1. 2M ục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu
2.3.2Hành trình dịch chuyển của piston
Với góc quay như hình 2.9, hành trình dịch chuyển của piston lực xp và của piston dịch chuyển xdđược xác định theo công thức:
xp = L2 - (e - Rsin )2 + Rcos (2.56) xd = - L2 - (e - Rsin )2 + Rcos (2.57) L A O xp B e xd C L R sin R e
2.3.3 Điểm ch t trên, điểm ch t d i, chiều dài hành trình
L R A O xpmax B e p L R A O xpmin B e (a) (b)
Hình 2.10 –Điểm chết trên và điểm chết dưới của piston lực
Hình 2.9 – Hành trình dịch chuyển
Điểm chết trên xpmax, điểm chết dướixpminvà chiều dài hành trình lpcủa piston lực (hình 2.10): xpmax = (L + R)2 - e 2(2.58) xpmin = (L - R)2 - e 2(2.59) lp=xpmax - xpmin = (L + R)2 - e 2 - (L - R)2 - e 2(2.60) L R A O C e xdmax d L R A O C e xdmin (a) (b)
Hình 2.11 –Điểm chết trên và điểm chết dưới của piston dịch chuyển
Điểm chết trên xdmax , điểm chết dưới xdminvà chiều dài hành trình ldcủa piston dịch chuyển (hình 2.11):
xdmax = - (L - R)2 - e 2(2.61)
xdmin =- (L + R)2 - e 2(2.62)
ld=xdmax - xdmin = (L + R)2 - e 2 - (L - R)2 - e 2(2.63)
Như vậy, động cơ Stirling truyền động bằng cơ cấu hình thoi có chiều dài hành trình của piston lực và piston dịch chuyển là như nhau.
Hình 2.10 (a) thể hiện điểm chết trên của piston lực và hình 2.11 (a) thể hiện
điểm chết trên của piston dịch chuyển. Độ lệch pha α giữa hai piston là:
α = p + d
cosα = cos( p+ d ) = cos p.cos d - sin p.sin d (2.64)
Với: sin p = e L + R (2.65) cos p = xpmax L + R = (L + R)2 - e 2 L + R (2.66) sin d = e L - R (2.67) cos d = -xdmax L - R = (L - R)2 - e 2 L - R (2.68)
Thay các công thức từ (2.65) đến (2.68) vào công thức (2.64), rút gọn ta được công thức tính độ lệch pha α giữa hai piston là:
cosα =
e4 - 2( L2+ R2) e2 + ( L2- R2)2- e2
L2 - R2 (2.69)
Do đó, với góc lệch pha giữa hai piston được chọn bằng π/2, khoảng lệch tâm
e được tính theo công thức:
e = L
2-R2 2(L2+R2)
(2.70)
2.4 Nguyên lý h i t năng l ng m t tr i dùng g ng cầu parabol [4] 2.4.1 nh của m t tr i qua g ng parabol
Xét gương parabol tròn xoay do đường paraboly = x
2
4f xoay quanh trục y tạo ra (hình 2.12). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.12 – nh của mặt trời qua gương parabol
Khi quay trục gương theo hướng tia nắng thì ta thu được ảnh của mặt trời tại gần tiêu điểm F của gương là một đĩa sáng tròn có đường kính d được xác định theo hệphương trình (2.71): d D= p b 1 p+ 1 b= 1 f (2.71) Với D = 1,4.109 m là đường kính mặt trời. b = 1,5.1011 m là khoảng cách từgương đến mặt trời. f là tiêu cự của gương.
p là khoảng cách từảnh tới gương.
Giải hệphương trình (2.71) ta tìm được d và p:
d = Df
b = 0,0093 . f ≈ 10-2. f (2.72)
p = bf
b - f (2.73)
Từ công thức (2.72) và (2.73) ta tìm được đường kính và vị trí ảnh của mặt trời. Do đó, mặt thu cần đặt tại tiêu điểm của gương có đường kính d ≥ 10-2f.
