a - Buồng dãn nở; b - Buồng nén; c - Tồn bộ khơng gian công tác
Đồ thị p-V của buồng giãn nở đặc trưng cho toàn bộ cơng giãn nở của MCCT trong một chu trình, trong khi đồ thị buồng nén đặc trưng cho công nén của chu trình. Hiệu số diện tích của hai đường biểu diễn này là cơng của chu trình, hay là công chỉ thị để thắng các tổn thất ma sát giữa các chi tiết có chuyển động tương đối với nhau và
để cung cấp cơng có ích cho trục khuỷu động cơ.
5) Ảnh hưởng do đặc điểm chuyển động của piston:
Trong quá trình hoạt động của động cơ, sự sai khác lớn so với lý thuyết là
piston chuyển động liên tục, và không đều. Kết quả này chỉ rõ trên H. 2.11, các quá trình lý thuyết tương ứng với một đường biểu diễn liên tục, trơn. Nhưng cả 4 đường biểu diễn các quá trình của chu trình thực
đều khơng được rõ ràng. Về lý thuyết, đặc điểm chuyển động của các piston nén và
piston giãn nở được coi là chuyển động đều
và không đồng thời. Khi piston nén bắt đầu
chuyển động thực hiện quá trình nén, sau
đó một khoảng thời gian nhất định thì
piston giãn nở mới thực hiện chuyển động
đi từ ĐCT đến ĐCD. Piston nén khi đã đến ĐCT thì tạm thời dừng để chờ piston giãn
p V a) p V b) Thể tích chết p V c) 4 a 1 3 3’ c 2 p b d V H. 2.11. Ảnh hưởng do đặc điểm chuyển động của piston
1-2-3-4-1. Chu trình Stirling lý tưởng;
a-b-c-d. Chu trình có kể đến
ảnh hưởng do đặc điểm chuyển động
nở, trong khi đó piston giãn nở vẫn đang chuyển động dần đến ĐCD.
Trong động cơ thực, quá trình chuyển động của các piston tuy được thiết kế
lệch nhau (thời điểm chuyển động đến các điểm chết không đồng thời), mặc dù vận tốc
thay đổi nhưng chúng chuyển động một cách liên tục, ngoại trừ thời điểm piston tại vị trí các điểm chết. Vì vậy diễn biến chu trình thực khơng thể có được các q trình
đẳng tích (2-3) và (4-1) như điều kiện lý thuyết đã nêu, đồng thời các quá trình nén và
giãn nở cũng bị ảnh hưởng xấu đi.
Mặt khác chuyển động theo qui luật hình sin của piston làm cho mơi chất cơng tác phân bố khác nhau theo thời gian ứng với các phạm vi nhiệt độ khác nhau, nên qui luật chuyển động của piston còn ảnh hưởng đến cả quá trình trao đổi nhiệt ở tất cả các khơng gian chứa MCCT, trong đó ảnh hưởng nhiều hơn là ở khơng gian giãn nở và bộ hồn nhiệt. Đồng thời còn ảnh hưởng đến các quá trình nén và giãn nở, thực tế quá
trình nén và giãn nở khơng xảy ra hồn tồn trong các buồng cơng tác (buồng nén và buồng giãn nở). Điều này càng làm cho hiệu suất của chu trình giảm thêm.
Trên đồ thị H. 2.11, thể tích lớn nhất và nhỏ nhất của chu trình ở trạng thái a và
c vẫn giống như trường hợp lý thuyết. Chu trình thực tương ứng với đường cong khép kín (a-b-c-d-a). Phần diện tích hình gạch chéo biểu diễn cơng chủa chu trình thực bị giảm nhỏ khi xét đến ảnh hưởng do đặc điểm chuyển động của piston, làm cho công suất và hiệu suất của động cơ giảm đi.
