Giải thích kí hi u Kí hi u Đơn vị
Áp suất động cơ P Pa
Thể tích quét c a piston giưn n hoặc piston phụ VSE m3 Thể tích quét c a piston nén hoặc piston lực VSC m3
Thể tích chết c a không gian giưn n VDE m3
Thể tích bộ hoàn nhi t VR m3
Thể tích chết c a không gian nén VDC m3 Thể tích t c th i c a không gian giưn n VE m3 Thể tích t c th i c a không gian nén VC m3 Thể tích t c th i tổng thể c a động cơ V m3 Tổng khối lượng c a khí công tác m kg
Hằng sốchất khí R J/kgK
Nhi t độ c a khí không gian giưn n (nguồn nóng) TH K Nhi t độ c a khí không gian nén (bộ phận làm mát) TC K
Nhi t độ c a khí bộ hoàn nhi t TR K Góc l ch pha giữa hai piston x,dx Độ
Tỉ số nhi t độ τ Tỉ số thể tích quét v Tỉsố thể tích chết X Tốc độ động cơ n Hz Công giưn n WE J Công nén WC J
Công sinh ra c a động cơ Wi J
Công suất c a quá trình giưn n LE W
Công suất c a quá trình nén LC W
Công suất c a động cơ Li W
Hi u suất η
2.3.2.1. Đ ng c Stirling ki u Alpha
Hình 2.27:Động cơ Stirling kiểu Alpha
Thể tích c a xylanh nén và xi lanh giãn n được xác định tại một vị trí ban đầu. Thể tícht c th i c a động cơ được miêu tả bằng góc quay trục khuỷu . Góc khuỷu = 0 khi piston giưn n vị trí điểm chết trên.
(2.28) Thể tích t c th i c a không gian giưn n VEđược tính theo công th c:
(2.29) Thể tích tổng t c th i trong động cơ được tính:
(2.30) Khối lượng c a toàn bộ môi chất công tác (m):
Theo giả thiết th ba, môi chất công tác là khí lý tư ng và tuân theo phương trình pV=mRT nên ta có:
(2.31) Các công th c tính tỉ số nhi t độ và tỉ số thể tích như sau:
Tỉ số nhi t độ: (2.32) Tỉ số thể tích quét: (2.33) Tỉ số thể tích chết: (2.34) (2.35) (2.36) Nhi t độ bộ hoàn nhi t được tính:
(2.37) Thay thế các đại lượng tỉ số thể tích và tỉ số nhi t độ vào công th c tính khối lượng chất khí trong động cơ ta được:
(2.38) Tiếp tục thay thế các đại lượng VE và VCta được:
(2.39) Trong đó các đại lượng α, S, B được biến đổi như sau:
(2.40) (2.41) (2.42) Vậy áp suất t c th i trong động cơ được tính:
(2.42) Từ đó ta có thể tính áp suất trung bình Pmean theo công th c:
(2.43) Để công th c đơn giản hơn ta đặt đại lương = thay vào công th c tính áp suất ta có:
(2.44) Theo công th c tính áp suất t c th i c a động cơ ta thấy:
Khi cos − � =−1, áp suất động cơ P tr thành áp suất nh nhất Pmin và lúc này áp suất th c th i sẽ là:
(2.45) Vậy ta có thể tính áp suất t c th i trong động cơ theo áp suất nh nhất Pmin như sau:
(2.46) Tương tự như vậy, khi cos − � = 1 thì áp suất động cơ P tr thành áp
suất lớn nhất Pmax, và áp suất t c th i tính theo Pmax là:
(2.47) Với những công th c trên, ta hoàn toàn có thể xây dựng đồ thị P-V và tính toán cho động cơ Stirling kiểu Alphatheo chu trình Schmidt.
2.3.2.2. Đ ng c Stirling ki u Beta.
Tương tự như động cơ kiểu Alpha, các công th c tính toán cho động cơ kiểu Beta được trình bày một cách rõ ràng.
Hình 2.28:Động cơ Stirling kiểu Beta
Tương tự như tính toán cho động cơ kiểu Alpha, ta có các công th c tính toán sau: Thể tích giưn n t c th i VEđược tính như sau:
(2.48) Thể tích nén t c th i VC được tính như sau:
(2.49) Vì cấu tạo c a động cơ kiểu Beta là có hai piston cùng chuyển động trong một xylanh nên khi cả hai piston hoạt động, chúng sẽ có những phần thể tích quét trùng lặp lên nhau. Thể tích trùng lặp này được kí hi u là VBvà được tính theo công th c:
(2.50) Thể tích tổng t c th i trong động cơ được tính:
(2.51) Các công th c tính tỉ số nhi t độ và tỉ số thể tích như sau:
Tỉ số nhi t độ: (2.52) Tỉ số thể tích quét: (2.53) Tỉ số thể tích chết: (2.54) (2.55) (2.56) (2.57) Áp suất trong động cơ (P) cũng được tính như khi tính toán cho kiểu động cơ
(2.58) Trong đó các đại lượng α, S, B, c được biến đổi như sau:
(2.59) (2.60) (2.61) (2.62) Với những công th c trên, ta hoàn toàn có thể xây dựng đồ thị P-V và tính toán cho động cơ Stirling kiểu Betatheo chu trình Schmidt.