Hình 2.13 – Hệgương ph n x và mặt thu
Cho một hệ gương phản xạ (hình 2.13) g m mặt thu Ft đặt vuông góc với tia nắng, xung quanh là gương phản xạ có hệ số phản xạ ánh sáng là R. Mặt hứng nắng
cũng được đặt vuông góc với tia nắng và có diện tích Fh. Giả thiết gương được đặt sao cho toàn bộ các tia phản xạ từgương phản chiếu hết lên mặt thu Ft.
Hệ số tập trung năng lượng bức xạ k của một hệgương phản xạ và mặt thu là tỉ số của cường độ bức xạ tới mặt thu (tiết diện Ft) trên cường độ bức xạ tới mặt hứng nắng (tiết diện Fh)
k = Et
E (2.74)
Cường độ bức xạ tới mặt hứng nắng E chính là cường độ bức xạ tới mặt đất
nơi đặt gương phản xạ.
Năng lượng bức xạ chiếu đến mặt thu Ft là:
Qt = E.Ft + E(Fh – Ft)R = E(1 – R)Ft + E.R.Fh (2.75)
Cường độ bức xạđến mặt thu Ft là:
Et= Qt
Ft = E(1 - R) + E.R.
Fh
Ft (2.76)
Thay Et vào công thức (2.74), ta được:
k = Et E = 1 - R + R Fh Ft = 1 + R ( Fh Ft - 1) (2.77)
Ch ng 3
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
Đ NG C NHIỆT STIRLING
3.1 Chọn k t cấu cho đ ng c Stirling (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Dựa vào nguyên lý kết cấu của các loại động cơ Stirling đã nêu trong cơ sở lý thuyết, ta thấy so với kiểu alpha và gamma, động cơ Stirling kiểu beta có các ưu điểm vượt trội sau:
- Do yêu cầu đối với việc làm kín không gian công tác ở động cơ Stirling là
rấtcao, đặc biệt trong trường hợp môi chất công tác không phải là không khí mà là các khí dễ cháy n hoặc có giá thành cao như hydrogen hay helium. Việc làm kín khônggian công tác ởđộng cơ Stirling kiểubeta thuận lợi hơn vì chỉ cần xéc-măng
làm kín khí cho piston lực.
- Động cơ Stirling kiểu beta có piston dịch chuyển và piston lực trượt lên xuống đ ng tâm nên dễ cân bằng và ít rung động hơn so với các loại động cơ có
piston dịch chuyển và piston lực hoạt động trong hai xylanh riêng biệt.
- Động cơ Stirling kiểu beta có thể tích chết trong xylanh công tác thấp hơn so
với kiểu alpha và gamma nên có thểđạt được công suất cao hơn.
- Động cơ Stirling kiểu beta sử dụng cơ cấu truyền động cân bằng hình thoi nên hoạt động êm, ít rung động hơn so với các loại động cơ sử dụng trục khuỷu. Mặt khác, cơ cấu truyền động hình thoi có kết cấu đơn giản nên dễ chế tạo và giá
thành cũng thấp hơn so với sử dụng trục khuỷu.
Từ những ưu điểm đã phân tích trên, loại động cơ Stirling được chọn để sử
dụng cho hệ thống là loại beta dùng cơ cấu truyền động hình thoi (hình 3.1). So với mô hình động cơ Stirling kiểu beta trong tài liệu [12], động cơ được chọn có kết cấu hộp truyền động đơn giản hơn và có bộ h i nhiệt được đơn giản hóa bằng cách tích hợp chung trong piston dịch chuyển.
Hình 3.1 – Kết cấu động cơ Stirling
1. Xylanh giãn nở. 4. Xylanh lực.
2. Piston dịch chuyển và bộ h i nhiệt. η. Cơ cấu truyền động.
3. Piston lực.
L B B’ C C’ A A’ O O’ e Y e a R Piston dịch chuyển Piston lực Hình 3.2 – Bộ truyền động hình thoi
Theo tài liệu [18], thông số bộ truyền dùng cơ cấu hình thoi phải thỏa mãn
điều kiện e + RL < 1, ta chọn trước các kích thước ban đầu cho bộ truyền như sau:
Chiều dài thanh nối: L = 50 mm. Bán kính quay: R = 20 mm. Khoảng cách trục: a = 80 mm.
