Top Banner
Sesiunea Naţională de Comunicări Ştiinţifice Studenţeşti “Anghel Saligny” – Galaţi, 20-21 Mai 2015 MODELARE GRAFICĂ ŞI APLICAŢIE PRIVIND GAMA DE MOTOARE STIRLING Autori: Radu-Dan GRECU, Alexandru MUNTEANU, Dragoş-George MIHAI Cadrul didactic coordonator: Şef lucr. dr. ing. Nicuşor Baroiu Universitatea “Dunărea de Jos” din Galaţi, Facultatea de Inginerie Rezumat: În această lucrare se prezintă un motor cu ardere externa in patru timpi, celebru pentru constructia sa, si pentru modul sau de functionare, dar prea putin utilizat in zilele noastre. Motorul Stirling definește o mașină termică cu aer cald cu ciclu închis regenerativ, capabila sa produca cu ajutorul unei surse de caldura externa lucru mecanic, pe scurt sa functioneze motorul. Proiectul va fi realizat cu ajutorul pachetului Autodesk Inventor pentru a simula intr-un mediu 3D aceasta lucrare si pentru o mai usoara observare. Cuvinte cheie: motor, ardere externa, stirling, motor 4 timpi. 1. Introducere si Istoric Maşina cu aer a lui Stirling (cum a fost denumită în cărţile din epoca respectivă) a fost inventată de clericul Dr. Robert Stirling şi brevetat de acesta în anul 1816 . Data la care s-a încetăţenit denumirea simplificată de motor Stirling nu este cunoscută, dar poate fi estimată spre mijlocul secolului XX când compania Philips a început cercetările cu fluide de lucru altele decât aerul. Pe lângă economisirea de carburanţi, inventatorii au avut în vedere şi crearea unui motor mai sigur decât motorul cu aburi la care în aceea vreme cazanul exploda adeseori cauzând accidente, chiar şi pierderi de vieţi. Cu toate acestea obţinerea unui randament mai ridicat, posibil prin asigurarea de temperaturi foarte mari, a fost limitată de calitatea materialelor disponibile la acel moment şi cele câteva exemplare construite au avut o durată de viaţă redusă. În procesul de transformare a energiei termice în lucru mecanic, dintre maşinile 1
12

Tcm Mstirling g.radu

Feb 19, 2016

Download

Documents

Radu Grecu

proiect motor stirling
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Tcm Mstirling g.radu

Sesiunea Naţională de Comunicări Ştiinţifice Studenţeşti “Anghel Saligny” – Galaţi, 20-21 Mai 2015

MODELARE GRAFICĂ ŞI APLICAŢIE PRIVINDGAMA DE MOTOARE STIRLING

Autori: Radu-Dan GRECU, Alexandru MUNTEANU, Dragoş-George MIHAI

Cadrul didactic coordonator: Şef lucr. dr. ing. Nicuşor Baroiu

Universitatea “Dunărea de Jos” din Galaţi, Facultatea de Inginerie

Rezumat:În această lucrare se prezintă un motor cu ardere externa in patru timpi, celebru pentru constructia sa, si pentru modul sau de functionare, dar prea putin utilizat in zilele noastre. Motorul Stirling definește o mașină termică cu aer cald cu ciclu închis regenerativ, capabila sa produca cu ajutorul unei surse de caldura externa lucru mecanic, pe scurt sa functioneze motorul. Proiectul va fi realizat cu ajutorul pachetului Autodesk Inventor pentru a simula intr-un mediu 3D aceasta lucrare si pentru o mai usoara observare.Cuvinte cheie: motor, ardere externa, stirling, motor 4 timpi.

1. Introducere si Istoric

Mașina cu aer a lui Stirling (cum a fost denumită în cărțile din epoca respectivă) a fost inventată de clericul Dr. Robert Stirling și brevetat de acesta în anul 1816. Data la care s-a încetățenit denumirea simplificată de motor Stirling nu este cunoscută, dar poate fi estimată spre mijlocul secolului XX când compania Philips a început cercetările cu fluide de lucru altele decât aerul. Pe lângă economisirea de carburanți, inventatorii au avut în vedere și crearea unui motor mai sigur decât motorul cu aburi la care în aceea vreme cazanul exploda adeseori cauzând accidente, chiar și pierderi de vieți. Cu toate acestea obținerea unui randament mai ridicat, posibil prin asigurarea de temperaturi foarte mari, a fost limitată de calitatea materialelor disponibile la acel moment și cele câteva exemplare construite au avut o durată de viață redusă. În procesul de transformare a energiei termice în lucru mecanic, dintre mașinile termice cunoscute, motorul Stirling poate atinge cel mai mare randament, teoretic până la randamentul maxim al ciclului Carnot, cu toate că în practică acesta este redus de proprietățile gazului de lucru și a materialelor utilizate cum ar fi coeficientul de frecare, conductivitatea termică, punctul de topire, rezistența la rupere, deformarea plastică, etc. Acest tip de motor poate funcționa pe baza unei surse de căldură indiferent de calitatea acesteia, fie ea energie solară, chimică sau nucleară.