2.3.2.3. Đ ng c Stirling ki u Gamma.
Cùng với cách phân tích như hai mẫu động cơ trên, ta có thể d dàng xác định các thông số trong động cơ kiểu Gamma.
Hình 2.29:Động cơ Stirling kiểu Gamma Thể tích giưn n t c th i VEđược tính như sau:
(2.63) Thể tích nén t c th i V được tính như sau:
(2.64) Thể tích tổng t c th i trong động cơ được tính:
(2.65) Các công th c tính tỉ số nhi t độ và tỉ số thể tích như sau:
Tỉ số nhi t độ: (2.66) Tỉ số thể tích quét: (2.67) Tỉ số thể tích chết: (2.68) (2.69) (2.70) Áp suất trong động cơ (P) cũng được tính như khi tính toán cho kiểu động cơ
Alphatheo áp suất trung bình Pmean, áp suất lớn nhất Pmax, áp suất nh nhất Pmin.
(2.71) Trong đó các đại lượng α, S, B, c được biến đổi như sau:
(2.72) (2.73)
(2.74) (2.75) Với những công th c trên, ta hoàn toàn có thể xây dựng đồ thị P-V và tính toán cho động cơ Stirling kiểu Gammatheo chu trình Schmidt.
2.3.2.4. Tính toán năng l ng, công su t vƠ hi u su t
Năng lượng biến đổi trong chu trình goomg công thực hi n nén môi chất công tác và công giưn n c a môi chất. Do đó các công này được tính dựa theo các thông số trên.
Công giản n (VE)c a môi chất tính theo áp suất t c th i, áp suất trung bình, áp suất lớn nhất hay áp suất nh nhất như sau:
(2.76) Tương tự ta tính được công nén (VC) c a môi chất tính theo áp suất t c th i,
áp suất trung bình, áp suất lớn nhất hoặc áp suất nh nhất:
(2.77) Vậy công trên cả chu trình là:
(2.78) Trong đó mối quan h giữa các thông số áp suất có thể viết đơn giản thành:
(2.79)
Theo công th c tính công suất ta có: Công suất sinh ra trong khi giản n :
(2.80) Công suất thực hi n quá trình nén:
(2.81) Công suất c a động cơ:
(2.82) Hi u suất c a chu trình:
(2.83) Ta thấy rằng hi u suất nhi t này cũng giống với hi u suất nhi t c a chu trình Carnot. T c là hi u suất nhi t này cũng chỉ phụ thuộc vào nhi t độ nguồn nóng và nguồn lạnh, không phụ thuộc vào bản chất c a chất môi giới. Khi nhi t độ nguồn nóng càng tăng hoặc nhi t độ nguồn lạnh càng giảm thì hi u suất càng tăng. Đây chính là ưu điểm nổi bật nhất c a động cơ Stirling.
2.4. Ph ng pháp tính các thông s khí th i c a đ ng c đ t trong vƠ l ng nhi t có th cung c p cho đ ng c Stirling
2.4.1. Gi i thi u v khí th i đ ng c đ t trong
Ngày nay hầu hết ô tô sử dụng động cơ đốt trong để vận hành vì chúng cung cấp nguồn động lực mạnh mẽ cho chiếc xe. Động cơ sử dụng trên ô tô thư ng có β loại chính là động cơ sử dụng nhiên li u xăng và động cơ sử dụng dầu diesel. Tuy nhiên cũng có một số lại ô tô dùng các nhiên li u thay thế khác như khí hóa l ng, CNC… nhưng chúng chỉ chiếm số rất ít.
Chúng ta đều biết quá trình cháy trong động cơ đốt trong là quá trình ô xy hoá nhiên li u, giải phóng nhi t năng di n ra trong buồng cháy động cơ theo những cơ chế hết s c ph c tạp và chịu ảnh hư ng c a nhiều yếu tố.
điều ki n lý tư ng, sự đốt cháy hoàn toàn nhiên li u các bua hydrro với ôxi trong không khí sẽ sinh ra các sản phẩm chỉ gồm các thành phần không độc hại là CO2 và H2O. Tuy nhiên trong động cơ đốt trong, trạng thái cân bằng hoá học lý tư ng c a sự cháy hoàn toàn có thể nói là không bao gi xảy ra b i vì th i gian cho
quá trình oxi hoá là rất ngắn. Hơn nữa, sự thiếu đồng nhất c a hỗn hợp không khí nhiên li u và sự thay đổi quá nhanh c a nhi t độ sẽ dẫn đến quá trình phản ng ôxi hoá không hoàn toàn nhiên li u. Do đó, các phản ng cháy sẽ sinh ra khí thải có ch a các chất độc hại cho s c kh e con ngư i và môi trư ng sống, gồm CO, HC, NOx, v.v...Nồng độ các chất độc hại này phụ thuộc nhiều vào kiểu loại động cơ và điều ki n vận hành cũng như các chế độ làm vi c c a động cơ.
