Đường kính piston lực d1 = 16,7mm; đường kính piston phụ d2 = 31,7 mm; hành trình chung cho cả hai piston s = 22,2 mm.
động cơ Stirling. Tại thời điểm này, đối với động cơ Stirling có thể đạt hiệu suất
khoảng 40%, và công suất có thể đạt được 82 kW tương ứng với một lít thể tích quét
của xylanh.
Những nghiên cứu phát triển và ứng dụng động cơ Stirling trên phương tiện vận
tải cũng đã được các nhà sản xuất ô tô quan tâm từ nửa đầu thế kỷ XX. Mặt khác, do có thể biến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành cơ năng, nên động cơ Stirling rất được quan tâm nghiên cứu ứng dụng trên các con tàu không gian từ năm 1995.
Ngày nay, nghiên cứu động cơ Stirling để sử dụng các nguồn năng lượng tái
sinh cũng đang được đẩy mạnh. Đặc biệt là trong lĩnh vực năng lượng sạch, động cơ
Stirling sử dụng năng lượng mặt trời sẽ được quan tâm đúng mức và phát triển phục vụ
nhu cầu đa dạng trong sản xuất và phát triển kinh tế xã hội.
Muốn tính toán chu trình nhiệt độngđộng cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt
trời, trước hết phải hiểu được đúng bản chất và các yếu tố ảnh hưởng đến chu trình nhiệt động của động cơ Stirling. Chương 2 sẽđề cậpđến nội dung này và từđó tìm ra những biện pháp tích cực làm cơ sở cho việc tính toán, thiết kếđộng cơ Stirling.
Chương 2
CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING
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 công. 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 môi chất công tác thành cơ năng, sau khi thực hiện các quá trình đó, môi chất công 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 môi chất công 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 toán thiết kế, đồng thời tìm biện pháp nâng cao hiệu suất và công 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 môi chất công tác của nó một cách chính xác khi đã có động cơ thực.
Muốn nghiên cứu các thông số của các quá 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 hoá các quá 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:
- Môi chất công tác là khí lý tưởng (có nhiệt dung riêng không đổi và tuân theo phương trình trạng thái: pV = RT).
- Nhiệt độ trong buồng giãn nở luôn 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 luôn có một gradient
nhiệt độ Tmax - Tmin trên tiết diện mặt cắt ngang của bộ hoàn nhiệt.
- Không 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 môi chất công 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 hoàn 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 còn lại là buồng nén, luôn được duy trì ở nhiệt độ thấp (Tmin).
Vì vậy, luôn luôn 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 không có ma sát và không có sự rò rỉ môi chất công 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 toàn bộ môi chất công tác (MCCT) đang ở trong buồng nén, thể tích công 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