Với góc lệch pha giữa hai piston của động cơ Stirling bằng π/2, khoảng lệch
tâm e được tính theo công thức (2.70):
e = L
2
-R2 2(L2+R2)
= 27,57
Điểm chết trên xpmax, điểm chết dưới xpmin và chiều dài hành trình lp của piston lực (theo hình 2.10) được tính theo các công thức từ(2.η8) đến (2.60):
xpmax = (L + R)2 - e 2 = 64,34
xpmin = (L - R)2 - e 2 = 11,82
lp =xpmax - xpmin = (L + R)2 - e 2 - (L - R)2 - e 2 = 52,52 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Điểm chết trên xdmax , điểm chết dưới xdmin và chiều dài hành trình ld của piston dịch chuyển (theo hình 2.11) được tính theo các công thức từ(2.θ1) đến (2.63):
xdmax = - (L - R)2 - e 2 = -11,82
xdmin = - (L + R)2 - e 2 = - 64,34
ld =xdmax - xdmin = (L + R)2 - e 2 - (L - R)2 - e 2 = 52,52
Chiều dài thanh ngang: Y = a – 2e = 24,85 mm. Chiều dài hành trình piston: l = lp = ld = 52,52 mm.
Quá trình tính toán các thông sốkích thước cho bộ truyền hình thoi được thực hiện với sự hỗ trợ của phần mềm MATLAB (xem phụ lục 1). Kết quả các thông số
của bộ truyền hình thoi:
Chiều dài thanh nối: L = 50 mm.
Bán kính quay: R = 20 mm.
Khoảng cách trục: a = 80 mm.
Khoảng lệch tâm: e = 27,57 mm.
Chiều dài thanh ngang: Y = 24,85 mm. Chiều dài hành trình piston: l = 52,52 mm.
Điểm chết trên của piston lực: xpmax = 64,34 mm.
Điểm chết dưới của piston lực: xpmin = 11,82 mm.
Điểm chết trên của piston dịch chuyển: xdmax = - 11,82 mm.
Điểm chết dưới của piston dịch chuyển: xdmin = - 64,34 mm.
Dựa vào cơ sở lý thuyết trong chương 2 của luận văn, ta thấy công suất và hiệu suất của động cơ Stirling phụ thuộc nhiều yếu tố như thể tích môi chất công tác, nhiệt độ bu ng giãn nở, chiều dài hành trình của piston… Theo tài liệu [15], để xác định công suất và hiệu suất động cơ Stirling, cần có các thông sốđầu vào sau:
- Góc lệch pha giữa hai piston: φ = π/2
- Nhiệt độđầu xylanh giãn nở[10]: TE = 300 oC - Nhiệt độ xylanh làm mát [2]: TC = 30 oC - Đường kính xylanh công tác: d = 65 mm - Chiều dài hành trình piston: l = 52,52 mm - Hằng số chất khí của không khí [3]: R = 287 - Nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí [3]: Cv = 720 J
kg.độ
Áp dụng các công thức từ (2.27) đến (2.55) trong chương cơ sở lý thuyết của luận văn, ta tính được các kết quả sau:
- Thể tích chết bu ng nén: VDC = 0 - Thể tích chết bu ng giãn nở: VDE = 6,64.10-5 m3 - Thể tích bộ h i nhiệt: VR = 1,37.10-4 m3 - Thể tích quét bu ng nén và bu ng giãn nở: VSC = VSE = 1,74.10-4 m3 - Áp suất trung bình: Pmean = 5,86.104 Pa - Công suất động cơ: Li = 22,82 W
- Hiệu suất nhiệt của động cơ: = 21,87 %
3.4 Tính toán truyền nhi t làm mát t i bu ng nén
Công suất động cơ Stirling phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ môi chất công tác tại xylanh lực (xylanh làm mát).Tại bu ng nén của xylanh lực, môi chất được làm mát từ nhiệt độ TE xuống nhiệt độ TC . Nhiệt lượng cần thoát ra trong một chu trình (hay nói cách khác là trong một vòng quay của động cơ) của quá trình làm mát bao g m nhiệt lượng thoát ra của quá trình nén đẳng nhiệt 1 – 2 và quá trình làm mát đẳng tích 4 – 1. Từđó ta xác định được nhiệt lượng cần giải phóng từ môi chất công tác trongthời gian một giây theo công thức (3.1):
Theo tài liệu [3], nhiệt lượng làm mát cho môi chất công tác truyền từ vách trong ra vách ngoài của bu ng nén theo quá trình dẫn nhiệt với mật độ dòng nhiệt q tính theo công thức (3.2): q= QC l = 2πλ(T1-T2) lnd2 d1 (3.2) Với các thông số:
l: chiều dài hành trình piston.
