So với động cơ đốt trong thông dụng (động cơ xăng và diesel), động cơ Stirling có những ưu điểm sau đây:
Động cơ Stirling có thể chạy được bằng bất kỳ loại nhiên liệu nào, từ nhiên liệu hoá thạch (than đá, sản phẩm dầu mỏ) đến nhiên liệu tái tạo như gỗ, củi,.v.v. Ngoài ra, động cơ Stirling cũng có thể hoạt động tốt với các nguồn nhiệt thiên nhiên như địa nhiệt, năng lượng mặt trời.
Nếu chạy bằng năng lượng mặt trời hoặc địa nhiệt thì động cơ Stirling có thể coi là động cơ sạch. Ngay cả trong trường hợp chạy bằng các loại nhiên liệu truyền thống (xăng, dầu diesel,.v.v.) thì nguy cơ gây ô nhiễm môi trường bởi khí thải cũng thấp hơn nhiều do quá trình cháy ở động cơ Stirling diễn ra liên tục ở bên ngoài không gian công tác của động cơ nên việc đảm bảo cho quá trình chay diễn ra hoàn toàn dễ dàng hơn nhiều so với trường hợp động cơ đốt trong.
Chu trình công tác của động cơ Stirling thuộc loại chu trình kín, tức là không có sự trao đổi môi chất công tác với môi trường bên ngoài nên động cơ Stirling có thể hoạt động bất cứ nơi đâu nếu có sự chênh lệch nhiệt độ.
Độ ồn và rung động khi hoạt động của động cơ Stirling thấp hơn do không có sự biến đổi áp suất của môi chất công tác một cách đột ngột như ở động cơ đốt trong. Hơn nữa, động cơ Stirling lại không có cơ cấu nạp xả.
Đối với động cơ Stirling, sản phẩm cháy không tiếp xúc trực tiếp với các bộ phận chuyển động nên cường độ mài mòn và ăn mòn thấp hơn, tuổi thọ động cơ lớn hơn, lượng tiêu thụ dầu bôi trơn hầu như không đáng kể.
Về cấu tạo thì động cơ Stirling đơn giản hơn nhiều so với động cơ đốt trong. Nó có ít chi tiết, ít bộ phận hơn, không có các hệ thống phức tạp như ở động cơ đốt trong.
Tuy nhiên động cơ Stirling cũng có những hạn chế không nhỏ trong vấn đề chế tạo, làm mát và vấn đề làm kín:
Vấn đề vật liệu chế tạo: các bộ phận trao đổi nhiệt như buồng đốt, bộ phận cấp nhiệt, bộ phận hồi nhiệt luôn tiếp xúc với nhiệt độ cao mà lại khôngđược làm mát nên dễ bị oxy hoá. Do đó phải được chế tạo bằng các vật liệu chịu nhiệt tốt, đắt tiền. Hơn thế nữa, động cơ Stirling chỉ đạt được công suất và hiệu suất cao nhất khi thể tích lỗ trống bên trong cấu thành nên không gian chết của động cơ phải được giảm nhỏ tối thiểu, môi chất công tác phải là hydrogen hoặc helium. Nhưng như thế thì diện tích cho sự truyền nhiệt lại càng nhỏ và nhiều vật liệu sẽ trở nên giòn xốp khi tiếp xúc với hai loại môi chất công tác trên ở nhiệt độ cao. Những điều này làm cho công nghệ chế tạo, công nghệ vật liệu và nhiệt luyện rất khó khăn.
Vấn đề làm mát: trong tổng số nhiệt lượng cung cấp cho động cơ, một phần lập tức mất đi theo sự thoát khí, đây là nhiệt lượng mất mát vô ích. Nhiệt lượng còn lại, một phần chuyển thành công, một phần truyền cho bộ phận làm mát (cũng xem như là vô ích). Trong trường hợp động cơ diesel hoặc động cơ xăng thì phần nhiệt bỏ đi bao gồm nhiệt lượng truyền cho hệ thống làm mát và nhiệt lượng theo khí xả ra ngoài. Đối với động cơ đốt trong, sự gia tăng nhiệt độ nước làm mát sẽ làm tăng hiệu suất nhiệt. Nhưng đối với động cơ Stirling thì bất kỳ sự gia tăng nhiệt độ Tmin
nào của môi chất công tác cũng ảnh hưởng xấu đến công suất riêng và hiệu suất của động cơ. Chính vì vậy bộ phận làm mát của động cơ Stirling phải lớn hơn để giữ nhiệt độ làm mát càng gần với nhiệt độ không khí bao quanh càng tốt. So với bộ tản nhiệt của động cơ diesel cùng công suất thì bộ tản nhiệt của động cơ Stirling lớn hơn gấp hai đến ba lần. Do đó muốn có một động cơ Stirling công suất cao với hệ thống làm mát không khí đơn giản là không thể có.
Vấn đề làm kín: bao kín là vấn đề phức tạp đối với động cơ Stirling công suất cao bởi lẽ chỉ cần một sự rò rỉ môi chất công tác dù là rất nhỏ cũng ảnh hưởng rất xấu đến hiệu suất và công suất của động cơ. Đối với môi chất công tác không phải là không khí thì cần phải có sự cung cấp thêm từ bên ngoài.
Ngoài ra, còn một số khó khăn nữa trong việc chế tạo động cơ Stirling công suất lớn, đó là ứng suất nhiệt trong vật liệu của bộ hồi nhiệt ở giai đoạn chuyển tiếp từ vùng nhiệt độ cao tới vùng nhiệt độ thấp, việc tránh các điểm nóng trong bộ trao đổi nhiệt, sự vận hành và điều chỉnh động cơ, .v.v.
CHƯƠNG 2
CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING
Chu trình nhiệt động là một hoặc một số quá trình nhiệt động xảy ra liên tiếp nhau, sau khi thực hiện các quá trình đó, chất môi giới trở về trạng thái ban đầu.
Quá trình nhiệt động là quá trình biến đổi trạng thái của hệ một cách liên tục. Chu trình nhiệt động của động cơ Stirling bao gồm tất cả những sự thay đổi về trạng thái của môi chất công tác diễn ra trong một giai đoạn làm việc tương ứng với một lần sinh công. 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 của chu trình () và áp suất trung bình của môi chất công tác (pm) các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cơ bản của chu trình nhiệt động của động c ơ nhiệt, trên cơ sở đó có cơ sở để tính toán thiết kế, đồng thời tìm biện pháp nâng cao hiệu suất v à công suất của động c ơ.
Tương tự như ở động cơ đốt trong, 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 tương tác lẫn nhau. Vì vậy, cho đến nay chỉ có thể xác định được hiệu suất nhiệt 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 tế. Nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số và các quá trình nhiệt động cơ bản đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của chu trình, từ đó có thể đề ra các biện pháp tăng hiệu suất và công suất của động cơ thực tế, người ta thường đưa ra các giả định đơn giản hoá các quá trình nhiệt động thực tế để có thể xây dựng được các chu trình nhiệt động ngay từ trong giai đoạn nghiên cứu lý thuyết hoặc trong giai đoạn thiết kế động cơ. Tuỳ thuộc vào mức độ đơn giản hoá, chúng ta sẽ có chu trình lý thuyết hoặc chu trình của động cơ nhiệt.
1 2 3 4 S min T T max