PHAN 2. TONG QUAN VE ĐỘNG CO STIRLING
H. B.23. Ảnh hưởng của quá trình truyền nhiệt không hoàn toan
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa
Trên hình H. B. 23, đường gấp khúc 1`-2`-3'- 4` là chu trình có kẻ đến ảnh hưởng do quá trình hỏi
nhiệt không hoàn toàn.
c. Anh hưởng do quá trình rò ri môi chất công tác
Trong thực tế, mặc dù đã được lam kín một cách tốt nhất có thể, nhưng động co Stirling lam việc cũng không thé tránh khỏi hiện tượng rò ri môi chất công tác.
Khi môi chất công tác bị rò ri thì hiệu suất thực tế cha động cơ giảm, do đó cần phải bồ sung môi chất công tác cho động co Stirling sau một thời gian lam việc. Trên hình H. B. 24, chu trình
1'2*3*4'1' là chu trình có kể đến ảnh hưởng của sự rò ri môi chất công tác.
pì
w
mn _— > =>
H. B. 24. Anh hưởng của sự rò ri môi chất công tác.
d. Ảnh hưởng đo không gian chết
Không gian chết sẽ làm giảm công sinh ra của chu trình bởi vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến áp suất của chu trình. Không gian chết càng tăng thì áp suất càng giảm và công sinh ra của chu trình sẽ càng giảm xuống. Dễ đảng thấy được điều nảy vì khi thé tích chết tăng lên thi phan môi chất công tác tham gia vào qua trình trao đôi nhiệt cảng giảm xuống. Kết qua lả giảm công suất của động cơ. Do
đó, đã có một số động cơ ding phương án thay đôi thể tích chết của động cơ dé điều khiển việc thay đôi công suất của động cơ. Hình H.2.6 thé hiện ảnh hưởng của không gian chết đến hiệu suất nhiệt thực tế, trong đó chu trình 1'2`3*4`1' là chu trình có kê đến ảnh hường của không gian chết.
p
Nm b>
-_— — <
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa
H.B.25. Ảnh hướng do có không gian chết.
ce. Anh hưởng do chuyên động của piston:
Sự ảnh hưởng do chuyên động của pittong được mô tả trên hình H. B. 26.
Thẻ tích lớn nhất và nhỏ nhất của chu trình vẫn giống như trường hợp lý tưởng ở trạnh thái a và b.
pA
H. B. 26. Anh huong do chuyén động của Piston
$ Tổng ảnh hưởng của tat cả những sai lệch so với điều kiện lý tưởng:
Tổng hợp tat cả các ảnh hưởng đến quá trình làm việc của chu trình của động cơ Stirling có thé biểu diễn trên đỏ thị p-V như hình dưới.
H. B. 27. Ảnh hưởng của tat cá những sự sai lệch với điều kiện lý tưởng.
3. Chu trình thực tế của động cơ Stirling
Chu trình Stirling mà chúng ta vừa nghiên cứu là chu trình nhiệt động học lý tưởng, bao gồm bốn quá trình nhiệt động học, trong đó có hai quá trình đăng nhiệt và hai quá trình đăng tích. Khi nghiên cứu chu trình nhiệt động học lý tưởng đó, chúng ta đã giả định rằng tất cả các quá trình nhiệt động học đều là quá trình thuận nghịch, và tất cả các quá trình nén và giãn nở đều là đăng nhiệt.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa
Mặt khác, chúng ta cũng thừa nhận tất cả môi chất công tác đều ở trong buông nén và buông giãn nở trong suốt quá trình nén và giãn nở. Vi vậy tác dụng của bat kỳ lỗ hỗng nào trong bộ hồi nhiệt, khe
hở, hốc xylanh đều được bỏ qua, cả hai pittong đều được cho là chuyển động gián đoạn dé có được sự phân bố môi chất công tác như đã trình bay. anh hướng của tat cả các ma sát khí động học cũng như co khí đều được bỏ qua. Sự hỏi nhiệt được gia định 1a hoản thiện, hay nói cách khác, nhiệt dung riêng và hệ số truyền nhiệt giữa môi chat công tác và bộ hồi nhiệt 1a vô hạn.
