phân tích chu trình nhiệt động, đặc điểm kết cấu và khả năng ứng dụng động cơ stirling trong ngành thủy sản việt nam

bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học thuỷ sản



Văn Công Minh


Đề tài :

phân tích chu trình nhiệt động, đặc điểm
kết cấu và khả năng ứng dụng
động cơ stirling trong ngành
thuỷ sản việt nam

Luận văn Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Tàu thuỷ





Nha Trang - 9/2005



5


bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học thuỷ sản

Đề tài :

phân tích chu trình nhiệt động, đặc điểm kết cấu
và khả năng ứng dụng động cơ stirling trong
ngành thuỷ sản việt nam


Luận văn Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Tàu thuỷ
Mã số : 60.52.32





Hớng dẫn khoa học : PGS. TS. Nguyễn Văn Nhận
Học viên : Văn Công Minh
Lớp : Cao học KTTT - 2002







Nha Trang - 9/2005

6



chữ viết tắt sử dụng trong luận văn

ĐHTS - Trờng Đại học Thuỷ sản
ĐCĐT - Động cơ đốt trong
ĐCT - Điểm chết trên
ĐCD - Điểm chết dới
MCCT - Môi chất công tác
NCKH - Nghiên cứu khoa học

7

lời nói đầu

Động cơ Stirling là một loại động cơ nhiệt do ông Robert Stirling - ngời
Scotland - sáng chế vào năm 1816.
Động cơ Stirling có kết cấu rất đa dạng, công suất có thể từ vài Watt để
trang bị cho các trạm hải đăng, các trạm khí tợng tự động, v.v. đến hàng ngàn
kilowatt cho các hệ thống lạnh.
Sau giai đoạn đợc sử dụng khá phổ biến vào những năm cuối thế kỷ 19
và đầu thế kỷ 20, động cơ Stirling đã bị các loại động cơ đốt trong thay thế
dần.
Gần đây, động cơ Stirling lại đợc nhiều cơ sở nghiên cứu và các hãng
chế tạo động cơ quan tâm tới do khả năng sử dụng các nguồn nhiệt thay thế
để sinh công cơ học, đặc biệt là khả năng chạy bằng năng lợng mặt trời.
Động cơ Stirling đã và đang đợc thử nghiệm sử dụng trong nhiều lĩnh vực, ví
dụ : làm lạnh, phát điện, dẫn động chân vịt tàu thuỷ, v.v. Mới đây, động cơ
Stirling còn đợc nghiên cứu sử dụng trong kĩnh vực chinh phục vũ trụ.
Mặc dù đã ra đời từ trớc khi có động cơ xăng, động cơ diesel và đã có
giai đoạn đợc sử dụng khá phổ biến ở châu Âu, nhng động cơ Stirling hầu

nh không có mặt trong các tài liệu chuyên ngành bằng tiếng Việt, thậm chí
thuật ngữ Động cơ Stirling cũng khá xa lạ với số đông sinh viên ngành Cơ khí
Động lực ở Việt nam.
Đề tài " Phân tích chu trình nhiệt động, đặc điểm kết cấu và khả năng
ứng dụng động cơ Stirling trong ngành thuỷ sản Việt Nam" nhằm mục tiêu
chính là nghiên cứu động cơ Stirling về phơng diện lý thuyết, trên cơ sở đó đề
xuất khả năng phát triển và sử dụng động cơ Stirling bên cạnh các nguồn động
lực khác phổ biến hiện nay. Ngoài ra, đề tài sẽ cung cấp những t liệu tham
khảo cần thiết về động cơ Stirling phục vụ đào tạo chuyên ngành Cơ khí Động
lực - vấn đề còn rất xa lạ đối với sinh viên trờng Đại học Thuỷ sản.


