Thạc Sĩ Nghiên cứu xây dựng chương trình tính chu trình nhiệt động của động cơ stirling sử dụng năng lượng m

Luận văn thạc sĩ
Đề tài: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ STIRLING
3
1.1 Nguyên lý hoạt động và phân loại động cơ Stirling 3
1.1.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ Stirling 3
1.1.2 Phân loại động cơ Stirling 4
1.2 Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một số động cơ
Stirling điển hình
6
1.2.1 Động cơ Stirling kiểu Alpha 6
1.2.2 Động cơ Stirling kiểu Beta 9
1.2.3 Động cơ Stirling kiểu Gamma 11
1.2.4 So sánh các kiểu động cơ Stirling 13
1.2.5 So sánh động cơ Stirling với động cơ đốt trong 14
1.3 Sơ lược lịch sử phát triển động cơ Stirling 15
Chương 2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠSTIRLING
20
2.1 Chu trình lý thuyết của động cơ stirling 20
2.1.1 Đồ thị công và đồ thị nhiệt 20
2.1.2 Hiệu suất nhiệt 23
2.2 Chu trình nhiệt động thực tế của động cơStirling 27
2.2.1 Đặt vấn đề 27
2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt của động cơ Stirling 27
2.3 Chu trình Schmidt 37
2.3.1 Các giả định cơbản của chu trình Schmidt 37
2.3.2 Chu trình Schmidt cho động cơ kiểu Alpha 37
2.3.3 Chu trình Schmidt cho động cơ kiểu Beta 45
Chương 3. THIẾT BỊ NHIỆT MẶT TRỜI
VÀ ĐỘNG CƠ STIRLING SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
53
3.1 Khái quát về năng lượng mặt trời và cơ sở lý thuyết tính toán thiết
bị nhiệt mặt trời
53
3.1.1 Khái quát về năng lượng mặt trời 53
3.1.2 Cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị nhiệt mặt trời 54
3.2 Tính bộ thu năng lượng mặt trời cho động cơ Stirling cỡ nhỏ 67
3.2.1 Tính đường kính gương Parabol 68
3.2.2 Tính chiều cao gương Parabol 69
3.3 Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời 70
3.3.1 Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời trực tiếp 71
3.3.2 Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời gián tiếp 72
Chương 4. CHƯƠNG TRÌNH TÍNH CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG ĐỘNG
CƠ STIRLING SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
74
4.1 Lựa chọn phần mềm ứng dụng xây dựng chương trình tính 74
4.1.1 Scilab 74
4.1.2 Mathematica 74
4.1.3 LabVIEW 75
4.1.4 MATLAB 75
4.2 Chương trình tính chu trình nhiệt động của động cơ Stirling sử
dụng năng lượng mặt trời
76
4.2.1 Các bước tính 76
4.2.2 Chương trình tính 81
4.2.3 Kết quả tính 88
4.3 Nghiên cứu lý thuyết về ảnh hưởng của một vài yếu tố đến quá
trình hoạt động của động cơ stirling sử dụng năng lượng mặt trời
96
4.3.1 Ảnh hưởng của năng suất bức xạ mặt trời 96
4.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ động cơ 96
KẾT LUẬN VÀ NHỮNG KHUYẾN NGHỊ 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

LỜI NÓI ĐẦU
Trong lịch sử phát triển của nền văn minh nhân loại, nguồn năng lượng chủ yếu
được sử dụng là nguồn năng lượng hóa thạch. Tốc độ khai thác ồ ạt và sử dụng một
cách lãng phí các nguồn nhiên liệu hoá thạch trong suốt mấy trăm năm qua đã làm cho
chúng dần cạn kiệt, bên cạnh đó là sự ô nhiễm môi trường do khí thải động cơ đốt
trong sử dụng nhiên liệu xăng, Diesel cũng như tiếng ồn từ các động cơ nàylà những
vấn đề lớn đang được các nhà khoa học quan tâm và giải quyết.
Nếu xét riêng về nhiên liệu dùng cho các loại động cơ nhiệt, thì đây là vấn đề
đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Đặc biệt là vấn đề
nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ đốt trong, với mục tiêu đáp ứng yêu cầu về năng
lượng ngày một cao và giảmthiểu ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra. Song song
với việc tìm và phát triển nguồn nhiên liệu thay thế, các nhà khoa học cũng đang tích
cực nghiên cứu, sáng tạo ra những động cơ mới thân thiện với môi trường. Vì thế
trong tương lai, động cơ đốt trongcó thể dần được thay thế bởi các loại động cơ khác.