Tuy nhiên, trong thực tế thì hiệu suất nhiệt của bắt kỳ động cơ thực tế nào cũng đều thấp hơn giá trị hiệu suất Carnot của chu trình lý tưởng. Ti lệ giữa hiệu suất nhiệt thực tế vả hiệu suất nhiệt Carnot
lý thuyết được gọi là hiệu suất tương đối.
ntd Hthese ”” —
ar
Trong đó: nq là hiệu suất nhiệt thực tế.
Ney, là hiệu suất của chu trình Carnot.
Một động cơ được xem là một thiết kế tốt khi có hiệu suất tương đối lớn hơn 0,4. Dé minh hoạ cho chu trình thực tế. người ta sử dụng một động co Stirling như hình vẽ bên dưới. Nó gdm một động cơ
hình chữ V, với hai pittong có cùng một trục khuyu.
Khoảng không gian dé các pittong tạo thành buông nén và buồng giãn nở, chúng được noi với nhau bằng bộ hỏi nhiệt và bộ trao đôi nhiệt.
Trong quá trình làm việc của động cơ, sự sai khác lớn so với lý thuyết là ở chỗ sự đi chuyên liên tục thay vì di chuyên gián đoạn của piston. Kết qua này chỉ rõ trên hình H.2.4, trong đỗ thị p -V với một đường biểu dién liên tục rất trơn, cả bốn đường biéu diễn quá trình của chu trình thực tế đều không sắc nhọn.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa
HB. 28. Sơ đô của một động cơ Stirling thực tế.
1-Không gian giãn nở; 2- Đường vào của nhiên liệu; 3- Bộ sấy nóng không khí;
4- Đường vào của không khí; 5- Đường ra của khí thải; 6-Bộ cap nhiệt;
7- Bộ hỏi nhiệt ; 8- Duong ra của nước; 9- Bộ làm mát;
10- Không gian nén; 11- Đường vào của nước
Các quá trình nén và giãn nở không xảy ra hoàn toàn trong các buông công tác (buồng nén và buồng giãn nở). Vì vậy ba đồ thị p -V được vẽ, một cho buồng nén, một cho buông giãn nở và đồ thị còn lại cho toàn bộ thé tích kín, trong đó bao gồm cả thé tích chết. Thẻ tích chết chính là một phần của không gian làm việc không được quét tới bởi các pittong và nd bao gồm: khe hở trong xylanh, thê tích lỗ trồng của bộ hồi nhiệt và các bộ trao đồi nhiệt, thé tích bên trong của các ông dan và các cửa.
Đồ thị p - V của buông giãn nở đặc trưng cho toàn bộ công hữu ích của chu trình, trong khi biểu đò buông nén đặc trưng cho công nén (công âm) của chu trình.
Hiệu số điện tích của hai đường biểu điển này là công của chu trình hay là công dé thăng các ton thất vẻ ma sát và cơ khí dé cung cấp công hữu ích cho trục khuỷu động cơ.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa
H. B. 29. Đồ thị công của động co Stirling thực té.
a) Không gian giãn nở.
b) Không gian nén.
€) Toàn bộ không gian công tác.
Các quá trình nén và giần nở không xảy ra hoàn toản trong các buông công tác (buông nén và buông giãn no). Vi vậy ba đò thị p - V được vẽ, một cho buông nén, một cho buông giản nở và đồ thị còn lại cho toàn bộ thê tích kín, trong đó bao gồm cả thê tích chết. Thê tích chết chính là một phần của không gian làm việc không được quét tới bởi các pittong và nó bao gồm: khe hở trong xylanh, thé
tích lỗ trông của bộ hồi nhiệt và các bộ trao đôi nhiệt, thê tích bên trong của các ông dẫn và các cửa.
Đỗ thị p -V của buồng giãn nở đặc trưng cho toản bộ công hữu ích của chu trình, trong khi biểu đồ buông nén đặc trưng cho công nén (công âm) của chu trình.
