بخشی از مقاله
چکیده
یک سیستم ترکیبی از موتور اتو و موتور استرلینگ به عنوان موتوری برون سوز و با قابلیت های فنی بالا به منظور طراحی سیستم تولید همزمان توان و برودت برای استفاده در وسایل نقلیه مورد مطالعه قرار گرفته است و بهینه سازی چند هدفه برای بیشینه کردن همزمان توان و برودت تولیدی صورت گرفته است. نتایج حاکی از کاهش سوخت مصرفی و میزان آلایندههای تولیدی به میزان قابل توجه 28/5 و 27/1 درصد دارد.
.1 مقدمه
سیستم تهویه مطبوع هوای وسایل نقلیه، بار بسیار زیادی به موتور وارد می کند، این بار اضافه از طرفی به افزایش سوخت مصرفی و در نتیجه هزینه اضافی منجر میشود و از طرف دیگر با افزایش سوخت مصرفی باعث آزاد شدن گازهای مضر بیشتری در جو میگردد. به علاوه، مبرد مورد استفاده در سیکل تبرید تراکمی که در سیستم تهویه مطبوع خودرو به کار گرفته میشود در دسته کلروفلوئوروکربن یا هیدروکلروفلوئوروکربنها قرار میگیرد که خود یک آلاینده محیطی میباشد. میزان 400 وات بار بر روی یک موتور معمولی مسافت طی شده توسط خودرو را به میزان 0/4 کیلومتر بر لیتر سوخت مصرفی کاهش میدهد و این کاهش هزینهای بالغ بر 6 میلیارد دلار در سال را در پی دارد. از طرفی توان تبرید سیستم تهویه هوای کابین برای یک خودروی سواری از 3 تا 7 کیلووات متغیر است.
علت این مصرف بالا این است که اندازه سیستم تهویه مطبوع با بیشترین بار حرارتی در خودرو در ارتباط است و بیشترین بار حرارتی به حداکثر دمای کابین خودرو وقتی در معرض نور مستقیم خورشید قرار دارد، وابسته می باشد که این دما در یک روز گرم تابستانی گاهی تا 70 درجه سانتی گراد هم میرسد، از این رو تهویه هوای داخل خودرو در فصلهای گرم، امری پرهزینه میباشد و به همین دلیل سازندگان خودرو به دنبال روشهایی برای کاهش تاثیر تهویه مطبوع ماشین بر میزان مصرف سوخت و آلایندگی آن هستند .[1] به گزارش سازمان ملی انرژیهای تجدیدپذیر آمریکا، در سال 1998 میزان بنزین مصرف شده در سال برای راهاندازی سیستم تهویه خودروها در این کشور بالغ بر 40 میلیارد لیتر بوده است .[2]
نکته قابل توجه دیگر این است که فقط حدود یکسوم انرژی تولیدی در موتور خودرو به مصرف مکانیکی میرسد و نیز یکسوم آن بدون هیچ استفادهای به محیط دفع میشود. برای مثال خودرویی که -75 kw حدود صد اسب بخار - توان تولید میکند تقریباً 25 kw توان هدر رفته دارد که بسیار بیشتر از مقدار مورد نیاز برای تهویه هوای داخل آن است. لذا استفاده از این منبع در دسترس برای تولید توان مورد نیاز کولر خودرو در قالب یک سیکل ترکیبی میتواند کمک قابل ملاحظهای به بهینه شدن مصرف سوخت و کاهش آلودگی ناشی از اکسیدهای کربن کند. اما حل مشکل آلودگی ناشی از مبرد سیستم تبرید تراکمی، از این رهگذر ممکن نیست.
یک راه حل برای این موضوع میتواند جایگزین کردن سیستم تبرید تراکمی با یک سیستم دیگر باشد که در این زمینه پژوهشهایی در طول سالیان اخیر انجام گردیده است .[3] واجا و گمبروتا[4] بر روی سیکل رانکین آلی - ORC - به عنوان یک سیکل پایینی در موتور احتراق جرقه ای تحقیق کردند و بادامی و همکارانش [5] نیز به بررسی سیکل پایینی رانکین در موتور اتو در تولید همزمان توان و گرما پرداختند. اندو و همکارانش [6] بر روی اگزرژی به دست آمده از استفاده از سیکل رانکین به عنوان سیکل پایینی در موتور احتراق داخلی اتومبیل تحقیق کردند و مشابه همین کار توسط چاما و کلادیک [7] انجام شد.
