3. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VAØ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING.
3.2.1.Nguyên lý hoạt động chung của động cơ Stirling
Xét một xylanh được làm kín một đầu và đầu cịn lại được bịt kín bằng một piston và một ít khơng khí chứa bên trong. Piston chuyển động qua lại tự do nhưng hầu như khơng khí bên trong khơng thốt được ra bên ngồi. Giả sử, lúc ban đầu tồn bộ thiết bị cĩ nhiệt độ bằng nhiệt độ đầu lạnh và bằng nhiệt độ mơi trường. Lúc này khơng khí bên trong cĩ áp suất bằng áp suất khí quyển. Với điều kiện đĩ piston sẽ đứng yên ở vị trí ban đầu.
Hình 2.1.1a. Khi chưa cấp nhiệt
Nếu ta đốt nĩng một đầu xylanh (đầu nĩng), nguồn nhiệt được sử dụng cĩ thể là chùm tia bức xạ mặt trời hội tụ tại đầu xylanh hoặc một cách đơn giản là dùng một ngọn nến hay bấy kỳ nguồn nhiệt nào. Khi đĩ áp suất và nhiệt độ của khơng khí bên trong sẽ tăng lên, giãn nở đẩy piston chuyển động và sinh cơng hữu ích ( H. 1-7). Bất kỳ nguồn nhiệt nào cũng cĩ khả năng sinh cơng, nhưng nhiệt độ càng cao thì sinh ra cơng càng lớn. Động cơ
khơng thể chuyển nhiệt thành cơng một lần rồi ngừng như trên mà phải cĩ khả năng sinh cơng liên tục.
Cơng được sinh ra bởi khơng khí nĩng trong xilanh chừng nào cịn cĩ quá trình dãn nở của khơng khí bên trong. Nếu piston di chuyển ra ngồi quá xa nĩ sẽ vọt ra khỏi xilanh và quá trình sinh cơng kết thúc. Do vậy quá trình dãn nở cần phải kết thúc trước khi điều đĩ xảy ra. Nếu xilanh được chế tạo thật dài thì quá trình dãn nở cĩ thể lâu hơn nhưng cũng chỉ cĩ giới hạn, hơn nữa piston cũng chỉ ra ngồi đến khi áp suất bên giảm xuống bằng áp suất khí quyển.
Hình 2.1.1b. Quá trình cấp nhiệt ở đầu xilanh
Hình 2.1.1c. Khơng khí áp suất cao đẩy piston
Hình 2.1.1d. Dãn nở cho đến khi áp suất khơng khí bên trong bằng áp suất khí quyển
Nếu khi piston chuyển động đến đầu bên kia của xialnh ta ngừng quá trình cấp nhiệt và tăng quá trình thải nhiệt (làm mát) thì nhiệt độ và áp suất của khơng khí trong xilanh giảm xuống. Đến khi áp suất của khơng khí bên
trong thấp hơn áp suất khí quyển thì piston sẽ chuyển động ngược lại và trở về vị trí ban đầu.
Hình 2.1.1e. Ngừng cấp nhiệt và thải nhiệt,áp suất khơng khí bên trong giảm xuống
Hình 2.1.1f. Piston chuyển động ngược lại do áp suất khơng khí bên ngồi cao hơn
Vấn đề đặt ra đối với động cơ Stirling trong thực tế là làm thế nào để chúng hoạt động một cách tự động, tức là xilanh nhận, thải nhiệt đúng lúc và liên hệ chặt chẽ với nhau. Nhất là đối với động cơ Stirling sử dụng năng lượng Mặt Trời khi mà nguồn năng lượng cung cấp cho động cơ liên tục. Do vậy để động cơ Stirling hoạt động được trong thực tế thì ngồi xilanh và piston như trên thì động cơ cần phải cĩ thêm các bộ phận phụ như piston chốn chỗ, bánh đà v.v… và các bộ phận này phải kết hợp với nhau sao cho quá trình nhận và thải nhiệt của mơi chất đúng chu kỳ.