Hiệu số điện tích của hai đường biểu điễn này là công của chu trình hay là công đề thắng các ton thất về ma sát và cơ khí để cung cấp công hữu ích cho trục khuỷu động cơ.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa
H. B. 30. Ảnh hưởng của sự tồn thất dòng khí động lực học đến công suất của động cơ.
- Đồ thị áp suất - thời gian.
- Dé thị áp suất - thé tích.
Trong một chu trình lý tưởng, nơi mà các quá trình nén và giãn nở là đăng nhiệt và không có mat mat do ma sát thì hiệu số điện tích của đường biểu diễn giãn nở và nén sẽ bằng điện tích đường biéu diễn p - V cho toàn bộ khoảng không gian làm việc. Trong động cơ thực tế, di nhiên là sự cân bằng nảy không thé có được,đo tôn that dong khí động lực học trong bộ hồi nhiệt va các bộ trao đôi nhiệt
gây ra sự khác biệt về áp suất của môi chất công tác trong không gian giãn nở và không gian nén.
Sự ton that về dong rat quan trọng, bởi vì chúng sẽ gây ra sự giảm diện tích của đồ thị p -V của không gian giãn nở, kết quả là làm giảm công suất của chu trình, đẫn đến giảm hiệu suất.
Chuyên động hình sin của pittong lam cho môi chất công tác được phân bố một cách khác nhau theo thời gian qua các phạm vi nhiệt độ khác nhau, nên không thé vẽ một 46 thị T - S đẻ thé hiện chung cho các hạt riêng biệt của môi chất công tác khi chúng đi chuyên từ khoảng nhiệt độ này sang khoảng nhiệt độ khác. Không có một phương pháp thuận lợi nado dé nỗi kết các đô thị nhiều nhánh
này.
Một sự khác biệt cơ bản khác cia chu trình thực tế so với chu trình lý tưởng 14 các qua trình nén vả giãn nở không đăng nhiệt. Trong một động cơ hoạt động ở tốc độ vừa phải (ví dụ như 1000 vong/phut), sự khác biệt nay làm cho các quá trình giống qua trình đoạn nhiệt (không có sự trao đôi nhiệt) hơn là đăng nhiệt (trao đôi nhiệt vô han), Dé cải thiện tinh trang này, người ta thường lắp các
bộ trao đôi nhiệt đặc biệt nó bao gồm: bộ say nóng, lắp cạnh bên buồng giãn nở, truyền nhiệt cho môi chất công tác, và các bộ làm nguội, lắp bên cạnh buông nén, đê lẫy nhiệt độ từ môi chất công
tác.
Mặc đù có những ưu điểm nhờ cải tiến bộ trao đổi nhiệt nhưng chúng ta khó đạt được chu trình lý
thuyết. Tương tự như vậy, đôi với sự tôn that khí động, tat cả những điều đó làm giảm hiệu suất của động cơ như đã mô ta ở trên. Thẻ tích chết sẽ tăng lên bởi thé tích rỗng của bộ say nóng và bộ làm nguội, điều này làm giảm hiệu suất của động cơ hoàn nhiệt.
Sau khi nghiên cứu ton thất dòng và thé tích rỗng (kết hợp củng với việc nghiên cứu gid cả, kích
thước và khôi lượng) dé thiết kế bộ trao đôi nhiệt hợp lý, người ta nhận thay sự khác biệt rõ rệt giữa nhiệt độ buông giãn nở, buồng nén và môi chất công tác. Điều này được minh hoa bằng biéu dé trên hình H. 2-12, và biểu d6 này thé hiện các cap nhiệt độ của một động cơ hôi nhiệt làm mát bằng nước
và đốt nóng bằng nhiên liệu.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa
Nhiệt độ của sản phẩm cháy là 2800 K và của nước làm mát là 280 K, giới hạn bên nhiệt của vật liệu dùng cho xylanh giãn nở và nung nóng là 1000K . Điều này cung cấp một gradient nhiệt độ rat lớn, từ 2800 K đến 1000 K giữa các sản phẩm cháy và xylanh. Các gradient nhiệt độ khác là 100 K giữa môi chat công tác và buông giãn nở và 50 K giữa môi chất công tác và buông nén.
