2.1. Chu trình lý thuyết của động cơ Stirling
2.1.1. Đồ thị công và đồ thị nhiệt
Động cơ Stirling nói riêng và 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. Chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt bao gồm tất cả những sự thay đổi 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 cơng. 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 mơi chất cơng tác thành cơ
năng, sau khi thực hiện các quá trình đó, mơi chất cơng 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 mơi chất cơng 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 tốn thiết kế,
đồng thời tìm biện pháp nâng cao hiệu suất và cơng suất 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 thể xác định được hiệu suất của chu trình và áp suất trung bình của mơi chất cơng tác của nó một cách chính xác khi đã có động cơ thực.
Muốn nghiên cứu các thơng số của các q 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 hố các q 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
trong giai đoạn thiết kế động cơ.
Để 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:
- Mơi chất cơng tác là khí lý tưởng (có nhiệt dung riêng khơng đổi và tuân theo phương trình trạng thái: pV = RT).
- Nhiệt độ trong buồng giãn nở ln được duy trì ở trị số Tmax , nhiệt độ trong buồng nén luôn được duy trì ở trị số Tmin.
- Bộ cấp nhiệt, bộ hoàn nhiệt thực hiện theo chu kỳ và ln có một gradient nhiệt độ Tmax - Tmin 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 tổn thất do ma sát khi các piston chuyển động và bỏ qua sự rò rỉ của mơi chất cơng tác.
Trên H. 2.1, có một xylanh và hai piston đối đỉnh với bộ hoàn nhiệt ở giữa. Bộ
hoàn nhiệt là bộ phận lần lượt hấp thụ và hồn trả nhiệt, nó được chế tạo dưới dạng thép dây (hoặc thép lá) được xếp rất sát lại với nhau. Một trong hai buồng giữa bộ
hoàn nhiệt và piston là buồng giãn nở, buồng này luôn được duy trì ở nhiệt độ cao
(Tmax), buồng cịn lại là buồng nén, ln được duy trì ở nhiệt độ thấp (Tmin).
Vì vậy, ln ln có sự thay đổi một gradient nhiệt độ (Tmax Tmin) qua bề mặt cắt ngang của bộ hoàn nhiệt. Cũng như chu trình Carnot, người ta giả định là các
piston chuyển động khơng có ma sát và khơng có sự rị rỉ mơi chất cơng tác.
Để bắt đầu một chu trình, giả định piston nén đang ở điểm chết ngoài (điểm chết dưới), 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 (MCCT) đang ở trong buồng nén, thể tích cơng tác là cực đại, vì vậy áp suất và nhiệt độ MCCT có giá trị nhỏ nhất, được đặc
trưng bởi điểm 1 trên đồ thị p-V và T-S (H. 2.2).
Trong quá trình nén (quá trình 1-2), piston nén chuyển động về phía điểm chết trên (ĐCT) và piston giãn nở được xem như đứng yên (ở giai đoạn đầu của quá trình
1 2 3 4 5 6 7 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});