Stirling motor
Post on 13-Apr-2015
76 Views
Preview:
DESCRIPTION
Transcript
Aškerčeva 6 SI-1000 Ljubljana, Slovenija tel.: +386 1 4771200 fax: +386 1 2518567 www.fs.uni-lj.si e-mail: dekanat@fs.uni-lj.si
Univerza v Ljubljani
Fakulteta za strojništvo
Katedra za energetsko strojništvo
Laboratorij za termoenergetiko
Predmet: Energetski stroji
Karakteristike stirlingovega motorja
Predloge za laboratorijske vaje
Avtorji: Mitja Mori
Mihael Sekavčnik
Boštjan Drobnič
Ljubljana, oktober 2010
Univerza v Ljubljani
Fakulteta za strojništvo
Laboratorij za termoenergetiko KARAKTERISTIKE STIRLINGOVEGA MOTORJA
Laboratorijske vaje 2
KAZALO
1. CILJ VAJE .............................................................................................................................. 3
2. UVOD ..................................................................................................................................... 3
2.1. Krožni procesi................................................................................................................... 3
2.2. OPIS DELOVANJA STIRLINGOVEGA MOTORJA .................................................... 4
2.2.1. Teoretičen termodinamski cikel ................................................................................ 4
2.2.2. Dejanski termodinamski cikel ................................................................................... 6
2.2.3. Funkcija in delovanje regeneratorja .......................................................................... 6
2.2.4. Primerjava z ostalimi procesi .................................................................................... 7
2.3. Kombinirani procesi s Stirlingovim motorjem ................................................................. 8
3. Opis merilne verige ................................................................................................................. 9
4. Izvedba preizkusa in naloga študentov .................................................................................. 11
4.1. Podatki ............................................................................................................................ 12
4.2. Enačbe ............................................................................................................................ 12
4.3. Naloge ............................................................................................................................. 12
Univerza v Ljubljani
Fakulteta za strojništvo
Laboratorij za termoenergetiko KARAKTERISTIKE STIRLINGOVEGA MOTORJA
Laboratorijske vaje 3
1. CILJ VAJE Cilj vaje je
– na obstoječem modelu predstaviti karakteristike teoretičnega Stirlingovega krožnega procesa,
– narediti primerjavo Stirlingovega krožnega procesa z ostalimi krožnimi procesi,
– izmeriti karakteristiko dejanskega krožnega procesa Stirlingovega motorja.
2. UVOD Stirlingov
1 motor je toplotni stroj na vroč zrak. Velja za enega najpreprostejših motorjev, saj je z
razliko od ostalih motorjev edini, ki uporablja zunanje zgorevanje. To ima za posledico
enostavnejšo konstrukcijo (ne potrebuje sistema za vbrizg goriva) in možnost uporabe različnih
vrst goriva (zrak, helij, metan, vodik, ...). Prednosti Stirlingovega motorja v primerjavi z ostalimi
toplotnimi motorji so manjša obremenitev za okolje, višji izkoristek, nižja stopnja hrupa in
vibracij (brez eksplozij v valju). Stirlingovi motorji so danes v uporabi predvsem v hladilni
tehniki, kot pogonski motorji v kombinaciji z drugimi toplotnimi procesi ali pa v enotah za
kogeneracijo. Zelo razširjena je uporaba v podmornicah in jahtah, kjer je neslišno obratovanje
zelo pomembno. Te enote sočasno proizvajajo toploto za ogrevanje in električno energijo in so
zelo primerne za celotno oskrbo posameznih stanovanjskih hiš ali pa gospodarskih poslopij.
2.1. Krožni procesi
V termodinamiki so krožni procesi zelo pomembni,
saj nam pomagajo razumeti osnove delovanja
toplotnih motorjev in toplotnih črpalk. Krožni
proces je v osnovi kontinuiran proces, pri katerem
se vršijo spremembe lastnosti delovnega medija,
tako da se po enem ciklu delovni medij vrne v
začetno stanje. Slika 1 prikazuje primer krožnega
procesa. Iz točke 1 do točke 2 delovni medij
ekspandira. Krožni proces bomo dobili, če vrnemo
delovni medij v začetno stanje, torej v točko 1. To
lahko storimo po ekspanzijski poti a, seveda v
nasprotni smeri, ampak v tem primeru bi porabili
za vrnitev v začetno stanje ravno toliko dela,
kolikor smo ga pridobili pri ekspanziji in tak
postopek bi bil s stališča pridobivanja dela jalov.
