بخشی از مقاله
چکیده
موتور استرلینگ به علت ایمنی، صرفه اقتصادی، بازده بالا و همچنین توانایی و تنوع در استفاده از منابع گرم مختلف، مثل انرژی خورشیدی مورد توجه قرار گرفته است. دانشمندان در چند دهه اخیر تلاش کردهاند تا با بهبود عملکرد و بازده این موتور از آن در کاربردهای بیشتری استفاده کنند. یکی از اجزایی که در این مورد تاثیر به سزایی دارد بازیاب این موتور میباشد. بازیاب موتور استرلینگ از زمان اختراع تا کنون با اشکال هندسی گوناگون و از جنسهای مختلفی ساخته شده است.
امروزه برای این قطعه از موتور، به طور گسترده از مفتولهای در هم تنیده فلزات استفاده میشود. نشان داده شده است بازیاب باید به گونهای طراحی شود که سبب کاهش شیب دما، کاهش شیب فشار و دارای ظرفیت گرمایی بالایی باشد و توانایی ذخیره مقدار زیادی از انرژی گرمایی را داشته باشد. در این مقاله به منظور بهبود کارایی بازیاب، هندسه مخروطی معرفی میگردد و به کمک نتایج شبیهسازی کارایی آن مورد بررسی قرار میگیرد. نتایج نشان میدهد استفاده از هندسه پیشنهادی به بهبود و تسریع فرآیند انتقال حرارت میانجامد. همچنین توزیع فشار در هندسه پیشنهادی بهبود یافته است. در ضمن نشان داده شده است نواحی مرده بازیاب که در طرحهای متداول وجود دارد در طرح حاضر از بین رفته است.
مقدمه
موتور استرلینگ اولین بار در سال 1816 توسط رابرت استرلینگ اختراع شد که امنتر و اقتصادیتر از موتورهای بخار آن روزگار بهنظر می-رسید. اولین نمونه قابل توجه در سال 1850 توسط رانکین1 ارایه شد وتقریباٌ 100 سال بعد به عنوان موتور استرلینگ به انواع موتورهای گازی با چرخه بسته اطلاق شد. با این وجود، موتورهای اتو2 و دیزل3 که به ترتیب در سالهای 1877 و 1893 اختراع شدند بیشتر مورد استقبال قرار گرفتند - از لحاظ ظرفیت - . بعد از مدتها در سال 1940 موتور استرلینگ دوباره مورد توجه قرار گرفت. در این سال شرکت فیلیپس تحقیقاتی روی این موتور بهعنوان یک منبع تولید نیروی قابل حمل شروع کرد.
در سال 1950 یک نمونه 200 W از این موتور که میتوانست در قدرتهای پایین کار کند آماده شد، اما این موتور باز هم مورد استقبال قرار نگرفت، چرا که مصادف شد با ورود ترانزیستورها، از آن زمان تاکنون موتور استرلینگ در اروپا و آمریکا و 20 سال بعد در ژاپن مورد مطالعه دقیق قرار گرفته است به خصوص بعد از شوک نفتی سال 1973، در حال حاضر نمونههایی از این موتور در سرتاسر جهان مورد استفاده قرار گرفته است. مثل موتور استرلینگ خورشیدی، چشمههای آب گرم، سیستم تهویه مطبوع استرلینگ، یخچال استرلینگ، سیستم تولید نیروی زیردریایی که بیسروصدا بودن آن خیلی مهم است.
در آیندهای نزدیک شاهد نسل نوینی از این موتورها و کاربردهای جدید آن مانند استرلینگ کرییو.4 خواهیم بود. کمبود و محدودیت منابع فسیلی باعث شده است تا دانشمندان به فکر استفاده بهتر و بهینهتر از این منابع یا منابع جایگزین باشند. به همین علت، سیکل استرلینگ با توجه به بازده بالا و همچنین توانایی استفاده از هر منبع گرم غیر مستقیم و یا مستقیم به عنوان منبع گرم خود مورد توجه دانشمندان و مهندسان قرار گرفت. کونگتراگل5 در مقاله خود به بررسی انواع موتور استرلینگ و تحلیل ترمودینامیکی چرخه استرلینگ با فرضیات متفاوت پرداخته است
همچنین پیشرفتهای صورت گرفته در زمینه کاربرد انرژی خورشیدی در موتور استرلینگ را بررسی کرده است . احمدی با ارائه یک مدل ترمودینامیکی به بررسی و بهینهسازی یک سیکل موتور استرلینگ پرداخته است.[2] او همچنین در مقاله دیگر خود، با ارائه یک مدل ترمودینامیکی به بررسی موتور استرلینگ با بشقاب خورشیدی پرداخته است
بازیاب سیکل استرلینگ یکی از اجزایی بسیار تاثیرگذار در بهبود بازده سیکل استرلینگ می باشد به همین علت این قسمت در سیکل بیشتر مورد توجه دانشمندان میباشد. یکی از عوامل توجه دانشمندان به بازیاب این چرخه این است که این بازیاب سبب افزایش بازده چرخه تا نزدیک به بازده چرخه ایدهآل میشود. به علت هزینههای زیاد انجام آزمایشات، بیشتر پژوهشها به کمک شبیهسازی انجام گرفته است. کاواسی 6 و همکارانش در مقاله خود به مدل کردن موتور استرلینگ با استفاده از روش نیمه پایدار مرتبه سوم پرداختد .[4] میزان خطای نتایج آنها نسبت به مقدار تجربی 24 درصد بوده است. بر اساس پیشبینیهای صورت گرفته بیشترین بازدهی در دمای منبع گرم 1145 بدست آمد اما در آزمایشات تجربی این نتیجه حاصل نشد. این مساله به وابستگی شدید بازده موتور به بازیاب حرارتی نسبت داده شد.
