5) Động cơ Stirling trong lĩnh vực giải trớ
3.2.2. THIẾT KẾ VÀ CHẾT ẠO CÁC BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT
Khỏc với trường hợp ĐCĐT, cỏc bộ trao đổi nhiệt ở động cơ Stirling cao cấp đũi hỏi phải được chế tạo từ những vật liệu cú hệ số truyền nhiệt cao và khả năng chịu nhiệt tốt. Cỏc chi tiết của nú phải hoạt động liờn tục ở nhiệt độ chu trỡnh tối đa, và phải được chế tạo từ những hợp kim chịu nhiệt độ rất cao hoặc là vật liệu gốm để cú được hiệu suất nhiệt cao. Đồng thời thể tớch lổ trống bờn trong cấu thành khụng gian chết của động cơ phải được thiết kế ở mức tối thiểu. Nếu thể tớch nhỏ thỡ diện tớch cho sự truyền nhiệt nhỏ, vỡ vậy vật liệu phải tiếp xỳc với lượng nhiệt rất lớn trờn một đơn vị diện tớch.
t [%]
N
250 500 750
1000
1250
1500
1000
750
500
250
125
250
400 rpm H
eH
250
40
30
20
10
0
20 40 60 80
Để cú được cụng suất cao, động cơ cần phải được tăng ỏp tới một ỏp suất cao, và sử dụng mụi chất cụng tỏc là khớ helium hoặc hydrogen chứ khụng phải khụng khớ, tuy nhiờn rất nhiều vật liệu khi ở ỏp suất cao rất dễ trở thành tơi xốp đối với cỏc loại khớ này. Bộ trao đổi nhiệt làm việc ở nhiệt độ cao, vỡ vậy nú hoạt động liờn tục ở giới hạn bền nhiệt, với ỏp suất bờn trong cao và luụn thay đổi, điều này là một khú khăn cho cụng nghệ chế tạo, kỹ thuật vật liệu và nhiệt luyện.
Thiết kế bộ hoàn nhiệt và cỏc bộ trao đổi nhiệt khỏc của động cơ Stirling là một cụng việc phức tạp. Cho đến nay chưa cú một nghiờn cứu sõu về sự hoạt động của thành phần này trong động cơ.
Sự hoàn thiện lý tưởng đó được giả định trong cỏc khảo sỏt trước đõy ở chu trỡnh Stirling và chu trỡnh hoạt động Schmidt. Sự hoàn thiện lý tưởng khi mụi chất cụng tỏc vào, ra khỏi bộ hoàn nhiệt ở một trong hai nhiệt độ khụng đổi Tmaxở đầu gión nở và Tmin ở đầu nộn. Điều này chỉ cú thể đạt được nếu sự hoạt động là vụ cựng chậm, hoặc nếu hệ số truyền nhiệt hoặc diện tớch truyền nhiệt là vụ hạn.
Trong cả chu trỡnh Stirling và chu trỡnh Schmidt khụng cú sự khỏc biệt về ỏp suất tức thời ngang qua khuụn bộ hoàn nhiệt vỡ bộ hoàn nhiệt lý tưởng khụng tớnh đến ma sỏt của mụi chất cụng tỏc. Hơn nữa trong trường hợp chu trỡnh Stirling thể tớch lổ trống của khuụn bằng khụng. Trong chu trỡnh Schmidt thể tớch lổ trống của khuụn là một thụng số độc lập, và được xem là một phần của toàn bộ thể tớch lỗ trống của hệ thống.
Sự hỡnh thành trường nhiệt độ trong khuụn bộ hoàn nhiệt là khụng cú ảnh hưởng đến chu trỡnh Stirling và cả chu trỡnh Schmidt, bởi vỡ nhiệt độ trong khụng gian thể tớch chết luụn luụn được xem là giỏ trị trung bỡnh của nhiệt độ khụng đổi Tmax, Tmin.
Bộ hoàn nhiệt trong một động cơ thực tế hoạt động trong một điều kiện khỏc xa so với điều kiện giả định ở trường hợp lý tưởng nờu trờn. Nhiệt độ của mụi chất cụng tỏc ở đầu vào và đầu ra của bộ hoàn nhiệt khụng phải là khụng đổi mà thay đổi theo chu kỳ của chu trỡnh. Bởi vỡ quỏ trỡnh nộn và gión nở khụng đẳng nhiệt, ỏp suất và nhiệt độ của mụi chất cụng tỏc cũng thay đổi cựng với thay đổi nhiệt độ này.
Đồ thị trờn H. 3.11 cho thấy sự thay đổi ỏp suất chu trỡnh trong buồng gión nở và buồng nộn và làm lạnh chu trỡnh Stirling hoạt động ở 1800 rpm và 800 rpm.
Trong cả hai đồ thị, đường cong A là đồ thị ỏp suất trong buồng nộn, đường cong B là đồ thị ỏp suất trong buồng gión nở. Sự khỏc biệt giữa chỳng là sự mất mỏt khớ động học trong bộ hoàn nhiệt và cỏc bộ trao đổi nhiệt. Để so sỏnh đồ thị ỏp suất lý thuyết được tớnh toỏn theo lý thuyết đẳng nhiệt Schmidt cũng được vẽ trờn cựng một đồ thị. Điều đỏng quan tõm là đường cong Schmidt cựng biờn độ với đồ thị buồng gión nở và cựng pha với đồ thị buồng nộn. Sự thay đổi tốc độ làm thay đổi biờn độ của đồ thị buồng nộn và pha của đồ thị buồng gión nở.
Đồ thị trờn H. 3.11 chỉ rừ biờn độ của sự thay đổi ỏp suất trong buồng gión nở là hầu như hoàn toàn bằng với biờn độ của sự thay đổi ỏp suất trong đồ thị Schmidt. Tuy nhiờn xột về sự lệch pha, thỡ đường cong của buồng nộn cựng pha với đường cong của đồ thị Schmidt. Hơn thế nữa, điều đỏng quan tõm là khi tốc độ thay đổi từ 800 vũng/ phỳt đến 1800 vũng/ phỳt, ảnh hưởng chớnh là sự thay đổi về biờn độ của đồ thị buồng nộn và gúc lệch pha của buồng gión nở. Sự khỏc biệt của đồ thị buồng gión nở và đồ thị ỏp suất buồng nộn cú nguyờn nhõn từ tổn thất ma sỏt của mụi chất cụng tỏc khi đi ngang bộ hoàn nhiệt và cỏc bộ trao đổi nhiệt. Cú thể thấy rằng tổn thất do ma sỏt của mụi chất cụng tỏc khi đi ngang qua bộ hoàn nhiệt và cỏc bộ trao đổi nhiệt là điều khụng thể bỏ qua, và sự thay đổi này rất phức tạp cựng với tốc độ.
400300 300 200 100 200 240 280 320 0 40 80 120 160 B A
a)1800 v/p Goc quay truc khuyu (đụ)
A100 100 240 200 280 320 0 40 80 120 160 B 200 300 400