Če pa se vrnemo v začetno stanje (točko 1) po poti
b, ki leži nižje od ekspanzijske poti a, je porabljeno
delo manjše kakor pridobljeno in razlika teh dveh
je delo, ki ga lahko koristno uporabimo.
1 Robert Stirling, (1790 – 1878), anglikanski duhovnik, Škotska
Slika 1: Definicija krožnega procesa.
Univerza v Ljubljani
Fakulteta za strojništvo
Laboratorij za termoenergetiko KARAKTERISTIKE STIRLINGOVEGA MOTORJA
Laboratorijske vaje 4
Slika 2: Prikaz poenostavljenega Stirlingovega procesa v p-v in T-s diagramu.
2.2. OPIS DELOVANJA STIRLINGOVEGA MOTORJA
Pri Stirlingovem motorju je v valju zaprta določena količina delovnega medija, ki nikoli ne
zapusti motorja. Stirlingov motor nima ventilov kot bencinski motor, v samem motorju ni
nobenih eksplozij, zato je njegovo delovanje skoraj neslišno.
2.2.1. Teoretičen termodinamski cikel
Če Strirlingov proces poenostavimo kolikor se da, je možno
proces ponazoriti v štirih delovnih fazah2 (Slika 2).
Termodinamski cikel je sestavljen iz izotermne kompresije
pri nizki temperaturi, izohornega dovajanja toplote, izotermne
ekspanzije pri višji temperaturi in izohornega odvoda toplote.
Sprememba stanja 1 – 2 (slika 3)
V tej fazi poteka izotermna kompresija. Delovni medij se
ohlaja s pomočjo hladilnega sredstva, ki je v našem primeru
voda v steni valja. Potrebno delo za kompresijo dobimo iz
vztrajnika. Regenerator se segreva in je vroč.
2 V Stirlingovem motorju se dogajajo preobrazbe, ki so ključne za delovanje motorja:
– če imamo določeno količino delovnega medija v zaprtem preostoru in mu povečujemo temperaturo, se mu bo
povečal tlak;
– če imamo določeno količino delovnega medija in ga komprimiramo, se bo temperatura delovnega medija
povečala;
Slika 3: Izotermna kompresija.
Univerza v Ljubljani
Fakulteta za strojništvo
Laboratorij za termoenergetiko KARAKTERISTIKE STIRLINGOVEGA MOTORJA
Laboratorijske vaje 5
Sprememba stanja 2 – 3 (slika 4)
V tej fazi poteka izohorna kompresija za katero je značilno,
da poteka s pomočjo dovajanja toplote. Delovni medij
prehaja skozi regenerator, s tem pa poteka prestop toplote iz
regeneratorja na delovni medij, ki se zato segreva. Tlak je v
tej fazi najvišji. Regenerator se ohlaja. Delovni bat je v
zgornji mrtvi točki.
Sprememba stanja 3 – 4 (slika 5)
V tej fazi poteka izotermna ekspanzija. Delovni bat se premika
navzdol in delovni prostor v valju se povečuje. Ker pri
ekspanziji temperatura pada, moramo dovajati toploto, če
želimo izotermno ekspanzijo. Toploto dovajamo s pomočjo
grelne nitke. Tlak pada, regenerator je hladen.
Sprememba stanja 4 –1 (slika 6)
Ta faza je faza izohorne ekspanzije. V tej fazi se vrši
ohlajanje delovnega medija, kar ima za posledico nižanje
tlaka. Delovni medij, ki prehaja v hladen del valja, oddaja
toploto regeneratorju, ki se segreva. Tlak se zmanjša do
najnižje vrednosti. Tako preide delovna snov v začetno stanje
in vstopa v nov delovni cikel.
Slika 4: Izohorna kompresija.
Slika 5: Izotermna ekspanzija.
Slika 6: Izohorna ekspanizija.
Univerza v Ljubljani
Fakulteta za strojništvo
Laboratorij za termoenergetiko KARAKTERISTIKE STIRLINGOVEGA MOTORJA
Laboratorijske vaje 6
2.2.2. Dejanski termodinamski cikel
Dejanski proces v Stirlingovem motorju se bistveno razlikuje od teoretičnega Strirlingovega
termodinamskega cikla, kar je jasno razvidno iz slike 7.