Spre deosebire de motoarele cu ardere internă, motoarele Stirling pot fi mai economice, mai silențioase, mai sigure în funcționare și cu cerințe de întreținere mai scăzute. Ele sunt preferate în aplicații specifice unde se valorifică aceste avantaje, în special în cazul în care obiectivul principal nu este minimizarea cheltuielilor de investiții pe unitate de putere (RON/kW) ci a celor raportate la unitatea de energie (RON/kWh). În comparație cu motoarele cu ardere internă de o putere dată, motoarele Stirling necesită cheltuieli de capital mai mari, sunt de dimensiuni mai mari și mai grele, din care motiv, privită din acest punct de vedere această tehnologie este necompetitivă. Pentru unele aplicații însă, o analiză temeinică a raportului cheltuieli-câștiguri poate avantaja motoarele Stirling față de cele cu ardere internă.

1

Page 2: Tcm Mstirling g.radu

Sesiunea Naţională de Comunicări Ştiinţifice Studenţeşti “Anghel Saligny” – Galaţi, 20-21 Mai 2015

În tabelul 1, se prezintă dimensiunile specifice ale asamblului motor-placa sustinere.

Tabelul 1. Dimensiunile motorului StirlingLăţime 95 mmÎnălţime 105 mmLungime 210 mm

2. Tipuri de Motoare Stirling

Primul tip de motor Stirling este denumit ALFA STIRLING, constand in faptul ca doi sau mai mulți cilindri separați, de diferite temperaturi, sunt legați între ei. Un motor de tip Alfa Stirling conține un piston de lucru cald si unul de lucru rece, situate separat în câte un cilindru. Cilindru pistonului cald este situat în interiorul schimbătorului de căldură de temperatură înaltă iar cel al pistonului rece în schimbătorul de căldură de temperatură scăzută.

Fig.1 Functionarea motorului de tip Alfa Stirling

Funcționarea motorului Alfa Stirling se va descrie astfel: Timpul I: Cantitatea care ocupa cel mai mult volum a gazului de lucru este în contact

cu peretele cilindrului cald; ca urmare se încălzește mărindu-și volumul și împingând pistonul spre capătul cilindrului. Dilatarea continuă și în cilindrul rece creand astfel lucru mecanic.

Timpul II: Gazul de lucru a ajuns la volumul maxim. Pistonul în cilindrul cald începe să împingă cea mai mare parte din gaz în cilindrul rece unde pierde din temperatura acumulată și presiunea scade treptat continuandu-si ciclul.

Timpul III: Aproape toată cantitatea de gaz este în cilindrul rece și răcirea continuă. Pistonul rece, acționat de o pereche de pistoane situate pe același arbore comprimă gazul.

Timpul IV: Gazul ajunge la volumul minim și pistonul din cilindrul cald va permite circularea spre acest cilindru unde va fi încălzit din nou și va începe cedarea de lucru mecanic către pistonul de lucru.

2

Page 3: Tcm Mstirling g.radu

Sesiunea Naţională de Comunicări Ştiinţifice Studenţeşti “Anghel Saligny” – Galaţi, 20-21 Mai 2015

Al doilea tip poarta denumirea de BETA STIRLING, acest tip detine un singur cilindru în care sunt așezate un piston de lucru și unul de refulare montate pe același ax. Pe acest tip ne vom axa in acest proiect. Pistonul de refulare nu este montat etanș și nu servește la extragerea de lucru mecanic din gazul ce se dilată având doar rolul de a vehicula gazul de lucru între schimbătorul de căldură cald și cel rece. Când gazul de lucru este împins către capătul cald al cilindrului, se dilată și împinge pistonul de lucru.

