. ϕ(τ)τn
3 cánh nhỊn nhiệt bức xạ
4.4. Đĩng cơ Stirling
Đĩng cơ Stirling là mĩt thiết bị cờ nhiều −u việt và cÍu tạo đơn giản. Mĩt đèu đĩng cơ đ−ợc đỉt nờng, phèn còn lại để nguĩi và công hữu ích đ−ợc sinh ra. Đây là mĩt đĩng cơ kín không cờ đ−ớng cÍp nhiên liệu cũng nh− đ−ớng thải khí. Nhiệt dùng đ−ợc lÍy từ bên ngoài, bÍt kể vỊt gì nếu đỉt cháy đều cờ thể dùng để chạy đĩng cơ Stirling nh−: than, củi, rơm rạ, dèu hõa, dèu lửa, cơn, khí đỉt tự nhiên, gas mêtan,... nh−ng không đòi hõi quá trình cháy mà chỉ cèn cÍp nhiệt đủ để làm cho đĩng cơ Stirling hoạt đĩng. ĐƯc biệt đĩng cơ Stirling cờ thể hoạt đĩng với năng l−ợng mƯt trới, năng l−ợng địa nhiệt, hoƯc nhiệt thừa từ các quá trình công nghiệp.
Nguyên lý hoạt đĩng:
Đ−ợc phát minh từ 1816 đĩng cơ Stirling đèu tiên đã là những thiết bị lớn làm việc trong môi tr−ớng công nghiệp. Sau đờ các kiểu đĩng cơ Stirling nhõ hơn và êm này đã trị thành đơ dùng gia đình phư biến nh−: quạt, máy may, bơm n−ớc... Các đĩng cơ Stirling ban đèu chứa không khí và đ−ợc chế tạo từ các vỊt liệu bình th−ớng rÍt phư biến nh− đĩng cơ “hot air”. Không khí đ−ợc chứa trong đờ và là đỉi t−ợng để dãn nị nhiệt, làm lạnh và nén bịi sự chuyển đĩng của các phèn khác nhau của đĩng cơ.
Đĩng cơ Stirling là mĩt đĩng cơ nhiệt. Để hiểu mĩt cách đèy đủ về sự hoạt đĩng và tiềm năng sử dụng của nờ, điều chủ yếu là biết vị trí và lĩnh vực chung của các đĩng cơ nhiệt. Đĩng cơ nhiệt là mĩt thiết bị cờ thể liên tục chuyển đưi nhiệt năng thành cơ năng.
Mĩt ví dụ hiện thực về đĩng cơ nhiệt là đèu máy xe lửa chạy bằng hơi n−ớc trong những năm tr−ớc đây. Năng l−ợng nhiệt đ−ợc cung cÍp bằng cách đỉt than hoƯc củi, l−ợng nhiệt này nung nờng n−ớc chứa trong lò hơi và sản ra hơi cờ áp suÍt cao, hơi này dãn nị trong xi lanh và đỈy piston chuyển đĩng kéo theo bánh đà, và kéo xe lửa chuyển đĩng. Sau mỡi hành trình của piston, hơi đã sử dụng vĨn còn mĩt ít nờng và đ−ợc thải ra và nh−ớng chỡ cho hơi mới cờ áp suÍt cao vào xylanh. Đĩng cơ diesel là mĩt dạng của đĩng cơ nhiệt nh−ng ị dạng khác và th−ớng gụi là đĩng cơ đỉt trong. Trong đĩng cơ đỉt trong, nhiệt đ−ợc cung cÍp bịi sự đỉt cháy nhiên liệu ngay phèn bên trong của đĩng cơ, các nhiên liệu này th−ớng là nhiên liệu lõng nh− dèu diesel, xăng. Mĩt phèn nhiệt biến thành công do sự dãn nị
khí nờng (sản phỈm cháy) tác đĩng vào piston. Phèn nhiệt còn lại bị thải ra và thoát ra ngoài bịi bức xạ hay tõa ra từ các cánh làm mát của đĩng cơ. Đĩng cơ tiếp tục sinh công hữu ích chừng nào nhiên liêu còn cung cÍp để tạo nhiệt.Ba quá trình: cÍp nhiệt, sinh công và thải nhiệt là đƯc tính chung của các đĩng cơ nhiệt.