Razvidno je, da v dejanskem procesu ni možno
doseči popolne izohorne (izohorni dovod in odvod
toplote) in izotermne preobrazbe (izotermna
kompresija in ekspanzija):
– Izohorne preobrazbe ni možno doseči zaradi
tega, ker se delovni bat med ciklom ne more
ustavljati v času dovoda in odvoda toplote s
strani regeneratorja, saj bi to pomenilo
nezvezno delovanja motorja, ki je za motor
nesprejemljivo. Poleg tega je to konstrukcijsko
zelo zapleten problem, ki zahteva kompleksen
ročični mehanizem. Tako imamo neko kvazi-
izohorno preobrazbo.
– Izotermno preobrazbo bi lahko dosegli, če bi
proces tekel zelo počasi, saj bi v takšnem
primeru lahko zagotavljali homogeno
temperaturno polje znotraj valja. Ampak spet
takšen počasi tekoči motor ne bi imel praktične vrednosti. Tako se približamo izoternmi
preobrazbi toliko, kolikor je to praktično možno izvesti.
2.2.3. Funkcija in delovanje regeneratorja
Regenerator je naprava, ki je sposobna začasno shraniti toplotno energijo. Lahko je navitje iz
žice z zelo velikim koeficientom prestopnosti toplote ( ), kot je to v našem primeru. Velika
površina, ki jo zagotavlja navitje žice, ima sposobnost v kratkem času absorbirati veliko količino
toplote iz delovnega medija.
Regenerator je postavljen med hladnim in vročim delom valja. Tok zraka, ki potuje skozi
regenerator mora biti v regeneratorju čim počasnejši, da je lahko prenos toplote čim boljši. Na
drugi strani pa mora biti pretočna upornost regeneratorja čim manjša, da se ne pojavljajo
prevelike razlike tlaka med vročim in hladnim delom valja. Če bi imeli popolno regeneracijo, se
bi vsa toplota, ki jo regenerator odvzame delovnemu mediju pri izohornem ohlajanju
(sprememba stanja 4 – 1), prenesla na delovni medij v fazi izohornega dovoda toplote
(sprememba stanja 2 – 3). Popolna regeneracija, ki je prisotna v teoretičnem procesu, je
prikazana v T – s diagramu na sliki 2.
Proces regeneracije nima vpliva na delo, pridobljeno iz delovnega procesa, ki je odvisno le od
dovedene in odvedene toplote v ali iz procesa. Torej regeneracija ne vpliva na obliko diagrama
delovnega procesa v p –V diagramu. Delo, ki ga dobimo iz enega delovnega cikla je prikazano v
p –V diagramu na sliki 2.
Slika 7: Dejanski proces v Stirlingovem
motorju.
Univerza v Ljubljani
Fakulteta za strojništvo
Laboratorij za termoenergetiko KARAKTERISTIKE STIRLINGOVEGA MOTORJA
Laboratorijske vaje 7
2.2.4. Primerjava z ostalimi procesi
Da lahko izvedemo primerjavo z drugimi delovnimi procesi moramo postaviti nek mejni proces,
ki ga na eni strani omejuje okolica, na drugi strani pa materiali. Tako je spodnja meja takšnega
procesa določena s stanjem okolice (1 bar, 300 K), zgornja meja pa vzdržljivostjo materialov
(100 bar) ter kurilnostjo goriva in količino oksidanta (3000 K). Tako dobimo mejni proces, ki
poteka med dvema izotermama in dvema izobarama in se imenuje Ericssonov proces, znotraj
katerega potekajo prav vsi toplotni procesi. Iz slike 8 je razvidno, da je pridobljeno delo
(površina znotraj zaključenega procesa) ostalih toplotnih procesov ustrezno manjše. Stirlingov
proces se po pridobljenem delu še najbolj približa maksimalnemu delu Ericssonovega procesa,
nato sledijo Joulov proces, Dieselov proces, Ottov proces in Carnotov proces (slika 8).
Slika 8: Primerjava teoretičnih delovnih procesov.
Tabela 1: Prikaz delovne sposobnosti in izkoristka posameznega delovnega procesa.
cikel Delovna sposobnost Izkoristek Izkoristek z regeneracijo
Ericsson 41,45 0,534 0,9
Stirling 20,72 0,455 0,9
Joule 16,06 0,723 /
Diesel 14,54 0,661 0,7
Otto 11,27 0,602 0,75
Carnot 0 – 2,1 0 – 0,732 /
EricssonovStirlingov
p
V
Joulov
DieselovOttov
Carnotov
pmax
pmin
T = konst.min
T = konst.max
VmaxVmax
Univerza v Ljubljani
Fakulteta za strojništvo
Laboratorij za termoenergetiko KARAKTERISTIKE STIRLINGOVEGA MOTORJA
Laboratorijske vaje 8
Iz tabele 1 je razvidno, da ima največjo delovno sposobnost Ericssonov proces, medtem ko pa
ima najvišji izkoristek Carnotov proces. Iz termodinamike je znano, da če se oziramo samo na
temperaturne meje doseže Carnotov proces izkoristek 0,9.
