Trong bài báo này chúng tôi muốn giới thiệu về nghiên cứu ứng dụng một loại động cơ nhiệt có nhiều ưu việt mà ngay nay đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm để ứng dụng vào thực tế, đó là động cơ Stirling.
5 trang |
Chia sẻ: lethao | Lượt xem: 2997 | Lượt tải: 2
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đề tài Nghiên cứu khoa học - Động cơ stirling sử dụng năng lượng mặt trời, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
NGHIÊN CỨU ðỘNG CƠ STIRLING
DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
A RESEARCH ON STIRLING ENGINES USING SOLAR ENERGY
HOÀNG DƯƠNG HÙNG – PHAN QUÝ TRÀ
Trường ðại học Bách khoa, ðại học ðà Nẵng
PHAN QUANG XƯNG
ðại học ðà Nẵng
TÓM TẮT
Trong bài báo này chúng tôi muốn giới thiệu về nghiên cứu ứng dụng một loại ñộng cơ nhiệt
có nhiều ưu việt mà ngày nay ñang ñược nhiều nhà nghiên cứu quan tâm ñể ứng dụng vào
thực tế, ñó là ñộng cơ Stirling. ðộng cơ Stirling có thể hoạt ñộng bởi nhiều nguồn nhiệt khác
nhau mà ñặc biệt là nó có thể sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, một nguồn năng lượng
sạch và vô tận.
ABSTRACT
In this article we introduce one kind of heat engine: the Stirling engine. Currently, Stirling
engines are the subject of considerable research and development efforts because of their
potential for high efficiency, clean and quiet operation, especially, if they run on solar energy.
1. ðặt vấn ñề
Ðộng cơ Stirling là một thiết bị có
nhiều ưu việt và cấu tạo ñơn giản. Một
ñầu ñộng cơ ñược ñốt nóng, phần còn lại
ñể nguội và công hữu ích ñược sinh ra.
Ðây là một ñộng cơ kín không có ñường
cấp nhiên liệu cũng như ñường thải khí.
Nhiệt dùng ñược lấy từ bên ngoài, bất kể
vật gì nếu ñốt cháy ñều có thể dùng ñể
chạy ñộng cơ Stirling như: than, củi, rơm
rạ, dầu hỏa, dầu lửa, cồn, khí ñốt tự nhiên,
gas mêtan,... và không ñòi hỏi quá trình
cháy mà chỉ cần cấp nhiệt ñủ ñể làm cho
ñộng cơ Stirling hoạt ñộng. Ðặc biệt ñộng
cơ Stirling có thể hoạt ñộng với năng
lượng mặt trời, năng lượng ñịa nhiệt, hoặc
nhiệt thừa từ các quá trình công nghiệp.
2. Nguyên lý hoạt ñộng
Ðộng cơ Stirling là một ñộng cơ
nhiệt. Ðộng cơ nhiệt là một thiết bị có thể
liên tục chuyển ñổi nhiệt năng thành cơ
năng. Nếu ta ñốt nóng một ñầu xilanh
(ñầu nóng) nguồn nhiệt ñược sử dụng có
thể là chùm tia bức xạ mặt trời hội tụ tại
ñầu xilanh hoặc một cách ñơn giản là
nhúng ñầu xilanh vào nước nóng, thì áp
H×nh 3. Kh«ng khÝ ¸p suÊt cao ®Èy piston ®i ra
§Çu nãng
§Çu l¹nh
suất và nhiệt ñộ không khí bên trong tăng lên. áp suất cao sẽ ñẩy piston chuyển ñộng và sinh
ra công hữu ích (Hình: 1,2,3,4). Bất kỳ nguồn nhiệt nào cũng sinh ra công, nhưng với nguồn
có nhiệt ñộ càng cao thì tạo ra công càng lớn. Ðộng cơ không những chỉ chuyển nhiệt thành
công một lần ñơn giản như trên ma cần phải có khả năng tiếp tục sinh công.