Đĩng cơ Stirling thì cơ chế của các quá cÍp nhiệt, thải nhiệt và sinh công cờ hơi khác. Để nghiên cứu kỹ về sự hoạt đĩng của đĩng cơ Stirling ta xét mĩt xi lanh kín mĩt đèu với mĩt piston nh− hình 5.23 và mĩt ít không khí chứa bên trong. Piston chuyển đĩng qua lại tự do nh−ng hèu nh− kín. Giả sử lúc đèu toàn bĩ thiết bị cờ nhiệt đĩ bằng nhiệt đĩ đèu lạnh, lúc này không khí bên trong cờ áp suÍt bằng áp suÍt của không khí bên ngoài. Với điều kiện đờ, piston sẽ đứng yên ị vị trí ban đèu. Nếu ta đỉt nờng mĩt đèu xilanh (đèu nờng) nguơn nhiệt đ−ợc sử
dụng cờ thể là chùm tia bức xạ mƯt trới hĩi tụ tại đèu xilanh hoƯc mĩt cách đơn giản là nhúng đèu xilanh vào n−ớc nờng, thì áp suÍt và nhiệt đĩ không khí bên trong tăng lên. áp suÍt cao sẽ đỈy piston chuyển đĩng và sinh ra công hữu ích (hình: 5.23, 5.24, 5.25). BÍt kỳ nguơn nhiệt nào cũng sinh ra công, nh−ng với nguơn cờ nhiệt đĩ càng cao thì tạo ra công càng lớn. Đĩng cơ không những chỉ chuyển nhiệt thành công mĩt lèn đơn giản nh− trên mà cèn phải cờ khả năng tiếp tục sinh công.
Hình 5.25. Không khí áp suÍt cao đỈy piston Đèu nờng
Đèu lạnh
Hình 5.24. CÍp nhiệt mĩt đèu xylanh, nhiệt đĩ và áp suÍt không khí tăng lên
Hình 5.23. Không khí bên trong và bên ngoài cờ áp suÍt và nhiệt đĩ bằng nhau
Công cờ thể sinh ra từ không khí nờng trong xilanh chừng nào còn cờ quá trình dãn nị của không khí bên trong. Nếu piston di chuyển ra ngoài quá xa nờ sẽ vụt ra khõi xilanh và quá trình sinh công sẽ kết thúc. Do vỊy quá trình dãn nị cèn phải kết thúc tr−ớc khi điều đờ xảy ra. Nếu xilanh đ−ợc chế tạo thỊt dài thì quá trình dãn nị cờ thể xa hơn nh−ng cũng cờ giới hạn hơn nữa piston sẽ chỉ ra ngoài đến khi áp suÍt bên trong giảm xuỉng bằng áp suÍt khí quyển.
Nếu khi piston chuyển đĩng đến đèu bên phải của xilanh, ta
ngừng quá trình cÍp nhiệt và tăng quá trình thải nhiệt (làm mát) thì nhiệt đĩ và áp suÍt của không khí phía trong xilanh giảm xuỉng đến khi áp suÍt của không khí bên trong thÍp hơn áp suÍt của khí quyển bên ngoài thì piston sẽ chuyển đĩng ng−ợc lại và trị lại vị trí ban đèu (hình 5.26, 5.27, 5.28).