9,03000
30011
max
min T
Tcarnot
Tako dobimo zgornjo mejo izkoristka katerega koli delovnega procesa. Na izkoristek lahko
vplivamo z regeneracijo, ki pa v vseh delovnih procesih v realnem ni možna (motorji z notranjim
izgorevanjem). Stirlingov in Ericssonov proces bi z idealnim regeneratorjem (popolna
regeneracija) teoretično lahko dosegla izkoristek 0,9.
2.3. Kombinirani procesi s Stirlingovim motorjem
Stirlingov motor se je začel uveljavljati s pojavom kombiniranih procesov, saj lahko izkorišča
toplotno energijo, ki je za ostale delovne procese neuporabna. S tem se povečuje celotni
izkoristek procesa. Primeri kombiniranih procesov so: Otto/Stirling, Rankine/Stirling,
Joule/Stirling, Gorivna celica/Stirling. Takšni kombinirani procesi so zelo primerni za sočasno
proizvodnjo toplotne energije za ogrevanje prostorov, sanitarne vode in proizvodnjo električne
energije. Primer najnovejših enot za kogeneracijo prikazuje slika 9. Ta enota uporablja kot
primarni energetski vir zemeljski plin in ima naslednje specifikacije: izkoristek pretvorbe
primarnega goriva 92 – 94 %, električna moč 2 – 9 kW, 8 – 24 % celotne toplotne energije pa je
namenjeno na ogrevanje sanitarne vode in prostorov. Stirlingov motor ima dva valja razporejena
v obliki črke V. Največji srednji delovni tlak je 150 bar, delovni medij pa je helij.
Slika 9: Serijski izdelek enote za kogeneracijo.
Univerza v Ljubljani
Fakulteta za strojništvo
Laboratorij za termoenergetiko KARAKTERISTIKE STIRLINGOVEGA MOTORJA
Laboratorijske vaje 9
3. Opis merilne verige
Na sliki 10 je prikazana uporabljena merilna veriga za ovrednotenje delovanja Stirlingovega
motorja. Uporabljen toplotni stroj na vroč zrak je kot Stirlingov motor sposoben z zadostnim
hlajenjem in električnim gretjem delovnega medija (zrak) proizvesti moč 10 W. Osnovni
toplozračni motor (1) je sestavljen iz:
a) jeklenega podstavka,
b) ročičnega mehanizma (slika 12), ki je konstruiran tako, da sta regenerator in delovni bat
zamaknjena za 90 °, pri čemer regenerator prehiteva delovni bat,
c) vztrajnika (d = 25 cm), v katerem se med samim delovnim ciklom akumulira energija, ki
je potrebna v delu naslednjega delovnega cikla,
d) valja z dvojno steno, po kateri se pretaka hladilna voda. Hladilna voda vstopa na
spodnjem delu valja in izstopa na zgornjem delu valja.
e) delovnega bata,
f) regeneratorskega bata z aksialnim prehodom. Zgornji del bata je sestavljen iz toplotno
odpornega stekla, spodnji del pa iz kovine, katera je povezana s hladilnim sistemom.
Bakrena volna v sredini služi kot regenerator in tako zvišuje izkoristek procesa in
g) pokrova z grelno žičko.
Slika 10: Merilna veriga.
Univerza v Ljubljani
Fakulteta za strojništvo
Laboratorij za termoenergetiko KARAKTERISTIKE STIRLINGOVEGA MOTORJA
Laboratorijske vaje 10
Hladilno vodo, ki jo potrebujemo za odvod toplote iz krožnega procesa dovajamo s pomočjo
potopne črpalke (2, slika 11), ki prečrpava hladilno vodo iz zbirne posode preko dvojnih sten
valja nazaj v posodo. Enosmerni napajalnik (3) za pogon potopne črpalke nam omogoča
spreminjanje napetosti in s tem regulacijo pretoka hladilne vode (100 ml/min – 1000 ml/min).