6) Ảnh hưởng do tổn thất khí động học:
Trong q trình vận động của dòng MCCT từ buồng nén sang buồng giãn nở và ngược lại, năng lượng của dịng MCCT có sự tổn thất thuỷ lực. Nguyên nhân là do dịng MCCT chuyển động khơng ổn định, liên tục đổi hướng, đi qua những thiết diện thay đổi, thậm chí có kết cấu như những vật cản (bộ hồn nhiệt), những góc chết trong xylanh. Những tổn thất này bao gồm:
- Tổn thất ma sát giữa các phần tử của MCCT do chuyển động xoáy, đổi hướng…;
- Tổn thất ma sát giữa MCCT với thành vách xylanh, với thành vách của đường nối hai buồng giãn nở và buồng nén;
- Tổn thất ma sát giữa MCCT với bộ hoàn nhiệt…
Những tổn thất này sẽ làm giảm hiệu suất của chu trình thực. Trên H. 2.12, diện tích phần gạch chéo thể hiện công giãn nở bị giảm đi do tổn thất khí động học của
MCCT trong động cơ, dẫn đến giảm hiệu suất và công suất của động cơ.
7) Tổng ảnh hưởng sai lệch so với điều kiện lý tưởng:
Những yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chu trình thực của động cơ Stirling bao gồm: Ảnh hưởng do truyền nhiệt; Ảnh hưởng do hoàn nhiệt khơng hoàn tồn; Ảnh hưởng do có sự rị lọt MCCT; Ảnh hưởng do tồn tại không gian chết; Ảnh hưởng do
đặc điểm chuyển động của piston; Ảnh
hưởng do tổn thất khí động học, có thể biểu diễn trên H. 2.13. Từ đây ta nhận thấy vùng gạch chéo tương ứng với cơng của chu
trình thực bị giảm nhỏ so với điều kiện lý tưởng là khá lớn.
Sau khi phân tích, ta nhận thấy có nhiều yếu tố ảnh hưởng khơng tốt đến chu
trình thực của động cơ Stirling. Từ đó có thể có nhiều biện pháp tích cực tác động làm b ) p V Buồng giãn nở p V Buồng nén p 0 /2 3/2 a) H. 2.12. Ảnh hưởng do tổn thất khí động học
a. Đồ thị triển khai áp suất theo góc quay trục khuỷu; b. Đồ thị áp suất - thể tích của buồng nén và buồng giãn nở.
4 a 1 3 c 2 p V b d H. 2.13. Tổng ảnh hưởng sai lệch so với điều kiện lý tưởng
1-2-3-4-1. Chu trình Stirling lý tưởng; a-b-c-d. Chu trình thực của động cơ
cho chu trình thực của động cơ Stirrling tiến gần hơn so với chu trình lý thuyết như: - Về kết cấu, cần giảm nhỏ giá trị khơng gian chết, chọn góc lệch pha () giữa piston giãn nở với piston nén một cách hợp lý, chọn tỷ lệ giữa hành trình piston với
đường kính xylanh phù hợp.
- Về vật liệu, chọn vật liệu phù hợp với điều kiện làm việc của các chi tiết, đặc biệt chú ý đến các bộ trao đổi nhiệt, xylanh giãn nở và xylanh nén…
- Trong công nghệ chế tạo, yêu cầu độ chính xác cao, độ nhẵn bóng bề mặt phù hợp với từng khu vực (đặc biệt là các bề mặt làm việc của xylanh - xéc măng - piston). Bên cạnh đó là chọn biện pháp làm kín MCCT, khơng để rị lọt mơi chất công tác…
- Đối với MCCT, tùy thuộc vào tính năng và nhiệm vụ của động cơ mà chọn MCCT cho phù hợp. Nếu là những động cơ thông dụng, chỉ nên sử dụng khơng khí
làm MCCT để giảm nhỏ giá thành. Nếu là những động cơ cao cấp, cần nhỏ gọn công
suất cao, nên chọn MCCT là khí Hydrogen (H2) hoặc khí Helium (He).
- Trong quá trình khai thác, cần chú ý định kỳ vệ sinh các bộ trao đổi nhiệt, bảo
dưỡng động cơ đúng thời hạn.
Trong quá trình sáng tạo của con người, nhờ cải tiến bộ trao đổi nhiệt và một số vấn đề khác, động cơ Stirling đã có những bước phát triển đáng kể, đồng thời qua đó
cũng nâng cao được hiệu suất và cơng suất động cơ.