کیم و همکارانش [8] با استفاده از گرمای اتلافی از موتور و سیستم خنک کن خودرو در یک سیکل رانکین توانستند 6 درصد راندمان کل سیستم را افزایش دهند. کمپانی خودروسازی BMW سیستمی به نام توربواستیمر1 طراحی کرد که با استفاده از حرارت اتلافی در یک خودرو و توسط یک توربین بخار تولید قدرت می کند. بنا بر ادعای این کمپانی، این سیستم در صورت استفاده در کنار یک موتور چهارسیلندر با حجم 1/8 لیتر مکعب، میتواند تا10 کیلووات توان تولید کند و همچنین تا 15 درصد در مصرف سوخت صرفه جویی نماید .[9]
علاوه بر سیکل های ترکیبی اشاره شده، ترکیب سیکل اتو با سیکل استرلینگ نیز با توجه به برونسوز بودن و مزایای موتور آن 10] و [11 به عنوان گزینه ای با پتانسیل های فنی، اقتصادی و زیست محیطی بالا نسبت به سایر گزینه ها مطرح میباشد که در پژوهش حاضر این سیستم ترکیبی مورد مطالعه قرار گرفته است و طراحی بهینه آن به منظور تولید توان و برودت در خودرو انجام گردیده است.
.2 آشنایی با سیکل اتو
چرخه اتو از نظر تئوری با تکیه بر روابط اصلی ترمودینامیک، مفهوم ساده ای دارد. اما به طور عملی موتور اتو آرایش پیچیده ای است از دریچه ها، میله ها، شمعها و تعداد زیادی چرخ دنده درگیر. با این وجود در مقایسه با دیگر موتورها، توان ویژه ی نسبتا بالا و ویژگی های پاسخ دهی مطلوب، آن را به یک محرک اصلی انعطاف پذیر تبدیل کرده است. این چرخه از چهار فرایند ترمودینامیکی اصلی تشکیل میشود که در شکلهای که عبارت هستند از:
:1-2 تراکم آدیاباتیک سیال عامل :2-3 جذب گرما در یک فرایند همحجم
:3-4 انبساط آدیاباتیک
:4-1 دفع گرما طی یک فرآیند هم حجم نمودار موجود در شکل 3 حالت ایدهآل را نشان میدهد که سیال عامل پس از اتمام هر مرحله به حالت تعادل میرسد. بدیهی است که این شرایط در واقعیت امکانپذیر نیست و چرخه واقعی - برای این که اساسا" عملی باشد - مقداری از حالت ایدهآل منحرف می شود. در واقع به علت حرکت سریع و پیوسته میللنگ و در نتیجه پیستونها، فرایندهای متوالی مقداری با هم ترکیب میشوند و گوشههای نمودار فشار-حجم گرد میشود. به علاوه چون در پایان هر سیکل، سیال عامل استفاده شده از سیستم خارج و با سیال عامل جدید جایگزین میشود، دو نقطه دیگر که مربوط به ورود وخروج کامل سیال عامل میباشد در نمودارهای ترمودینامیکی سیکل اتو وارد میشوند.
نمودار فشار- حجم واقعی برای سیکل اتو در واقع مشابه نمودار موجود در شکل 1 میباشد. نکته قابل توجه این است که گازهای حاصل از احتراق دمای بالایی دارند و تخلیه این گازها به محیط بیرون به معنی اتلاف انرژی حرارتی سوخت میباشد 12] و .[13 در این مقاله از روش ترمودینامیک سرعت محدود که توسط برجانه و صیادی [14] برای موتورهای احتراق داخلی و از جمله موتور EF7 مورد استفاده توسعه داده شده است، بهره گرفته شده است.
.3 آشنایی با سیکل استرلینگ
چرخه استرلینگ ایدهآل به طور کلی شامل دو فرایند همدما و دو فرایند همحجم است و چون انتقال حرارت در این چرخه در دمای ثابت رخ می دهد، از لحاظ تئوری راندمان چرخه استرلینگ با چرخه کارنویی که در دماهای مشابه کار میکند برابر است. فرایندهای چهارگانه در یک موتور استرلینگ عبارت هستند از:
2-1 تراکم هم دما و دفع گرما به منبع سرد.
3-2 انتقال حرارت از بازیاب به سیال در حجم ثابت در موتور. انتقال حرارت از سیال به بازیاب در حجم ثابت در کولر.
4-3 انبساط هم دما و دریافت گرما از منبع گرم .
1-4 انتقال حرارت از سیال به بازیاب در حجم ثابت در موتور. انتقال حرارت از بازیاب به سیال در حجم ثابت در کولر. دیاگرامهای ترمودینامیکی سیکل ایدهآل موتور و کولر استرلینگ به منظور مقایسه و درک بهتر در شکل 6 قابل مشاهده است.
