình làm mát 4-1, thì sự truyền nhiệt giữa động cơ và mơi trường bên ngồi bao gôm lượng nhiệt cung cấp ở nhiệt độ T„a„ và lượng nhiệt thoát ra ở nhiệt độ Tịmn

Trang 33

2.1.2 Hiệu suất nhiệt

- Quá trình nén dang nhiệt|21]:

Trang 34

V, = V2 = Vinin Nhiệt truyền từ bộ hồn nhiệt cho mơi chất thì nhiệt độ của môi chất tăng từ T¡=T› , P2_T T Ta có :—ˆ = -ˆ;Ta suy ra : P = P„-ˆ Pz Tạ Tạ = P, Tmax Tmin Nhiệt lượng truyền từ bộ cấp nhiệt cho môi chất là : Q23 = Cy(T3 — Tp)

Cong thuc hién qua trinh 2 —3 la: 1,, = 0

Độ biến thiên entropy : AS = §¿ — S„ = Cyln-Š— CyIn-2 Tạ Tạ Quá trình giãn nở đẳng nhiệt|21]: (2.7) (2.8) (2.9)

Quá trình giãn nở đăng nhiệt 3 — 4 là quá trình có nhiệt độ của môi chất không đổi ở

gia tri Tinax : Tạ — Tụ — Tmax Trong quá trình giãn nở công sinh ra bằng với nhiệt lượng cấp vào: min Ta có : P„V„ = P;Vạ ta suy ra : P„ = P 2 = p, mia 3 max Mat khac: Vmax Vmax

Q34 = 14 = P;V3in — <= RT maxln 7 ˆ min min

Độ biến thiên entropy: AS = Sy —S3 = Rin- 24 Vmịn Quá trình làm mát đẳng tích[2T]: (2.10) (2.11) (2.12)

Trang 35

Nhiệt lượng truyền từ môi chất cho bộ hoàn nhiệt : Quai = Cy (T, — Ty) D6 bién thién entropy : AS = S, —S, = CvIn- 2 min Nhiệt lượng cấp cho động cơ : Vmax Qi = Q34 = RTmaxlnv min Nhiệt lượng thoát ra ở bộ hoan nhiét : Vmax Q2 =Qn2 = RTninlnv min Hiệu suất lý thuyết của động cơ Stirling|[2T]: Vnax _ Vinax _ Q — Q> _ RT; ln Vinin RT, ln Pin Thụ = V Q, RT; ln max Vinin Tmax~Tmin Tmịn et — Tmax — ! 7 Tmax (2.14) (2.15) (2.16) (2.17) (2.18)

Theo biểu thức cho ta biết rằng hiệu suất của chu trình Stirling bằng với hiệu suất của

chu trình Carnot với cùng nhiệt độ nguồn nóng T„„„„và nguồn lạnh T,„„ Độ chênh

lệch nhiệt độ của nguồn nóng và nguôn lạnh càng lớn thì hiệu suât của chu trình càng

cao

2.2 Chu trình nhiệt thực tế của động cơ Stirling

2.2.1 Đặt vấn đê

Chu trình lý thuyết của động cơ Stirling bao gồm hai quá trình đăng nhiệt và

hai quá trình đẳng tích xen kẽ nhau Trong đó, ta giả thuyết rằng các quá trình nhiệt

động đều là thuận nghịch và các quá trình nén, giãn nở có nhiệt độ không thay đôi

Tuy nhiên, trên thực tế hiệu suất nhiệt của chu trình động cơ Stirling có giá trị

thấp hơn so với chu trình lý thuyết

Trang 36

2.2.2 Các yếu tô ủnh hưởng đến hiệu suất nhiệt của động cơ Stirling|5j:

Nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt nhăm mục đích tìm ra những biện pháp làm giảm bớt sự ảnh hưởng không tốt của chúng đến chu trình, đến quá trình hoạt động của động cơ, từ đó nâng cao được hiệu suất và công suất của động

co Stirling

2.2.2.1 Anh huéng do truyén nhiét

Trong thực tế, quá trình truyền nhiệt ở phần nóng và phần lạnh của động cơ khơng hồn tồn như điều kiện lý tưởng Nhiệt độ của môi chất công tác không thể đảm báo là hằng số trong quá trình giãn nở và cũng không thể đảm bảo răng luôn giữ môi chât ở điêu kiện đăng nhiệt từ đâu vào đên đâu ra của thiệt bị hoàn nhiệt