Vi vậy, sự chênh lệch nhiệt độ của môi chất công tác thay đôi từ 280 + 50 =330 K đến 1000 — 100 =
900 K
Trong khi đó, hiệu suất của chu trình Carnot (hoặc Stirling) cho hệ thông được tính:
_ 2800 - 280 _ 2520 _ 90%
3800 2800
Dé sát với thực tế hơn nó phải được tinh lả:
” _ 300-330 — 370 _ 630%
900 900
Ví dụ này cho thay một trong những trở ngại ch inh trong việc th ương mại hoá động co Stirling, điều này cũng giống như động cơ tuốc bin khí là van đề vật liệu.
3000
2000
1000 800 600 400 300 200
Nhiệt độ [K] œœm
100 H. B. 31. Phan bo nhiệt độ trong động cơ Stirling
A- Nhiệt độ của san vật cháy,
B- Nhiệt độ của thành bộ lam nóng.
C- Nhiệt độ trung bình của buông giãn nở.
D- Nhiệt độ trung bình của buồng nén.
E- Nhiệt độ của nước làm mát và thành lam nguội.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa
Một số chỉ tiết của động cơ như bộ say nóng và bộ giãn nở, tiếp xúc liên tục với nhiệt độ cao, vì vậy chúng phải chịu sự giới hạn vẻ độ bèn vật liệu của bộ say nóng và của xylanh giãn nở.
Quá trình nén và giãn nở không đăng nhiệt, sự truyền nhiệt có giới hạn của bộ làm mát và sây nóng, sự ton thất do nhiệt thoát ra bên ngoài, khoảng không gian chết tăng lên, và sự ton thất dòng khí động lực học là nguyên nhân chính của sự chưa thành công của phan lớn động co Stirling trong thực tế. Các yêu tô ảnh hưởng xấu khác còn bao gồm những hạn chế trong việc hoạt động của bộ hỏi nhiệt, tôn that ma sát cơ khí lớn, sự cân bằng nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh và sự rò rỉ môi chất công tác đo thiết kế phần bao kín không được hoàn hảo.
VI. Những lĩnh vực có thé sử dụng đông co Stirling
Động co Stirling đã có một thời kỳ phát triển mạnh mẽ ở châu Âu vào cuỗi thể kỷ XIX, nhưng sau đó đó bị động cơ xăng (phát minh vào năm 1878) và động cơ diesel (1887) thay thể dần. So với động co Stirling, động cơ xăng và diesel có ưu điểm nỗi bật là: công suất riêng (công suất ứng với một đơn vị khói lượng hoặc một đơn vị thẻ tích của động cơ) lớn, cho phép nhanh chóng tăng hoặc giảm tải. Đây là những ưu điểm có ý nghĩa đặc biệt đối với nguồn động lực trang bị cho các phương tiện cơ giới di động. Tuy nhiên, sau gần một thé kỷ chiếm vị trí gần như độc tôn trong lĩnh vực giao thô ng vận tải vả trong nhiều hoạt động khác của con ng udi, vai trỏ của động cơ xăng và động cơ diesel đã và đang được xem xét lại đo mức độ gây ô nhiễm môi trường của chúng vả nguồn nhiên liệu truyền thong dang cạn kiệt dan. Nhiều nguon động lực mới và một số nguồn động lực bị lãng
quên lại thu hút được sự quan ta m của các nha khoa học, quân sự và kinh doanh. Động co Stirling
là một trong số đó.
