بخشی از مقاله
چکیده
هدف اصلی از تحقیق حاضر ، طراحی و ساخت یک مدل - مفهومی، فرآیندی - از موتور استرلینگ نوع گاما است. به همین منظور ابتدا چرخه استرلینگ در حالت همدما بررسی شد. سپس انتقال حرارت در گرمکن، خنککن و بازیاب حرارتی موتور استرلینگ مورد بررسی قرار گرفت. طراحی مفهومی اولیه با توجه به معادلات بدست آمده انجام شد. در ابتدا مدل دو بعدی و سپس یک مدل سهبعدی اولیه موتور در نرمافزار، مدلسازی شد.
جریان داخل موتور، به منظور بررسی تغییرات فشار، دما و سرعت گاز در هر زاویه از چرخش میللنگ، توسط نرم افزار فلوئنت، شبیهسازی شد. مشخص شد که گاز به دلیل نداشتن سرعت و سطح تماس کافی به دمای مطلوب نمیرسد. تغییراتی در گرمکن و بطور مشخص بازیاب حرارتی در خصوص جنس و میزان تخلخل و همچنین خنککن به منظور افزایش سرعت و افزایش سطح تبادل گرمای گاز، انجام گرفت.در این تحقیق بیشترین توان ترمزی موتور در حدود 100 وات در 650 د.د.د اندازهگیری شده است.
مقدمه
روشهای متفاوتی برای تبدیل گرما به کار پیشنهاد شده است که موتورهای گرمایی از جمله آنهاست. بازده این موتورها علاوه بر وابستگی به دمای منبع گرم، به نوع چرخه نیز وابسته است. چرخه استرلینگ به لحاظ تئوری، دارای بازدهای معادل با بازده چرخه کارنو میباشد و به همین علت، موتور استرلینگ، بعنوان یک موتور حرارتی همواره مورد توجه بوده است. هدف اصلی از تحقیق حاضر، طراحی و ساخت یک نمونه - مفهومی، فرآیندی - از موتور استرلینگ به منظور تولید جریان الکتریسیته از منابع زیست توده است.
اگرچه از لحاظ تئوری بازده چرخه استرلینگ بیشتر از سایر چرخههاست، اما مطالعات شورشی - 1981 - نشان میدهد، در حالت عملی اگر نسبت دمای گرم به دمای سرد بیش از 1,8 باشد، بازده چرخه واقعی استرلینگ بیش از سایر چرخههاست
پودسر و همکاران - 2006 - یک موتور استرلینگ نوع آلفا را بر اساس قطعات اصلی موتور یک موتورسیکلت، با توان 3 کیلووات با سوخت منابع زیست توده، طراحی کردند. آنها به این نتیجه رسیدند که در استفاده از منابع زیست توده در موتورهای استرلینگ، موتورهای کوچک - کمتر از 3 کیلو وات - مزایای بیشتری نسبت به موتورهای متوسط - بیش از 10 کیلو وات - دارند
لیولد - 2009 - یک موتور استرلینگ را برای کار در اختلاف دماهای کم، طراحی کرد. وی موتور استرلینگ نوع گاما را انتخاب کرد. توان موتور به وسیله یک ژنراتور الکتریکی DC اندازهگیری شد. حداکثر توان موتور 35 وات گزارش شد
تراوانه و همکاران - 2010 - به شبیهسازی ترمودینامیکی موتور استرلینگ برای پیشبینی بازده موتور پرداختند. در این تحقیق فرض شد که دمای دیوارهها همواره ثابت است و ضریب انتقال حرارت تنها تابعی از اختلاف دما و فشار گاز است. به منظور محاسبه لحظهای دما در سیلندرهای گرم و سرد، علاوه بر معادلات ترمودینامیکی و انتقال حرارت، از موازنه معادلات جرم و انرژی بر حسب زاویه چرخش میللنگ استفاده شد. شبیه سازی ترمودینامیکی نتوانست دما و فشار گاز را بطور صحیح پیش بینی کند. علت این امر حل همزمان معادلات بر حسب دمای گاز و تاثیر متقابل متغیّرهای معادلات بر یکدیگر تشخیص داده شد