p‡

Hình 2.3 Ảnh hưởng do truyền nhiệt

Ảnh hưởng do quá trình truyền nhiệt trong động cơ Stirling được biểu diễn

trên hình 2.3 Điểm 3 thấp hơn điểm 3 cho chúng ta thấy nhiệt độ thực tế của môi chất tăng lên nhỏ hơn nhiệt độ trong điều kiện lý thuyết, vì có sự trao đôi nhiệt với môi

trường bên ngoài Đồng thời điểm 1° cao hơn điểm 1 cho chúng ta thấy quá trình làm

mát, nhiệt độ thực tế của môi chất không giảm nhỏ xuống mức như điều kiện lý thuyết Từ đó làm ảnh hưởng trực tiếp đến diễn biến các quá trình nén và giãn nở,

công của chu trình thực giảm tương ứng với phần điện tích gạch chéo trên đồ thị

(1-2-1 -1) và (3-4-3 -3), làm cho hiệu suất và công của chu trình thực tế giảm

2.2.2.2.Ảnh hưởng do hồn nhiệt khơng hồn tồn

Nêu mn động cơ có hiệu suât cao, thiệt bị hoàn nhiệt cân phải đảm bảo quá

Trang 37

trình nhận và hoàn nhiệt cho mơi chất càng hồn hảo càng tốt Trong thực tế, quá trình

hoàn nhiệt sai lệch so với điều kiện lý thuyết là đáng kể Ảnh hưởng đo quá trình hồn

nhiệt khơng hồn tồn được biểu diễn trên H 2.4

Hình 2.4 Ảnh hưởng do hoàn nhiệt khơng hồn tồn

Q trình trao đối nhiệt ở bộ hoàn nhiệt xảy ra hai giai đoạn: trước hết là giai

đoạn môi chất truyền nhiệt cho bộ hoàn nhiỆt, ứng với g1ai đoạn môi chất đi từ buông giãn nở sang buồng nén (quá trình 4-1) Bộ hoàn nhiệt nhận và tích nhiệt, nếu quá trình trao đôi nhiệt diễn ra khơng hồn tồn thì nhiệt độ và áp suất của môi chất khi ra khỏi bộ hoàn nhiệt vẫn còn cao (điểm I` cao hơn điểm I) Vì vậy quá trình nén thực tế (1-2) sẽ cao hơn quá trình lý thuyết (1-2), do đó diện tích đồ thị đã bị thu nhỏ một phần tương ứng với vùng gạch chéo (1 -2-2 -1 -1)

Tương tự như vậy, giai đoạn bộ hoàn nhiệt truyền nhiệt của mình cho mơi chất

(hồn nhiệt), nếu quá trình trao đổi nhiệt diễn ra khơng hồn toàn thì nhiệt độ và áp suất của môi chất khi ra khỏi bộ hoàn nhiệt vẫn còn thấp (điểm 3 thấp hơn điểm 3) Vì vậy quá trình giãn nở thực (3 -4°) nằm dưới quá trình giãn nở lý thuyết (3-4), làm

cho diện tích tương ứng với công giãn nở thực nhỏ đi một phần tương ứng với diện tích vùng gạch chéo (3 -4-4-3-3”) Như vậy quá trình hoàn nhiệt khơng hồn tồn

làm cho công của chu trình thực giảm đi, điều đó khăng định hiệu suất và công suất

Trang 38

của động cơ thực giảm di

2.2.2.3 Ảnh hưởng do có sự rò rỉ môi chất

Trong động cơ thực, do tồn tại khe hở giữa các chỉ tiết chuyển động tương đối với nhau, đặc biệt là khe hở giữa các cặp xylanh-piston nén và giãn nở, từ đó không thê tránh khỏi hiện tượng rò rỉ môi chất từ bên trong xylanh động cơ ra bên ngoài hoặc xuống các te của động cơ Ảnh hưởng do rò rỉ môi chất đến quá trình hoạt động

của động cơ được biểu điễn trên H 2.5 p‡ ` Hình 2.5 Ảnh hưởng do rò rỉ môi chất

Trong quá trình nén (1-2), piston nén chuyển động dần đến điểm chết trên, thé tích công tác của xylanh giảm dẫn, áp suất môi chất tăng đần Khi áp suất môi chất

tăng, hiện tượng rò rỉ môi chất giữa piston - xylanh - xéc măng cũng tăng , làm cho

áp suất cuối quá trình nén thực tế nhỏ hơn áp suất nén trong điều kiện lý thuyết (điểm

2 thấp đưới điểm 2) Do áp suất đầu quá trình sấy nóng đăng tích nhỏ làm cho áp suất

cuối quá trình sấy nóng cũng nhỏ (điểm3 thấp dưới điểm 3) Trong quá trình giãn nở,