Công có thể sinh ra từ không khí nóng trong xilanh chừng nào còn có quá trình giãn
nở và ñến khi áp suất bên trong giảm xuống bằng áp suất khí quyển thì quá trình sinh công kết
thúc (piston dừng lại).
Nếu khi piston chuyển ñộng ñến
ñầu bên phải của xilanh, ta ngừng quá
trình cấp nhiệt và tăng quá trình thải
nhiệt (làm mát) thì nhiệt ñộ và áp suất
của không khí phía trong xilanh giảm
xuống ñến khi áp suất của không khí bên
trong thấp hơn áp suất của khí quyển bên
ngoài thì piston sẽ chuyển ñộng ngược lại
và trở lại vị trí ban ñầu. (Hình: 5, 6)
Vấn ñề ñặt ra ñối với ñộng cơ
Stirling trong thực tế là làm thế nào ñể
chúng hoạt ñộng một cách tự ñộng, tức là
xilanh nhận, thải nhiệt ñúng lúc và liên
hệ chặt chẽ với nhau. Nhất là ñối với
ñộng cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt
trời khi mà nguồn năng lượng cung cấp
cho ñộng cơ liên tục. Do vậy ñể ñộng cơ
Stirling hoạt ñộng ñược trong thực tế thì
ngoài xi lanh và piston như trên thì ñộng
cơ cần phải có thêm các bộ phận phụ như
piston choán chỗ, bánh ñà v.v... và các bộ
phận này phải kết hợp với nhau sao cho
quá trình nhận và thải nhiệt của môi chất
ñúng chu kỳ.
3. Ðộng cơ stirling dùng năng lượng mặt trời
Ðộng cơ Stirling ñược tính toán thiết kế cơ bản dựa trên lý thuyết của Schmidt. Từ lý
thuyết này người ta xây dựng nên các mô hình tính toán cho ñộng cơ Stirling nhiệt ñộ cao,
nhiệt ñộ trung bình. Ðộng cơ Stirling nhiệt ñộ thấp sử dụng năng lượng mặt trời ñến nay vẫn
chưa có tính toán lý thuyết cũng như kết quả thực nghiệm ñược công bố.
Dựa vào cấu trúc của ñộng cơ Stirling mà người ta chia ñộng cơ Stirling thành 3 kiểu cơ
bản α, β, γ. Các kiểu này ñều có một ñiểm chung là có ít nhất 2 buồng làm việc ñó là buồng
nén và buồng giãn nở trong ñó môi chất khí công tác ñược ñiền kín.
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô tận. Tuy nhiên ñặc ñiểm của NLMT
là phân bố không tập trung và cường ñộ năng lượng mặt trời phụ thuộc vào giờ trong ngày và
thay ñổi theo mùa. Cường ñộ bức xạ mặt trời ñến bề mặt trên mặt ñất cao nhất khoảng
1000W/m2. Do vậy chúng tôi lựa chọn loại ñộng cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời kiểu γ
ñể nghiên cứu.
Ðối với ñộng cơ Stirling kiểu γ thì Piston làm việc và Piston choán chỗ ñược bố trí vào 2
H×nh 4. Qu¸ tr×nh gi#n në cho ®Õn khi ¸p suÊt kh«ng
khÝ bªn trong b»ng ¸p suÊt khÝ quyÓn
H×nh 5. Nªó ngõng cÊp nhiÖt mµ th¶i nhiÖt th× ¸p
suÊt kh«ng khÝ bªn trong gi¶m xuèng
H×nh 6. Piston chuyÓn ®éng vµo bªn trong do ¸p
suÊt kh«ng khÝ bªn ngoµi cao h¬n
xy lanh riêng biệt. Sự liên kết giữa các Piston này có thể thực hiện theo các dạng sau:
- Liên kết lạnh : Piston làm việc ở phía nhiệt ñộ thấp
- Liên kết nóng : Piston làm việc ở phía nhiệt ñộ cao
- Liên kết trung bình : Piston làm việc nối vào bộ phận hoàn nhiệt
Qua nghiên cứu và so sánh các dạng khác nhau của loại ñộng cơ Stirling kiểu γ thì
chúng tôi ñưa ra mẫu ñộng cơ Stirling sử dụng NLMT như Hình 7.