یوزینینو و همکاران - - 2010 به بررسی عملکرد موتور استرلینگ در سیستمهای تولید همزمان برق و حرارت1، به منظور استفاده در استانهای جنوب غربی کشور رومانی پرداختند. هدف اصلی این تحقیق بهبود عملکرد موتور استرلینگ در دماهای مختلف و اشتعال منابع زیست توده جامد بود. سیلندر گرم موتور در دماهای مختلف از 700K تا 1100K قرار گرفت و در هر دما، بهترین فشار کاری موتور از طریق اندازهگیری توان موتور بدست آمد. سپس پیشنهاد شد تا یک سیستم کنترلی به موتور متصل شود تا بتواند در برابر تغییرات دمای اشتعال منابع زیست توده، همواره عملکرد موتور را در بهترین حالت خود نگاه دارد. در زمینه اقتصادی نیز مشخص شد سیستمهای تولید همزمان برق - گرما مجهز به موتور استرلینگ در دامنه 3 تا 10 کیلووات، کمترین هزینه را نسبت به سایر روشها دارا هستند
با بررسیهای انجام شده مشخص شد استفاده از سامانه تولید همزمان برق-گرما در مصارف خانگی، در صورت استفاده از موتور استرلینگ به عنوان پیشرانه در مقایسه با موتور احتراقی، میکرو توربین و پیل سوختی، از مزایای منحصر بفردی برخوردار است .[2] همچنین موتور استرلینگ نوع گاما به دلیل توانایی کارکرد در اختلاف دمای کم، به عنوان پیشرانه در سیستمهای تولید همزمان برق و حرارت - که با سوختهای زیستی کار میکنند - ، مورد استفاده قرار میگیرد.
بررسی همدمای چرخه استرلینگ
برای دستیابی به الگویی مناسبتر، موتوری که در چرخه ایدهآل کار میکند به 5 قسمت، تقسیم شد. این قسمتها شامل فضای تراکم - c - ، فضای خنککن - k - ، بازیاب حرارتی - r - ، گرمکن - h - و فضای انبساط - e - میشوند که در شکل - 1 - مشخص شدهاند. در این بخش فرضیات زیر در نظر گرفته میشود :
· جرم سیال عامل در کل سیستم ثابت است.
· دمای سیال در خنککن و فضای تراکم با هم برابر است.
· دمای سیال در گرمکن و فضای انبساط با هم برابر است.
· در هر لحظه فشار در تمام قسمتها برابر است.
· سیال عامل از قانون عمومی گازها پیروی میکند.
شکل :1 مدل ترمودینامیکی همدما برای موتور استرلینگ [6]
انتقال حرارت در موتور استرلینگ
در موتورهای استرلینگ، علت اصلی کندی عکسالعمل موتور نسبت به تأمین توان مورد نیاز، آن است که تأمین انرژی سیستم به وسیله انتقال انرژی حرارتی از طریق پوسته گرمکن به سیال عامل داخل سیلندر، نیاز به زمان دارد. اگر انتقال حرارت از گرمکن به سیال بیش از حد کند باشد، عملکرد موتور به شدت دچار مشکل خواهد شد. همچنین در قسمت خنککاری اگر گرمای سیال به سطح خنککن منتقل نشود، دمای میانگین موتور بالا میرود و کار انجام شده کاهش مییابد. لذا انتقال حرارت در موتور استرلینگ از اهمیت خاصی برخوردار است.