đường giãn nở thực (3 -4) luôn năm dưới đường giãn nở lý thuyết (3-4), vì có sự rò rỉ nên cuối quá trình giãn nở thực điểm 4' thấp hơn điểm 4

Tuy công nén trong quá trình nén thực nhỏ hơn công nén trong điều kiện lý thuyết không có rò rỉ môi chất tương ứng với diện tích hình (1-2-2-1), nhưng công giãn nở trong quá trình giãn nở thực cũng nhỏ hơn công giãn nở trong điều kiện lý thuyết ứng với diện tích hình (3 -4-4”-3 -3) So sánh hai diện tích này, công mất đi ở

Trang 39

quá trình giãn nở thực lớn hơn công giảm nhỏ trong quá trình nén thực, diện tích hình

(3-4-4 -3 -3) lớn hơn diện tích hình (1-2 -2-1) Điều này khẳng định sự ảnh hưởng của

hiện tượng rò lọt môi chất làm giảm công của chu trình thực, dẫn đến giảm hiệu suất và công suất của động cơ

2.2.2.4 Ảnh hưởng do tôn tại không gian chết

Trong thực tế, động cơ Stirling luôn tồn tại không gian chết nối thông từ không gian buồng nén với không gian buồng giãn nở Ảnh hưởng do tổn tại không gian chết

đến chu trình thực của động cơ được biểu điễn trên H 2.6

p‡

Hình 2.6 Ảnh hưởng không gian chết

Đối với không gian chết trong buồng nén, nó làm giảm tý số nén, vì thế mà áp

suất cuối quá trình nén thực nhỏ hơn so với điều kiện lý thuyết (điểm 2' thấp dưới

điểm 2) Quá trình ảnh hưởng tiếp theo cũng gần giống như ảnh hưởng của hiện tượng rò rỉ môi chất công tác vừa phân tích ở trên Do áp suất đầu quá trình sấy nóng đẳng tích nhỏ, làm cho áp suất cuối quá trình sấy nóng cũng nhỏ (điểm 3` thấp dưới điểm

3)

Trong quá trình giãn nở, đường giãn nở thực (3 4’) luôn nằm dưới đường giãn

nở lý thuyết (3-4) Mặt khác, không gian chết trong buồng giãn nở cũng ảnh hưởng

không tốt đến quá trình giãn nở và quá trình đây môi chất trở về thể tích không gian

của buồng nén Tổng hợp sự ảnh hưởng của hai không gian chết, chúng ta cũng thấy

công mất đi ở quá trình giãn nở thực lớn hơn công giảm nhỏ trong quá trình nén thực,

Trang 40

diện tích hình (3-4-4 -3°-3) lớn hơn diện tích hình (1-2 -2-1) Điều này khẳng định

ảnh hưởng do tôn tại không gian chết trong động cơ làm giảm công của chu trình thực, dẫn đến giảm hiệu suất và công suất của động cơ

Ngoài ra còn có ảnh hướng do đặc điểm chuyển động của piston, tôn thất khí

động học và ảnh hưởng sai lệch so với điều kiện lý tưởng

2.3 Năng lượng mặt trời

2.3.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời và cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị nhiệt mặt trời

2.3.1.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ ngôi sao này Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu (ước tính vào khoảng 5 tỷ năm nữa) Năng lượng bức xạ điện từ của mặt trời tập trung tại vùng quang phố nhìn thấy Mỗi giây trôi qua, mặt trời giải phóng ra không gian xung quanh khoảng 3,827.10”5 Jun

Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng quan trọng điều khiển các quá

trình khí tượng học và duy trì sự sống trên trái đất Ngay ngoài khí quyền của trái đất, cứ một mét vuông diện tích thẳng góc với ánh nắng mặt trời, chúng ta thu được dòng năng lượng khoảng 1.400 Jun trong một giây

Trong hoạt động thực tiễn của cuộc sống, con người đã biết sử dụng năng lượng mặt trời vào nhiều lĩnh vực khác nhau như: làm muối, say khô nông sản, sản xuất điện năng, chưng cất nước, đun nấu, chạy động cơ nhiệt Nhưng tông nguồn

năng lượng mặt trời mà con người đã tận dụng được còn rất nhỏ so với những nguồn

năng lượng khác mà con người đang sử dụng Trong khi đó nắng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô cùng lớn và là nguồn năng lượng sạch, có sẵn trong tự nhiên, con người đang ngày càng tìm mọi phương thức thu và sử dụng nguồn năng lượng này

Trước sự khủng hoảng năng lượng và ô nhiễm môi trường sông do việc sử