Fig.2 Functionarea motorului de tip Beta Stirling

Cei patru timpi de funcționarea a motorului Beta Stirling sunt : Timpul 1 - 2: Gazul de lucru este încălzit în zona fierbinte a cilindrului, pe baza

stocarii de energie termică de la sursa incalzita. Prin încălzire gazul de lucru se dilată proportional. În urma acesteia pistonul de refulare este împins in fata. Odată cu mișcarea pistonului de refulare se va mișca și pistonul de lucru. Cele două pistoane se mișcă la o inclinatie de 90° ( perpendicular ). În acest timp pistonul de lucru cedează lucru mecanic volantului.

Timpul 2 - 3: Volantul se mișcă datorită momentului de inerție mai avansat. Pistonul de refulare împinge acum gazul de lucru din zona fierbinte în zona racoroasa unde se va răci. De cele mai multe ori pistonul de lucru preia și rolul regeneratorului ( element essential al motoarelor stirling ): preia o parte din căldura gazului de lucru ce traverseaza zona fierbinte spre cea rece. În zona rece gazul de lucru se va racii cu ajutorul unui radiator de răcire cu aer. Poziția pistonului de lucru se schimbă în această fază foarte puțin. Presiunea în interior scade datorită răcirii constant.

Timpul 3 - 4: La motoare Stirling cu presiune internă mare în această fază are loc o compresie, pe când la cele cu presiune internă mică poate avea loc încă cedare de lucru mecanic în timp ce presiunea atmosferică acționează asupra pistonului de lucru ( exact ca in cazul nostrum ).

Timpul 4 - 1: Volantul se învârte în continuare și prin aceasta pistonul de refulare se va deplasa în sus. Acest lucru are ca rezultat trecerea gazului din zona superioară rece în zona inferioară caldă (încălzire treptata). Regeneratorul cedează gazului de lucru căldura stocata în timpul 2 preîncălzindu-l si oferindu-i stabilitate. Ciclul se reia de la început !!!

3

Page 4: Tcm Mstirling g.radu

Sesiunea Naţională de Comunicări Ştiinţifice Studenţeşti “Anghel Saligny” – Galaţi, 20-21 Mai 2015

Fig.3 Motor Stirling din Colecţia Tehnică Hochhut din Frankfurt am Main

3. Utilizarile Motorului Stirling

Utilizarile motorului stirling sunt vaste, si de-alungul timpului s-a incercat abordarea acestuia dintr-o maniera mai usoara, adica, motoarele fiind instabile si slabe fata de cele abordate teoretic, neavand acelasi randament, au fost folosite in diferite activitati precum :

Generatoare solare de electricitate ( în scopul construirii unei centrale solare ) Instalaţii frigorifice Stirling – Criogenice ( stații de producere a azotului lichid ) Pompe de căldură ( de incalzit locuinte ) Motoare pentru diferenţe mici de temperatură ( masurarea diferentei de temperatura

dintre obiecte asemanatoare termic )

Totusi inginerii si oamenii de stiinta nu s-au oprit aici reusind sa mearga si sa evolueaza si in alte criterii precum :

Energie nucleară (utilizat în explorări spațiale ) Motoare de navă, avioane si automobile Energia geotermală ( transformarea energiei termice in energie electrica )

4. Modelarea Motorului Beta Stirling

4

Page 5: Tcm Mstirling g.radu

Sesiunea Naţională de Comunicări Ştiinţifice Studenţeşti “Anghel Saligny” – Galaţi, 20-21 Mai 2015

Fig.4 Placa de sustinere impreuna cu suportii ( picioare ) cilindrului

Fig.5 Asamblul piston cu roata si incalzitor

4. Soluţii pentru optimizarea sistemului de avans

Din dorinţa de a evita răsturnarea teancurilor de capace pe banda transportoare şi aducerea lor în siguranţă către ultimul set de ghidaje, s-au propus următoarele soluţii tehnice:

5

Page 6: Tcm Mstirling g.radu

Fig. 9 Ghidaje triunghiulare despărţitoare

Sesiunea Naţională de Comunicări Ştiinţifice Studenţeşti “Anghel Saligny” – Galaţi, 20-21 Mai 2015

1) Minimizarea distanţei dintre teancurile de capace

Fig. 8 Recipientele apropiate pe banda rulantă

Micşorând distanţa dintre şiruri, acestea se vor sprijini unul pe altul. Balansul va fi foarte mic si insuficient cât să faca pozibilă răsturnarea teancurilor.

2) Menţinerea unei viteze constante la banda de rulare şi necesitatea unei singure opriri pentru a face posibilă evacuarea capacelor.

Avand o viteză constantă şi o singură oprire, timpii vor fi mai mici, iar balansul va fi redus într-un procent foarte mare.