Động co Stirling đã và sẽ có thé được sử dung trong những lĩnh vực sau đây:
1. Sản xuất điện năng
Do khả năng hoạt động được với nhiều nguồn nhiệt khác nhau như xăng. dau, than, củi. năng lượng mặt trời, địa nhiệt, v.v.. tô hợp máy phát điện Stirling (động cơ Stirling-may phát điện) rất thích hợp tại các vùng sâu, hai đảo, các trạm khi tượng, các trạm khuyếch đại tín hiệu thông tin, trên các con tàu không gian - nơi chưa hoặc không thé có lưới điện. Động co Stirling đó được sử dung làm may phát điện cỡ nhỏ, có thé hoạt động trong một thời gian dai ma không cân đến sự chăm sóc của con người ở các vùng xa. Công suất phát điện từ vai W đến vai KW, nhưng phô biến nhất là từ 200W đến 500W,
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Luong Hạnh Hoa
H. B. 32. Một số hình ảnh vẻ sử đụng động cơ Stirling trong lĩnh vực phát điện
2. Động cơ Giỏ, tau thu
H. B. 33. Sử dụng động cơ Stirling trên ôtô vả tau ngẫm
Phillips là một trong những hãng có lịch sử dài nghiên cứu động co Stirling trang bi cho ôtô. Cho
đến nay, xét về mặt kinh tế, động cơ Stirling chưa thé trở thành một thách thức đối với DCDT trong lĩnh vực ôtô. Tuy nhiên, nhiều chuyên gia đó tiên đoán điều nảy sẽ thay đôi do áp lực cla van dé 6 nhiễm môi trường đo khí thai của DCDT va nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu gốc dau mỏ. Sử dụng
động cơ Stirling trang bị cho tàu thuỷ, đặc biệt là tàu ngầm cũng là một hướng nghiên cứu được các
nhà quân sự quan tâm do có độ ồn và rung động rất nhỏ so với động cơ diesel.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: Th.S Lương Hạnh Hoa
3. Thiết bị làm lạnh
Mọi quan tâm của công ty Phillips vào máy lam lạnh chu trình Stirling bat đầu như là một sản pham phụ của họ trong những ngày đầu sản xuất máy động lực.
Máy làm lạnh của công ty Phillips được phát triển dưới sự hướng dẫn cua tiến sỹ J.W.L.Kohler, vả sau đó chiếm vị trí dẫn đầu trong hệ thống máy làm lạnh cỡ nhỏ đến cỡ trung bình. Các máy làm
lạnh đó dan đến sự phát triển của các thiết bị kỹ thuật sinh han kết hợp. Quả thực người ta đã tinh rằng lợi nhuận từ bộ phận sản xuất thiết bị sinh hàn thực tế đó trả cho công ty Phillips tất cả các chỉ phí cho việc nghiên cứu máy động lực. Rất nhiều loại máy làm lạnh của công ty Phillips được đưa ra thị trường từ động cơ cơ mẫu thu nhỏ có công suất nhỏ hơn 1W đến các hệ thống thiết bị làm lạnh có công suất tới hang ngàn kW. Hiện tại thị trường đang bị giới han vì các máy nay đang phải cạnh tranh với các loại máy mới khác tắt đa đạng. Với sự phát triển của vật liệu siêu dẫn có khả năng chịu được nhiệt độ cao hơn, sự áp dụng kỹ thuật tia hồng ngoại, đã xuất hiện cơ hội cho các máy lam lạnh cỡ nhỏ, máy sẽ trở nên nhỏ hon và giá thành thấp hơn. Bên cạnh công ty Phillips Bắc
Mỹ còn có các công ty khác nhanh chóng đưa ra thị trường các loại động cơ làm lạnh cỡ nhỏ ví dụ
như công ty Malaker, Laboraties, công ty hàng không The Hughes ở California, nhiều công ty khác
cũng quan tâm tới việc nghiên cứu lĩnh vực này.
4. Động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời
Hiện nay thị trường dành cho động cơ chạy bằng năng lượng mặt trời là rất lớn. Loại động cơ nảy được sử dụng ở những quốc gia vùng nhiệt đới chưa phát triển dé dẫn động các bơm nước tưới tiêu va dé dẫn động các máy phát điện công suất nhỏ. Động cơ Stirling loại này đã được ché tạo và thử
nghiệm bởi hãng Ericsson từ năm 1959, Khó khăn chính trong việc đưa loại động cơ nảy ra thị