T1 : nhiệt độ môi chất ở vách trong bu ng nén. T2 : nhiệt độ không khí ở vách ngoài bu ng nén. d1 : đường kính trong của bu ng nén.
d2 : đường kính ngoài của bu ng nén.
λ = 20η: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu xylanh lực (nhôm) (W/m.độ). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Từ công thức (3.2), đểđảm bảo cho nhiệt lượng hấp thụ từ môi chất công tác
được giải phóng hết ra môi trường thì nhiệt độ không khí của môi trường xung quanh phải được duy trì sao cho không được vượt quá giá trị:
T2 = T1 -
QC l . lnd2
d1
2πλ (3.3)
Theo công thức (3.3), ta xác định được nhiệt độ không khí bên ngoài xylanh nén phải được duy trì không cho vượt quá 28,46 oC.
Hình 3.3 –Đ thị biểu diễn góc lệch pha
Hình 3.5 –Đ thị P – V của chu trình Stirling lý tưởng
Hình 3.7 –Đ thị biểu diễn thể tích môi chất công tác
Nhận xét :
Trên hình 3.3 và 3.8ta thấy thể tích môi chất công tác biến thiên theo quy luật hình sin và góc lệch pha giữa hai piston bằng π/2. Điều này phù hợp với các giả
thiết ban đầu của chu trình Schmidt tính cho động cơ Stirling kiểu beta mà đề tài nghiên cứu.
Đ thị P – V của động cơ thực tế (hình 3.4)và đ thị P – V của chu trình Stirling lý tưởng (hình 3.5)có sự khác biệt lớn do các nguyên nhân:
- Do quá trình truyền nhiệt tại các xylanh của động cơ không hoàn toàn lý tưởng. Ví dụ như nhiệt độ môi chất công tác không thể đảm bảo là hằng số trong suốt quá trình giãn nở và cũng không thể đảm bảo điều kiện đẳng nhiệt theo chu
trình lý tưởng.
- Do rò rỉ môi chất công tác. Mặc dù đã được làm kín một cách tốt nhất có thể nhưng trong quá trình làm việc của động cơ vẫn không tránh khỏi hiện tượng rò rỉ
môi chất công tác.
- Do trong động cơ luôn t n tại một phần không gian chết làm giảm áp suất của chu trình.
- Do chuyển động thực tế của hai piston là luôn luôn dịch chuyển nên trên đ
thị P – V của động cơ thực tế không thểđạt được các quá trình đẳng tích lý tưởng. Hình 3.6 và 3.7 biểu diễn sự biến thiên của thể tích và áp suất môi chất công
tác theo đúng điều kiện cân bằng của phương trình trạng thái khí lý tưởng
Ch ng 4
THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT TRÊN Đ NG C STIRLING 4.1 Thân và nắp h p truyền đ ng
Hộp truyền động của động cơ Stirling đóng vai trò là thân đếđể kết nối các bộ
Trên thân hộp truyền động có kích thước lỗ Ø70 (xem hình 4.1) được dùng lắp ráp với xylanh lực với kiểu lắp ưu tiên H8h8 [9] nên cần gia công chính xác.