8

Chng 1

TổNG QUAN Về ĐộNG CƠ STIRLING

1.1. đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động
cơ stirling
Động cơ Stirling do ông Robert Stirling - mục s ngời Scotland - sáng
chế vào năm 1816 với tên gọi ban đầu là động cơ khí nóng. Trong hệ thống
phân loại động cơ, động cơ Stirling đợc xếp vào nhóm động cơ đốt ngoài, đó
là loại máy có chức năng chuyển hoá nhiệt năng thành cơ năng, trong đó nhiệt
đợc sinh ra bằng cách đốt cháy nhiên liệu bên ngoài không gian công tác của
động cơ.
Cho đến nay, những kiểu động cơ Stirling đã đợc nghiên cứu và chế
tạo có cấu trúc khá đa dạng, có công suất từ vài W đến hàng ngàn kW và
đợc sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau.
Bảng 1.1. Phân loại tổng quát động cơ Stirling:

Tiêu chí phân loại Phân loại
Môi chất công tác
. Không khí
. Hydrogen (H
2
)
. Helium (He)
Nguồn nhiệt
. Nhiên liệu
. Năng lợng mặt trời
. Địa nhiệt
Đặc điểm cấu tạo
. Động cơ Stirling kiểu alpha
. Động cơ Stirling kiểu beta
. Động cơ Stirling kiểu gamma
. Động cơ một xylanh
. Động cơ nhiều xylanh
Công dụng
. Tổ hợp máy phát điện Stirling
. Máy lạnh Stirling ,





9

1.1.1. Động cơ Stirling kiểu Alpha
Động cơ Stirling kiểu alpha còn đợc gọi là động cơ Stirling kiểu hai piston
(two pistons type Stirling engine) đợc cấu thành từ các bộ phận cơ bản với

chức năng nh sau :
Bộ cấp nhiệt - bộ phận có chức năng cấp nhiệt cho môi chất công
tác (MCCT). MCCT thờng dùng cho động cơ Stirling là không khí, hydrogen
(H
2
) hoặc helium (He). Nguồn nhiệt cho động cơ Stirling có thể là xăng, dầu,
than, củi, năng lợng mặt trời, v.v.
Bộ hồi nhiệt - bộ phận có chức năng thu nhận nhiệt của MCCT khi
nó đi từ không gian dãn nở có nhiệt độ cao sang không gian nén có nhiệt độ
thấp hơn và truyền lại phần nhiệt đã thu nhận cho MCCT khi MCCT đi ngợc
trở lại. Có thể xem bộ hồi nhiệt nh một thiết bị tận dụng năng lợng. Động cơ
Stirling vẫn có thể hoạt động khi không có bộ hồi nhiệt nhng khi đó hiệu suất
của động cơ sẽ thấp hơn.
Bộ làm mát - là nơi MCCT thải nhiệt ra môi trờng bên ngoài. ở
động cơ Stirling, MCCT có thể đợc làm mát bằng không khí hoặc nớc.
Piston dãn nở và piston nén - Piston dãn nở là bộ phận tiếp nhận
áp lực của MCCT khi dãn nở để sinh công cơ học. Piston nén là bộ phận có
chức năng nén và đẩy MCCT từ không gian nén qua các bộ trao đổi nhiệt về
không gian dãn nở. Hai piston dãn nở và nén đợc đặt lệch pha nhau một góc
90
0
.
Xylanh dãn nở và xylanh nén - Xylanh dãn nở là bộ phận dẫn
hớng piston dãn nở và cùng với piston dãn nở tạo ra không gian dãn nở.
Xylanh nén là bộ phận dẫn hớng piston nén và cùng với piston nén tạo ra
không gian nén.
Không gian dãn nở - không gian nằm giữa piston dãn nở và bộ cấp
nhiệt. Tại không gian dãn nở, MCCT có nhiệt độ và áp suất cao sẽ dãn nở
đồng thời đẩy piston dãn nở từ ĐCT đến ĐCD để sinh công.
Không gian nén - là nơi MCCT đợc làm mát sau khi đợc đẩy từ

không gian dãn nở qua, sau đó đợc nén và đẩy trở lại không gian dãn nở.


10

Cơ cấu truyền lực - bao gồm các bộ phận có chức năng tiếp nhận
lực đẩy của MCCT và truyền lực đó đến các hộ tiêu thụ đồng thời phối hợp
chuyển động của các piston. Cơ cấu truyền lực của động cơ Stirling kiểu alpha
có thể có cấu tạo kiểu thanh truyền - trục khuỷu tơng tự nh ở ĐCĐT thông
dụng hoặc có thể có các cấu trúc đặc biệt khác (xem H. 1.3, H. 1.4).