Đối với chu trình lý thuyết, các quá trình nén và giãn nở là đẳng nhiệt và khơng
có mất mát do ma sát thì hiệu số diện tích của đường biểu diễn giãn nở và nén sẽ bằng diện tích đường biểu diễn p-V cho tồn bộ khoảng khơng gian cơng tác. Trong động cơ thực, quá trình nén và giãn nở khơng đẳng nhiệt, sự truyền nhiệt có giới hạn của bộ làm mát và sấy nóng, sự tổn thất do nhiệt thốt ra ngồi, thể tích khơng gian chết lớn và sự tổn thất dịng khí động lực học là ngun nhân chính cho sự chưa thành cơng của phần lớn các động cơ Stirling trong thực tế.
Tuy nhiên, đây cũng chỉ là những phân tích mang tính lý thuyết, dựa trên cơ sở
kết cấu và nhiệt động học chu trình, cũng như đặc điểm chuyển động của piston, đặc
điểm trao đổi nhiệt giữa MCCT và thành vách xylanh.v.v. Muốn có được những phân tích và đánh giá sát thực, đầy đủ, cần có động cơ mẫu để thí nghiệm. Động cơ này có
kết cấu đặc biệt, có khả năng thay đổi và điều chỉnh được một số thông số cơ bản như hành trình của piston, góc lệch pha giữa hai piston…
2.3. Chu trình Schmidt
2.3.1. Các giả định cơ bản của chu trình Schmidt
Sau năm 1861, Schmidt đã giới thiệu những kết quả nghiên cứu sâu hơn về chu trình nhiệt động động cơ Stirling. Ơng đã thực tế hố một số giả định đối với chu trình lý thuyết của động cơ Stirling để kết quả tính tốn các thơng số cơ bản của chu trình gần với thực tế hơn. Chu trình được xây dựng trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của Ông được gọi là “chu trình Schmidt”. Cho đến nay, chu trình Schmidt được coi là cơ
sở tin cậy để tính tốn và thiết kế động cơ Stirling. Các giả định cơ bản của chu trình Schmidt:
- Hiệu suất của q trình hồn nhiệt đạt 100%.
- Áp suất tức thời của MCCT trong thể tích bên trong buồng nén, buồng giãn nở và trong cả thể tích chết của động cơ đều như nhau.
- Mơi chất cơng tác ln tn theo phương trình lý tưởng pV = RT.
- Khơng có sự rị lọt, khối lượng của MCCT khơng đổi trong q trình động cơ hoạt động.
- Không gian công tác của buồng nén và buồng giãn nở biến thiên theo quy luật hình sin.
- Khơng có gradient nhiệt độ ở các bộ trao đổi nhiệt.
- Nhiệt độ thành vách các xylanh và các piston là khơng đổi. - Có sự hoà trộn hoàn hảo của MCCT trong xylanh động cơ. - Nhiệt độ của MCCT trong các không gian phụ trợ là không đổi. - Động cơ luôn làm việc ở chế độ ổn định cả về tốc độ và tải trọng.
2.3.2. Chu trình Schmidt cho động cơ Stirling kiểu Alpha
H. 2.14 biểu diễn qui luật biến thiên thể tích cơng tác của hai xylanh nén và giãn nở (cịn gọi là thể tích quét buồng nén và buồng giãn nở) của động cơ Stirling kiểu hai piston mối ghép alpha. Hình vẽ này giúp cho quá trình tìm hiểu các phương trình cơ bản của chu trình Schmidt.
1) Sự thay đổi thể tích
- Thể tích tức thời của buồng giãn nở (Vg):
V 1 cos 2 1 V Vg g.ch gq (2.22) trong đó: Vgq là thể tích qt (thể tích cơng tác) của buồng giãn nở;
Vg.ch là thể tích chết của buồng giãn nở; là góc quay trục khuỷu.
- Thể tích tức thời của buồng nén (Vn):
V 1 cos 2 1 V Vn n.ch nq (2.23) k V 1 cos 2 1 V Vn n.ch q gq (2.24)
trong đó: Vnq là thể tích qt buồng nén; Vn.ch là thể tích chết của buồng nén;
là góc mà sự thay đổi thể tích trong buồng giãn nở dẫn đến sự thay đổi thể tích trong buồng nén (góc lệch pha);
kq- là tỷ số thể tích quét: gq nq q V V k . - Thể tích khơng gian chết (Vch):
Là thể tích khơng đổi của tồn bộ khơng gian làm việc, khơng bao gồm thể tích