3) Aplicarea unor ghidaje triunghiulare, respectiv dreptunghiulare pe placa din faţa benzii transportoare.

S-a venit cu această

modificare pentru a putea distanţa teancurile de capace, astfel fiind posibilă inserarea lor pe ghidajele din partea de jos a maşinii.

Pentru optimizarea sistemului cu prize care selecţionează numărul de capace din fiecare teanc, ducând la pierderi şi la imposibilitatea de a avea mereu un număr precis de capace în şir, s-a venit cu soluţia de ataşare a unor tampoane de cauciuc pe suprafeţele prizelor.

4) Ataşarea unor tampoane de cauciuc pe supreafaţa prizelor

6

Page 7: Tcm Mstirling g.radu

Fig. 11 Ventuze de extragere a capacelor

Fig. 12 Model 3D al sistemului de avans

Sesiunea Naţională de Comunicări Ştiinţifice Studenţeşti “Anghel Saligny” – Galaţi, 20-21 Mai 2015

Fig. 10 Prize cauciucate

Aplicând aceste tampoane de cauciuc, posibilitatea alunecării capacelor este foarte scăzută, iar numărul lor va fi mereu acelaşi.

Totodată, se ia în calcul faptul că, în momentul în care pe bandă sunt aşezate cele 4 pachete de capace, un “pusher” acţionat de un piston hidraulic împinge capacele către

7

Page 8: Tcm Mstirling g.radu

Sesiunea Naţională de Comunicări Ştiinţifice Studenţeşti “Anghel Saligny” – Galaţi, 20-21 Mai 2015

suportul din partea inferioară. Capacele vor fi ataşate la recipientele aflate pe banda metalică transportoare cu găuri profilate cu ajutorul celor 4 ventuze şi a dispozitivului ce blochează căderea capacelor din suport – figura 11.

În figura 12 se prezintă modelarea tridimensională a întregului ansamblu, realizată cu ajutorul pachetului grafic Autodesk Inventor. În partea superioară se află traseul de încărcare împreună cu sistemul de prize. Pe această placă este ataşat sistemul de prindere al pusherului, cumulat cu pistonul care îl acţionează. Elevatorul aduce teancurile de cutii pe banda de rulare actionată prin intermediul unui motor electric. În desenul de ansamblu, sunt vizibile şi ghidajele care depărtează şirurile de cutii pentru a putea fi inserate în ultimul suport. Din acest ghidaj capacele sunt extrase şi ataşate peste cutiile de margarinăa cu ajutorul unor ventuze. Asigurarea avansului cutiilor de margarină se face prin intermediul unei bande transportoare.

Modificările aduse, vor duce la imbunătăţirea procesului de ambalare şi obţinerea unei productivităţi mai ridicate.

5. Concluzii

În urma analizei problemelor care apăreau la sistemul de avans al unei linii de ambalat margarină, se poate concluziona că soluţiile propuse, la nivel teoretic şi modelate grafic prin intemediul pachetului software Autodesk Inventor, pot îmbunătăţi substaţial procesul de producţie. Astfel, adoptarea şi în transpunerea în practică a soluţiilor sugerate ar putea duce la:

Viteză crescută a procesului de ambalare; Funcţionarea corectă şi în parametri optimi a instalaţiei, numărul de capace fiind

acelaşi pentru fiecare teanc în parte; Eliminarea timpilor morţi care apăreau în momentul în care şirurile se răsturnau pe

banda de rulare, iar intregul proces trebuia oprit; Nesuplimentarea, în procesul de producţie, cu personal auxiliar pentru remedierea

vechilor probleme; Costuri scăzute pentru optimizarea procesului. Productivitate crescută.

Bibliografie

[1] Abrudan, O., Tomescu, L., Desen Tehnic – reprezentarea corpurilor geometrice, ISBN 973-654-020-0, Editura Semne, Bucureşti, 2000;[2] Alexandru, V., Bejenaru, S., Baroiu, N., Grafică asistată de calculator, ISBN 973-8352-33-9, Ed. Fundaţiei Universitare, Galaţi, 2002;[3] Stăncescu, C., Modelarea parametrică şi adaptivă cu Inventor – Vol. I şi II, Editura Fast, ISBN 978-973-86798-4-9, Bucureşti, 2009, 2010;[4]*** http://usa.autodesk.com/autodesk-inventor/;[5]*** http://www.nxsiemens.com;[6]*** http://www.3ds.com.

8