Trên nắp trước hộp truyền động có 2 kích thước lắp ráp là Ø28 (lắp gối đỡ
trục) và khoảng cách tâm lỗ 80 (lắp cặp bánh răng của bộ truyền hình thoi).
Hình 4.2 – Nắp trước hộp truyền động
Hình 4.4 – Nắp dưới hộp truyền động (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.2 Xylanh lực
Do yêu cầu giải nhiệt trong quá trình làm mát nên xylanh lực được chế tạo bằng nhôm hợp kim và được gia công các cánh tản nhiệt phân bố dọc theo chiều dài thân đểđảm bảo khảnăng thoát nhiệt tốt.
Trên xylanh lực, ngoài kích thước Ø70 dùng để lắp ráp với hộp truyền động còn một kích thước cần gia công đạt độ chính xác cao là đường kính trong của xylanh Ø65.
Hình 4.5 – Xylanh lực
4.3 C m piston lực và thanh truyền
Piston lực được chế tạo bằng thép C4η trên có các rãnh được gia công để lắp xéc –măng kín khí.
Thanh truyền piston lực phải được gia công chính xác lỗ Ø8 [9] sau này sẽ lắp
đ ng tâm với thanh truyền piston dịch chuyển.
Hình 4.6 – Cụm piston lực và thanh truyền
4.4 C m piston dịch chuyển và thanh truyền
Piston dịch chuyển được cải tiến để tích hợp bộ h i nhiệt bên trong làm cho kết cấu xylanh giãn nở đơn giản và dễ chế tạo hơn. Trên nắp piston dịch chuyển
được gia công các lỗ tạo đường dịch chuyển của không khí giữa hai xylanh.
Thanh truyền piston dịch chuyển được lắp đ ng tâm với thanh truyền piston lực và nối với thanh ngang của bộ truyền hình thoi.
Hình 4.7 – Cụm piston dịch chuyển và thanh truyền
Hình 4.8 – Xylanh giãn nở
4.6 C m gối đ tr c và lăn
Gối đỡ được gắn vào nắp trước của hộp truyền động. Hai đầu gối được gia công với dung sai H8 [9] để lắp vòng ngoài lăn.
lăn sử dụng là loại đỡ chặn một dãy (ví dụ SKF 61900), đường kính vòng trong, vòng ngoài và bề rộng như hình 4.11.
Trục bánh răng được gia công với dung sai kθ [9] để lắp với vòng trong lăn.
Hình 4.9 – Gối đỡ trục
Hình 4.11 – lăn
4.7 B truyền hình thoi
Cặp bánh răng truyền động là loại răng thẳng có mô đun m = 1, chiều dày
vành răng = 10 mm, giữa có lỗ và rãnh then kích thước theo tài liệu [9].
Kích thước của các chi tiết trong bộ truyền hình thoi được xác định trong
chương 3.
Hình 4.12 –Bánh răng truyền động
Hình 4.14 – Thanh ngang
Hình 4.15 –Sơ đ lắp ráp động cơ Stirling
1. Hộp truyền động 14. Bánh răng truỔền động (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2. Xylanh lực 15. Gối đỡ trục
3. Thanh truyền piston lực 16. lăn
4. Thanh truyền piston dịch chuyển 17. Trục bánh răng
5. Nắp piston dịch chuyển 18. Nắp sau hộp truyền động
6. Bộ h i nhiệt 19. Piston lực
7. Piston dịch chuyển 20. Xéc - măng
8. Lông đền 21. Thanh nối
9. Bu lông M5 22. Nắp dưới hộp truyền động
10. Xylanh giãn nở 23. Bu lông lục giác M4 x 8
11. Thanh ngang piston lực 24. Bu lông lục giác M4 x 10