اندرسون7و همکارانش به شبیهسازی موتور استرلینگ نوع بتا پرداختهاند و تاثیر ماتریس بازیاب و تغییرات تناوبی دما را روی بازدهی بازیاب بررسی نمودهاند.[5] آنها برای مدل کردن موتور از روش حجم کنترل در راستای یک بعد بهره گرفتهاند و نشان دادهاند میتوان بازده موتور را با بهبود قسمت بازیاب آن بهبود بخشید. همچنین با شبیهسازی حالت پایدار با شرایط مرزی پریودیک در بازیاب توانستند شیب دما را در داخل بازیاب به دست آورند و نشان دادند بازیاب باید به گونهای طراحی شود که سبب کاهش شیبهای دما و فشار گردد و دارای ظرفیت گرمایی بالایی باشد تا توانایی ذخیره مقدار زیادی از انرژی گرمایی را داشته باشد.
گوستا8 و همکارانش نیز تلاش خود را در راستای بررسی میزان افت فشار در بازیاب موتور استرلینگ به کار گرفتند.[6] آنها افت فشار در بازیاب را با توجه به تغییر اندازه عدد رینولدز، قطر سیم مربوط به بازیاب و میزان تخلل آن مورد بررسی قرار دادند.
الفراوی9 و همکارانش در مقاله خود به شبیهسازی مدل گاما از موتور استرلینگ پرداختند[7] و تاثیر نوع گاز موتور، دور موتور و دمای منابع گرم و سرد را بر بازده موتور استرلینگ و سیکل آن مورد بررسی قرار دادند.
چن10 با مطالعه بر روی کمیتهای هندسی موتور استرلینگ گاما برای کاهش شیب دما، به کمک شبیهسازی به بررسی عواملی مانند اختلاف فاز بین پیستون و جابهجاشونده11 ، فاصله عرضی جابهجاشونده با سیلندر، طول جابهجا شونده و طول اتصال پیستون پرداختند .در طی بررسیهای انجام داده شده نشان داده شده است که هر یک از عوامل میتواند تاثیر به سزایی در قدرت خروجی موتور - تا 32 درصد بیشتر - و بازده آن - تا 13 درصد بیشتر - داشته باشد.
کاتو1در مقاله خود به بررسی موتور استرلینگ، دما پایین2 - LTDSE - که در آن از بازیاب صفحه تخت استفاده شده است، به منظور دستیابی به نمودار فشار- دما پرداخت.[9] وی در انجام آزمایشات خود از آب با دماهای 75، 80، 85 ،90 و 95 درجه سانتی گراد به عنوان منبع گرم استفاده کرد.
الفراوی3و همکارانش با استفاده از شبیهسازی به بررسی پتانسیل کاربرد بازیابهای کانالی شکل پرداختند.[10] آنها اثر تغییر در دامنه اندازه کانالها و همچنین جنس آن را مورد بررسی قرار دادند و نشان دادند این ساختار هندسی از پتانسیل خوبی برای افزایش بازده برخوردار است. همچنین سرامیک را با ظرفیت گرمایی متوسط و ضریب انتقال حرارت پایین برگزیدند و نشان دادند استفاده از سرامیک باعث کاهش انتقال حرارت بین سطح بالایی و پاینی بازیاب میشود.
رامالی و همکارانش در مقاله خود به بررسی تاثیر چهار ماده آلومینیوم، استیل ضد زنگ، مونیل400 و مس به عنوان ماده بازیاب پرداختند .[11] هریک از این مواد به صورت جداگانه بر روی یک موتور استرلینگ گاما در شرایط یکسان مورد بررسی قرار گرفته و در بین آنها مونیل 400 و استیل ضد زنگ به عنوان بازیاب بهتر انتخاب شدند.
فرمسا4 و همکارش در کاری مشترک به مدل سازی چرخه استرلینگ در موتور استرلینگ پیستون آزاد، با توجه به تلفات حرارتی و محاسبات مبدلی بازیاب پرداختند.[12] ایشان در مقاله خود به بررسی تاثیر بازیاب و همچنین کولر موتور پرداختند و نتایج را با دادههای تجربی مقایسه کردند.
دوید بسو5 و همکارانش جریان هوا و عبور آن از داخل یک بازیاب آجری را مورد بررسی و آنالیز سیالاتی قرار دادند.[13] آنها در شبیهسازی خود ناحیه بازیاب را به صورت یک جامد متخلخل در نظر گرفتند و به بررسی اشکال مختلف هندسی به منظور استفاده در بازیاب پرداختند.
در کار حاضر، ابتدا به بررسی شکل رایج بازیاب پرداخته میشود و مدلی از آن شبیهسازی میگردد تا بتوان به نقصها و مشکلات موجود در بازیابهای رایج پی برد. در ادامه با انجام اصلاحات هندسی، طرح جدیدی از بازیاب ارائه میگردد. از جمله این اصلاحات، تغییر شکل هندسی بازیاب به شکل مخروطی است تا رفتار حرارتی و هیدرودینامیکی سیال در بازیاب بهبود یابد. در انتها به کمک شبیهسازی کارایی طرح جدید بررسی میشود.
مشخصات هندسی، روش حل و شرایط مرزی
هندسه بازیاب به کمک نقشههای موجود از موتور تهیه شده است. شکل 1 تصویر سه بعدی از بازیاب معمولی با یک لوله متصل به آن را نشان میدهد. همانگونه که در این شکل مشاهده میشود لولهها بصورت متقارن حول محور چمبره قرار گرفته اند. لذا به دلیل تقارن تنها یکی از آنها مدلسازی شده است. لازم به ذکر است که قسمت چنبره محیطی متخلخل است.