Hình 7. Cấu tạo ñộng cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời
Sau khi nghiên cứu lý thuyết tính toán thiết kế và ñã chế tạo ñộng cơ Stirling với các
thông số kỹ thuật như bảng sau.
ðường kính 1,55 m
Áp suất làm việc
TBình
1 bar
Nhiệt ñộ bề mặt
hấp thụ
65-120°C
Diện tích hấp
thụ
1,75 m2 Công suất cơ khí 30 W
Làm mát bằng
không khí tự
nhiên
20°C
Chiều cao 1,3 m Thể tích ñộng cơ 208 dm3
Khối lượng 240 kg
Hành trình của
Piston choán chỗ
80 mm
Khí công tác K.Khí
Hành trình của
Piston làm việc
190 mm
ðộ chênh nhiệt
ñộ giữa phần
nóng và phần
lạnh
> 25°C
Tốc ñộ quay 30-40 v/ph Tỷ số nén 1,057 Dạng ñộng cơ γ
Qua quá trình ño ñạc thử nghiệm một loạt các thông số cho thấy sự khác biệt giữa các
giá trị tính toán lý thuyết và giá trị ño ñạc vào khoảng ±5% (Hình 8). ðiều ñó chứng tỏ mô
GHI CHó
1- Bé phËn hoµn nhiÖt
2- BÒ mÆt hÊp thô bøc x¹ mÆt trêi
3- Piston cho¸n chæ
4- Buång nãng
5- Piston lµm viÖc
6- èng nhón g¾n piston lµm viÖc
7- Trôc g¾n Piston cho¸n chæ
8- Buång l¹nh
9- C¸nh t¶n nhiÖt
9 78 6 5
1
2
3 4
Mặt hấp thụ
Cánh tản nhiệt
Piston lực
ðầu bơm
Bánh ñà
hình tính toán cho ñộng cơ là thích hợp. Thực tế ñã chế tạo thiết bị hoạt ñộng tốt với ñiều kiện
thực tế ở miền Trung.
280
300
320
340
360
380
0 10 20 30 40 50 60 70
Toc do quay (Vòng/phút)
N
hi
et
d
o
(K
)
TA(Tính toán)
TH(Tính toán)
TA(ðo)
TH(ðo)
Hình 8. Nhiệt ñộ bề mặt hấp thụ (TA) và nhiệt ñộ khí công tác nóng (TH) trong ñộng cơ
Hình 9. Bơm nước dùng năng lượng mặt trời công suất 5m3/ngày
3. Kết luận
Năng lượng mặt trời hoàn toàn có thể ứng dụng ñể chạy ñộng cơ Stirling, ñộng cơ này
có thể sử dụng cho nhiều mục ñích khác nhau, trong ñó bơm nước là một trong các ứng dụng
ñó. Bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời này có thể sử dụng hiệu quả trong các trường hợp
như bơm nước từ bể lên bồn chứa hoặc dùng bơm nước từ ao hồ, sông ngòi dùng cho tưới tiêu
cho các nông trường.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phan Quang Xưng, Hoàng Dương Hùng, Nghiên cứu bơm nước sử dụng năng lượng
mặt trời, ðề tài nghiên cứu khoa học trọng ñiểm cấp Bộ, 2005.
[2] F. U. Miller, Franzis, Thermische Solarenergie, Germany, 1997.
[3] Andy ross, Ross Experimental, Mayking Stirling Enginers, 13425 Bell Rd. Marysville,
Ohio 43040, 1993.
[4] Colin D. Van Nostrand, Principles And Applications Of Stirling Enginers, West, New
York, 1985.
[5] Michael F. Modest, Radiative Heat Transfer, McGraw-Hill, Inc, 1993.
[6] G. T. Reader C. Hooper, Stirling Enginer, 1983.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- Đề tài NCKH - Động cơ stirling sử dụng NLMT.pdf