Hơn nữa, khí thải c a động cơ đôt trong cũng mang theo một lượng nhi t rất lớn từ quá trình cháy. Bình thư ng lượng nhi t này không đem lại nhiều lợi ích và sẽ được thoát ra ngoài thông qua đư ng ống thải.
Hình 2.30: Sự phân bố năng lượng trên xe [14]
Chính vì vậy, đư có nhiều nghiên c u trong và ngoài nước về vi c tận dụng nguồn nhi t c a khí thải để vừa giảm ô nhi m môi trư ng, vừa tăng hi u suất c a động cơ được phát triển. một số ng dụng điển hình trong vi c tận dụng khí thải c a động cơ đư được thực hi n rất hi u quả như: h thống tua bin tăng áp, h thống pin nhi t đi n, h thống động cơ Stirling…
Các đặc tính c b n c a nhi t th i.
Nhi t thải vẫn là nguồn nhi t, do đó dù ít hay nhiều thì nhi t thải vẫn mang một lượng nhi t nhất định và có thể cung cấp cho các ng dụng để chúng hoạt động được. Tùy vào nhi t độ c a nó mà ngư i ta chia ra nguồn nhi t thải với nhi t độ cao (từ 650oC đến trên 1000oC), nguồn nhi t thải với nhi t độ trung bình (từ β50oC đến
650oC) và nguồn nhi t thải với nhi t độ thấp (dưới β50oC).
Nhi t thải c a động cơ đốt trong nằm trong khoảng từ β50oC đến 600oC nên được xếp vào nguồn nhi t thải trung bình. Bảng 2.3sẽ cho thấy thống kê nhi t độ khí thải c a một số loại động cơ Diesel:
B ng 2.3:Thống kê nhi t độ khí thải một số động cơ Diesel [15]
Th tự Loại động cơ Nhi t độ khí thải (oC)
1 Động cơ 1 xylanh 4 thì 456
2 Động cơ 4 xylanh 4 thì 448
3 Động cơ 6 xylanh 4 thì 336
4 Động cơ 4 xylanh 4 thì 310
5 Động cơ máy phát đi n (Kirloskar) với
công suất 198HP 383
6 Động cơ máy phát đi n (Cummims)
với công suất β00HP 396
2.4.2. Tính toán l ngkhíx Gkxdođ ng c chínhx ra[15]
Lượng khí xả (kg/h) do động cơ chính xả ra xác định theo công th c (2.84):
= + � (2.84)
Với là lượng tiêu hao nhiên li u c a động cơ chính (kg/h) được tính theo công th c (β.85):
= ge.Pe (2.85)
Trong đó:
ge - suất tiêu hao nhiên li u c a động cơ chính, g/KW.h; Pe - công suất định m c c a động cơ chính, KW.
�- lượng không khí thực tế để đốt cháy lượng nhiên li u phun vào xylanh, xácđịnh theocông th c: 2 . . . . . 4 a v k D S n m (2.86) Trong đó:
S - hành trình piston, mm; � - h số nạp c a không khí; n –tốc độ động cơ tương ng (v/p)
- khối lượng riêng c a không khí nạp vào động cơ, kg/m3: =
. (2.87)
p - áp suất khí, N/m2;
Rkk - hằng số không khí, Nm/kg0K; T - nhi t không khí nạp vào động cơ, 0K;
2.4.3. L ng nhi t có th c p cho đ ng c Stirling t khí x
Lượng nhi t do khói t a ra Qkx (W) tính theo công th c:
Qkx = kx .Cpkx (Tx – Tn) (2.88)
kx- lưu lượng khí xả c a động cơ chính, kg/h; Cpkx - nhi t dung riêng đẳng áp c a khí xả, J/kg.độ; Tx, Tn - nhi t độ c a khí xả và khí nạpvào động cơ(0C).
Ch ng 3
TệNH TOÁN THI T K Đ NG C STIRLING
3.1. Lựa ch n vƠ tính toán ngu n nhi t th i
Nguồn nhi t thải để cung cấp cho động cơ Stirling có thể lấy từ nhiều nguồn khác nhau như từ nhi t thải đốt lò, nhi t thải động cơ đốt trong… Trong đề tài này tác giả chọn nguồn nhi t thải từ một động cơ đốt trong để cung cấp cho động cơ Stirling. Vi c tận dụng nguồn nhi t thải từ động cơ đốt trong không những giúp thu hồi hi u suất mất nhi t, làm tăng công suất cho động cơ mà còn giúp giảm tác động c a khí thải đến môi trư ng.
Về cơ bản nguồn nhi t thải trên các loại động cơ đốt trong là gần như nhau, chỉ khác nhau về lượng nhi t có thể cung cấp, điều này phụ thuộc vào thông số công suất c a động cơ, có nghĩa là động cơ lớn với công suất lớn sẽ cho lượng nhi t thải lớn và ngược lại. Với mục đích thiết kế một động cơ Stirling đơn giản, có kích thước nh và có thể hoạt động với một nguồn nhi t thải nh nên tác giả chọn nguồn nhi t thải được lấy từ một động cơ xe máy.
Chọn xe máy lấy nhi t thải là xe SYM EZ 110 với các thông số như bảng γ.1.