Hình 5.26. Quá trình dãn nị cho đến khi áp suÍt không khí bên trong bằng áp suÍt khí quyển
Hình 5.27. Nêú ngừng cÍp nhiệt mà thải nhiệt thì áp suÍt không khí bên trong giảm xuỉng
Hình 5.28. Piston chuyển đĩng vào bên trong do áp suÍt không khí bên ngoài cao hơn
VÍn đề đƯt ra đỉi với đĩng cơ Stirling là làm thế nào để chúng hoạt đĩng mĩt cách tự đĩng, tức là xilanh nhỊn, thải nhiệt đúng lúc và liên hệ chƯt chẽ với sự chuyển đĩng của piston. Hình 5.29 biểu thị nguyên lý hoạt đĩng đơn giản của đĩng cơ Stirling.
Hiện nay về thực nhiệm các kiểu đĩng cơ Stirling đã đạt đ−ợc đĩ tin cỊy cho sự thực thi. Với hợp kim chịu nhiệt đĩ cao, thiết bị công nghệ mới, thiết kế quá trình trao đưi nhiệt cờ sự trợ giúp của
máy tính và đ−ợc nạp khí Hêli hoƯc Hyđrô với áp suÍt cao, các kiểu Stirling cờ thể dễ dàng vũt trĩi các đĩng diesel về hiệu suÍt cũng nh− về tỷ lệ giữa năng l−ợng và trụng l−ợng. Với đƯc chuyển đĩng êm và đĩ ô nhiễm thÍp, đĩng cơ Stirling sẽ không còn cờ đỉi thủ cạnh tranh trong t−ơng lai. /.
Ch−ơng 5: CáC loại g−ơng phản xạ
Để tập trung năng lượng bức xạ chiếu tới mặt thu Ft, nhằm nõng cao nhiệt độ của Ft và mụi chất tiếp xỳc nú, người ta dựng thờm cỏc gương phản xạ. Gương phản xạ là cỏc bề mặt nhẵn búng, coi là vật đục D = 0, cú hệ số hấp thụ A bộ, và hệ số phản xạ R = (1-A) lớn. Gương phản xạ cú thể cú dạng phẳng, cụn, nún, parabol trụ hoặc parabol trũn xoay. Gương phản xạ thường được chế tạo bằng mặt kim loại búng như inox, nhụm, tụn đỏnh búng, hoặc kớnh hay plastic cú trỏng bạc.
Đặc trưng của một gương phản xạ bao gồm: - Cỏc thụng số hỡnh học và kết cấu.
- Độ phản xạ R, điều kiện đờớ mặt thu cú thể hứng toàn bộ phản xạ từ gương.
- Độ tập trung năng lượng bức xạ (kớ hiệu là k).
Độ tập trung năng lượng bức xạ k :
-Định nghĩa: Độ tập trung năng lượng bức xạ k của một hệ gương phản
xạ và mặt thu, là tỉ số của cường độ bức xạ tới mặt thu Ft trờn cường độ bức xạ tới mặt hứng nắng: k =
EEt Et
Cường độ bức xạ tới mặt hứng nắng E thường là cường độ bức xạ tới mặt đất nơi đặt thiết bị, tức là cường độ bức xạ lỳc trời nắng bỡnh thường, chưa cú gương phản xạ.
-Lập cụng thức tớnh k: cho một hệ
gồm mặt thu Ft đặt vuụng gúc với tia nắng, xung quanh cú gương phản xạ với hệ số phản xạ R, D = 0 và mặt hứng nắng diện tớch Fh, mặt Fh thường cũng vuụng gúc với tia nắng (hỡnh 5.1). Giả thiết cỏc gương đặt sao cho toàn bộ cỏc tia phản xạ từ gương được chiếu hết lờn mặt thu Ft. Khi đú, cụng suất bức xạ chiếu đến Ft là: Qt = E. Ft + E.( Fh - Ft).R =E.(1 - R). Ft + E.R.Fh Cường độ bức xạ đến Ft là: Et = Qt/Ft = E.(1 - R) + E.R. Fh/ Ft Do đú, k = Et/E = 1 - R + R. Fh/ Ft = 1 + R.( Fh/ Ft - 1). Nếu coi R ≈ 1 thỡ k ≈ Fh/Ft. R Fh Ft E R Hỡnh 5.1 Hệ gương và mặt thu