Động cơ Stirling là loại động cơ đốt ngoài, có thể sử dụng bất kỳ nguồn nhiệt
nào, trong đó phải kể đến các nguồn nhiệt sạch như địa nhiệt, nước nóng của các suối
nóng tự nhiên, năng lượng mặt trời, v.v.Theo các nhà khoa học, nếu tìm cách nâng
cao hiệu suất nhiệt của động cơ Stirling thì đây sẽ là một loại động cơ có rất nhiều
tiềm năng trong tương lai.
Ởnước ta, cũng có những nghiên cứu chếtạo ứng dụng động cơ Stirling. Mới
đây, trường Đại học bách khoa Đà nẵng đã chếtạo thành công động cơ Stirling chạy
bằng năng lượng mặt trời, nhưng hiệu quảhoạt động của động cơ chưa cao.
Việc nghiên cứu ứng dụng động cơ nói chung, động cơ Stirling nói riêng, trước
hết nên bắt đầu từ việc nghiên cứu chu trình hoạt động của động cơ. Từ đó chúng ta có
thể tìm ra những giải pháp tích cực để nâng cao hiệu suất của chu trình, và sau đó là
nâng cao hiệu suất có ích và các chỉ tiêu khác của động cơ.
Đối với chu trình động cơ đốt trong, các nhà khoa học trên thế giới và trong
nước đã có nhiều công trình nghiên cứu và được ứng dụng có hiệu quả cao trong thực
tiễn. Có những chương trình, phần mền chuyên dụng để tính chu trình nhiệt động động
cơ đốt trong cho kết quả đáng tin cậy. Riêng đối với chu trình động cơ Stirling, các kết
quả nghiên cứu có thể chưa được công bố rộng rãi, đặc biệt ở Việt Nam chưa có công
trình nghiên cứu sâu về chu trình nhiệt động động cơ Stirling.
2
Nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn về động cơ Stirling, bổ sung tư liệu về loại
động cơ này phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu trong lĩnh vực thiết bị năng
lượng, tôi được giao thực hiện luân văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu xây dựng
chương trình tính chu trình nhiệt động của động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt
trời”.
Nội dung của luận văn được trình bàytrong 4 chương :
Chương 1. Tổng quan vềđộng cơ Stirling.Giới thiệu các loại động cơ Stirling,
nguyên tắc hoạt động, lịch sửphát triển và ứng dụng động cơ Stirling. Phân tích những
ưu nhược điểm và ứng dụng của động cơ Stirling.
Chương 2. Chu trình nhiệt động của động cơ Stirling.Phân tích chu trình lý
thuyết, phân tích những yếu tố ảnh hưởng đến chu trình nhiệt động thực tế của động cơ
Stirling. Giới thiệu và phân tích phương pháp tính chu trình nhiệt động của Schmidt
đối với động cơ Stirling.
Chương 3. Thiết bị nhiệt mặt trời.Giới thiệu khái quát về năng lượng mặt trời,
cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị nhiệt mặt trời, các bộ thu năng lượng mặt trời và động
cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời.
Chương 4. Chương trình tính chu trình nhiệt độngcủa động cơ Stirling sử dụng
năng lượng mặt trời. Lựa chọn phần mềm ứng dụng, các bước tính, kết quả tính toán
chu trình nhiệt động động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời. Phân tích lý thuyết
hai yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của động cơ Stirling sử dụng
năng lượng mặt trời.

Chương 1
TỔNG QUAN VỀĐỘNG CƠ STIRLING
1.1. Nguyên lý hoạt động và phân loại động cơ Stirling
1.1.1. Nguyên lý hoạt động của động cơ Stirling
Động cơ Stirling do ông Robert Stirling -mục sư người Scotland - sáng chế vào
năm 1816 với tên gọi ban đầu là “Động cơ khí nóng”. Trong suốt lịch sử tồn tại và
phát triển của mình, động cơ Stirling đã không ngừng được cải tiến và hoàn thiện cả về
cấu trúc và cách thức hoạt động. Nguyên lý hoạt động tổng quát của động cơ Stirling
tương tự như hoạt động của cặp xylanh -piston chứa không khí bên trong được cấp
nhiệt và làm mát như trên H. 1.1. Không khí được chứa trong không gian kín được
giới hạn bởi đỉnh piston, nắp và thành xylanh. Giả sử lúc đầu toàn bộ thiết bị có nhiệt
độ bằng nhiệt độ môitrường, không khí bên trong có áp suất tạora lực cân bằngvới
lực đẩycủalòxo. Với điều kiện đó, piston sẽ đứng yên ở vị trí cân bằng(H.1.1a).