Grelno žičko, ki služi za dovod toplote v krožni proces, napajamo preko transformatorja (4), ki
nam omogoča spreminjanje napetosti od 0 – 20 V s korakom po 2 V. Maksimalna toplotna moč
grelne žičke je 300 W.
Enosmerni napajalnik (5) služi za napajanje diferenčnega tlačnega pretvornika (6) in električnega
pretvornika linearnega pomika (7). Tlak zajemamo preko votle ojnice delovnega bata, tlačni
pretvornik pa nato tlačne impulze s pomočjo piezzo elementa pretvori v napetostni signal (± 1
V). Podatke za gibanje bata pa zajemamo preko vrvice, ki je pritrjena na spodnji konec
delovnega bata. Vrvica je preko valjčka pritrjena na električni pretvornik linearnega pomika, ki
pomik spreminja v napetostni signal (± 10 V). Signala iz tlačnega pretvornika in pretvornika
linearnega pomika nadalje peljemo v računalnik (8), s pomočjo katerega zapišemo podatke
potrebne za analizo krožnega procesa.
slika 11: Potopna črpalka za hlajenje valja.
slika 12: Ročični mehanizem.
Univerza v Ljubljani
Fakulteta za strojništvo
Laboratorij za termoenergetiko KARAKTERISTIKE STIRLINGOVEGA MOTORJA
Laboratorijske vaje 11
4. Izvedba preizkusa in naloga študentov
predmet:
datum:
skupina:
vpisna št. ime in priimek podpis
študenti:
Univerza v Ljubljani
Fakulteta za strojništvo
Laboratorij za termoenergetiko KARAKTERISTIKE STIRLINGOVEGA MOTORJA
Laboratorijske vaje 12
4.1. Podatki
Delovna snov v valju je zrak z naslednjimi parametri:
plinska konstanta: R = 287 J/kgK
eksponent izentrope: κ = 1,4
izobarna specifična toplota: cp = 1005 J/kgK
izohorna specifična toplota: cv = 718 J/kgK
masa: m = 0,0003 kg
4.2. Enačbe
plinska enačba: TRmVp
izobarna preobrazba (p = konst.): 2
1
2
1
T
T
V
V
izotermna preobrazba (T = konst.): 2211 VpVp
izohorna preobrazba (V = konst.): 2
1
2
1
T
T
p
p
izentropna preobrazba (s = konst.): κκ2211 VpVp
izmenjano delo: VpW d
izmenjana toplota: STQ d
4.3. Naloge
1. Na podlagi podatkov dejanskega delovnega cikla določi najvišjo in najnižjo temperaturo ter
največjo in najmanjšo prostornino v procesu. Z uporabo plinske enačbe in zakonitosti
osnovnih preobrazb idealnega plina izračunaj manjkajoče veličine stanja v vseh štirih točkah
teoretičnega delovnega cikla.
2. V diagramu z izmerjenimi vrednostmi nariši še teoretični delovni cikel.
3. V diagramu označi dovedeno in odvedeno toploto tako teoretičnega kot tudi dejanskega
delovnega cikla. Kaj predstavlja razlika med dovedeno in odvedeno toploto?
4. Označite (šrafirajte) površino, ki predstavlja delo dejanskega in teoretičnega delovnega cikla.
Določi površino dejanskega in teoretičnega cikla.
5. Z uporabo enačb za izmenjavo toplote in dela pri idealnih plinih določi dovedeno in
odvedeno toploto in delo za teoretičen cikel.
Univerza v Ljubljani
Fakulteta za strojništvo
Laboratorij za termoenergetiko KARAKTERISTIKE STIRLINGOVEGA MOTORJA
Laboratorijske vaje 13
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
10
01
10
12
01
30
14
01
50
16
01
70
18
01
90
20
02
10
22
02
30
24
02
50
26
02
70
28
02
90
30
03
10
32
0
tlak / bar
pro
sto
rnin
a /
cm3
Univerza v Ljubljani
Fakulteta za strojništvo
Laboratorij za termoenergetiko KARAKTERISTIKE STIRLINGOVEGA MOTORJA
Laboratorijske vaje 14
28
0
29
0
30
0
31
0
32
0
33
0
34
0
35
0
36
0
37
0
38
0 -0.0
5-0
.04
-0.0
3-0
.02
-0.0
10
.00
0.0
10
.02
0.0
30
.04
0.0
50
.06
0.0
70
.08
0.0
90
.10
temperatura / K
en
tro
pija
/ (
J/K
)
top related