گرمکن غالباًٌ در گرمکنهایی که با شعله ارتباط دارند از لولههای حرارتی استفاده
میشود. چالش مهم در طراحی این نوع گرمکنها قطر داخلی و خارجی، میزان تحمل فشار و دما، حفظ سطح مورد نیاز برای انتقال حرارت در داخل و جلوگیری از افزایش حجم مرده و میزان افت فشار در آنها است .[7] انتقال حرارت از شعله به سطح خارجی، تنها در گرمکنهای بدون لوله - یکپارچه یا فلز مایع - اهمیت دارد و در گرمکنهای لولهای، محدودکننده انتقال حرارت مجموع، انتقال حرارت از دیواره داخلی گرمکن است .[8] معادلات بسیاری برای تخمین زدن ضریب انتقال حرارت وجود دارد. تاراونه معادله - 8 - را برای تخمین ضریب انتقال حرارت در گرمکنهای لولهای برای طیف وسیعی از عدد رینولدز پیشنهاد داد .
طراحی موتور استرلینگ
یکی از پیش نیازهای مهم در راستای طراحی موتور نمونه و کاهش زمان توسعه محصول، توجه به فناوریهای جدید و تحلیل جزئیات بیشتری از موتورهای رقیب میباشد. به این علت طراحان موتور - شامل موتورهای احتراق داخلی و احتراق خارجی - از چند تکنیک خاص برای این کار استفاده میکنند که میتوان آنها را بدین صورت خلاصه کرد: -1 استفاده از یک موتور پایه که به صورت صنعتی موجود باشد و بتوان از قطعات پایه آن همچون بلوک اصلی یا مکانیزمهای آن استفاده کرد . همانگونه که پودسر و همکاران - 2006 - برای ساخت موتور نمونه خود از مکانیزم لنگ و بلوک موتور یک موتورسیکلت استفاده کردند.
-2 الگوبرداری به عنوان ابزاری قدرتمند در طراحی مورد استفاده قرار میگیرد. نمودارهای پراکندگی که از جمعآوری مشخصات موتورهای زیادی ایجاد شدهاند، در زمینه ابعاد موتور نمونه - مانند نسبت قطر پیستون به طول کورس - و هم در فرضیات پایه آن - مانند سرعت میانگین پیستون - مورد استفاده قرار میگیرند.
-3 قبل و بعد از ساخت موتور برای بهینه کردن متغیّرهایی همچون ضریب اطمینان قطعات، گرادیان دمایی، سرعت و افت فشار سیال عامل، شبیهسازی نرمافزاری لازم است. این امر موجب کاهش تکرارها و هزینههای آن و زمان انجام پروژه خواهد شد.
هدف این تحقیق طراحی موتور استرلینگ نوع گاما است. مواردی که باید مشخص و انتخاب شوند شامل محفظه میللنگ، میللنگ، چرخ لنگر، توان و دور موتور، ژنراتور مناسب، سیلندر و پیستون قسمت سرد و سیال عامل هستند.
هیراتا - 1997 - توان 100 وات را برای موتور استرلینگ تحقیقاتی انتخاب کرد. قطر پیستون کار موتور ساخته شده توسط ایشان 72 میلیمتر بود .[9] با جستجو در بازار به منظور یافتن پیستونی با این قطر، مشخص شد شبیهترین پیستون به پیستون مورد نظر، متعلق به یک کمپرسور هوا است. محفظه میللنگ، سیلندر و پیستون قسمت سرد و چرخلنگر، بر اساس قطعات این کمپرسور انتخاب شد.
مشخصات قطعات انتخاب شده در جدول - 1 - نشان داده شده است.
جدول :1 مشخصات قطعات انتخاب شده
مدلسازی سه بعدی اولیه
با توجه به اطلاعات اولیه، یک مدل سه بعدی اولیه توسط نرمافزار SolidWorks2011 تهیه شد. هدف از ساخت این مدل سه بعدی بدین شرح است:
-1 امکان استفاده از مبدل حرارتی یکتکه به جای مبدل لولهای
-2 پیدا کردن نقاط بحرانی برای انتقال حرارت در گرمکن و خنک کن