H. 1.1. Các quá trình cấp nhiệt và làm mát không khí trong xylanh
a -Vị trí ban đầu; b - Quá trình cấp nhiệt; c -Vị trí ngừng cấp nhiệt
và bắt đầu làm mát; d. Quá trình làm mát
Nếu cấp nhiệt cho không khí trong xylanh bằng cách đốt nóng một đầu xylanh,
nhiệt độ và áp suất không khí trong xylanh sẽ tăng lên. Áp suất tăng cao sẽ đẩy piston
chuyển động và sinh ra công cơ học(H. 1.1b). Khi piston chuyển động đến gần phía
cuối xylanh, ngừng cấp nhiệt,đồng thời tiến hành làm mát khí trong xylanh (H.1.1c).
(a)
(c) (d)
(Q
2
)
(b)
(Q
1
)
4
Khi đượclàmmát, nhiệt độ và áp suất của không khí trong xylanh giảm xuống, piston
chuyểnđộng ngược lại về vị trí ban đầu dưới tác dụng của lò so (H.1.1d).Lặp lại các
quá trình cấp nhiệt và làm mát như trên sẽ thu được công cơ học, tức là đã biến được
nhiệt năng thành cơ năng.
Vấn đề đặt ra là làm thế nào để các quá trình cấp nhiệt và làmmát diễn ra một
cách liên tục, đồng thời phải được phối hợp nhịp nhàng với chuyển động của piston
một cách tự động. H.1.2 trình bày sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động cơbản của
động cơStirling.
H. 1.2.Mô hình hoạt động của động cơ Stirling
1 -Lò xo; 2 -Nguồn nhiệt; 3 -Cặp xylanh -piston;
4 -Thanh truyền; 5 -Bánh đà; 6 -Dây cáp; 7 -Puli
Nguồn nhiệt (2) được điều khiển một cách tự động nhờ sự liên động với trục
khuỷuthông qua dây cáp (6), cấp nhiệt đúng giai đoạn cần thiết để giúp cho khí công
tác giãn nở, đẩy piston đi từ bên trái sang bên phải sinhcông có ích. Khi piston đi đến
tận cùng bên phải và bắt đầu đi ngược lại, nguồn nhiệt được lò xo kéo về, không thực
hiện đốtnóng khí trong xylanh nữa, đồng thời khí công tác được làmmát nhờ trao đổi
nhiệt với môi trường bên ngoài.
1.1.2. Phân loại động cơ Stirling
Cho đến nay,động cơ Stirling đã được nghiên cứu và chế tạo có cấu trúc khá đa
dạng,dải công suất từ vài W đến hàng ngàn kW và được sử dụng cho nhiều mục đích
khác nhau. Có thể phân loại động cơ Stirling theo các tiêu chí khác nhau như trong
bảng 1.1.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Bùi Hải -Trần Thế Sơn, Kỹ thuật nhiệt,Nhà xuất bản KHKT, Hà Nội -1998.
2. Hoàng Dương Hùng, Nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị năng lượng mặt
trời vào thực tế,Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ -2003.
3. Hoàng Dương Hùng, Phan Quang Xưng, Nghiên cứu triển khai hệ thống cấp
nước sinh hoạt và tưới gia đình bằng năng lượng mặt trời,Đề tài nghiên cứu
khoa học cấp Bộ trọng điểm -2004.
.4. Nguyễn Công Vân, Năng lượng mặt trời –Quá trình nhiệt và ứng dụng,Nhà
xuất bản KHKT, Hà Nội -2005.
5. Graham Walker, Stirling cycle machines, nhà xuất bản Clarendon Press, Oxfort
Univesity -1973.
6. Allan J. Organ, The Regenerator and the Stirling Engine.
7. Allan J. Organ, Thermodymics and Gas Dynamics of the Stirling cycle machine.
8. Lewis H. Abraham, Clarence B, Anderson, Standard handbook for Mechanical
Engineers, nhà xuất bản Mc Graw –Hill, New York -1997.
9. Andry Ross, Marking Stirling enginers, nhà xuất bản Ross Exprimental 13425
Bell Rd. Masyville, Ohio 43040 - 1993.
10. Jame R. Selft Morya, An oldproduction to Stirling enginers - 1995.