H. 1.1. Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu alpha
1- Trục khuỷu, 2- Thanh truyền, 3- Xylanh lực, 4- Piston dãn nở,
5- Không gian dãn nở, 6- Bộ cấp nhiệt, 7- Bộ hồi nhiệt, 8- Bộ làm
mát, 9- Không gian nén, 10- Piston nén, 11- Bánh đà
Tơng tự nh động cơ xăng và diesel thông dụng, động cơ Stirling hoạt
động theo kiểu chu kỳ, tức là có các chu trình công tác nối tiếp nhau. Mỗi chu
trình công tác là một giai đoạn làm việc tơng ứng với một lần sinh công.
Nguyên lý hoạt động và chu trình lý thuyết của động cơ Stirling đợc thể hiện


11

trên H. 1.2. Mỗi chu trình công tác của động cơ Stirling kiểu alpha bao gồm 4
quá trình cơ bản nh sau :
1) Quá trình nén - trong quá trình nén, cả piston dãn nở và piston nén
đều đi lên, MCCT đợc nén lại trong không gian giữa 2 đỉnh của 2 piston (H.
1.2a). Trong quá trình nén, MCCT trong không gian nén đợc làm mát để duy
trì nhiệt độ không đổi T
min

. Quá trình nén kết thúc khi piston dãn nở tới ĐCT.
Quá trình nén đợc thể hiện trên chu trình lý thuyết bằng bằng đờng 1-2.
2) Quá trình cấp nhiệt - trong mỗi chu trình công tác, MCCT lu thông
một lần từ không gian dãn nở sang không gian nén và một lần ngợc trở lại.
Trên đờng lu thông từ không gian nén sang không gian dãn nở, MCCT đợc
sấy nóng đến nhiệt độ T
R
trong bộ hồi nhiệt rồi sau đó đợc đốt nóng đến nhiệt
độ T
max
và áp suất p
max
trong bộ cấp nhiệt rồi đi vào không gian dãn nở. Quá
trình cấp nhiệt kết thúc khi piston nén tới ĐCT và đợc biểu diễn bằng đoạn 2-
3 trên đồ thị công (H. 1.2b). Trong quá trình cấp nhiệt, piston dãn nở đi xuống,
còn piston nén đi lên nên thể tích của MCCT là không đổi (cấp nhiệt đẳng
tích).
3) Quá trình sinh công - với nhiệt độ T
max
và áp suất p
max
, MCCT trong
không gian dãn nở sẽ đẩy piston dãn nở chuyển động về phía ĐCD và sinh
công cơ học. Quá trình dãn nở kết thúc khi piston dãn nở tới ĐCD (H. 1.2c).
4) Quá trình nhả nhiệt - sau khi đã dãn nở để sinh công, MCCT đợc
piston dãn nở đẩy từ không gian dãn nở sang không gian nén. Trên đờng đi
qua các bộ trao đổi nhiệt, một phần nhiệt của MCCT đợc thu hồi khi đi qua bộ
hồi nhiệt. Trong quá trình nhả nhiệt, piston dãn nở đi lên và piston nén đi
xuống nên thể tích của MCCT là không đổi.

12



1
2
3
4
p
V
T
s
43
2 1
T
max
T
min

H. 1.2. Nguyªn lý ho¹t ®éng vµ chu tr×nh lý thuyÕt cña ®éng c¬ Stirling



13

H.1-3. Động cơ Stirling kiểu Alpha với cơ cấu Ross-Yoke (a)
và với cơ cấu Ross-Rocker-V (b)
Các piston có thể đợc dẫn động bằng thanh truyền - trục khuỷu (H.
1.1), bằng cơ cấu Ross (H. 1.3) hoặc cơ cấu cam đặc biệt (swashplate) (H.
1.5).
Các đơn vị động cơ Stirling kiểu alpha mô tả ở trên có thể đợc liên kết lại
thành kết cấu nhiều xylanh để cho công suất lớn hơn. Trong trờng hợp này,
không gian giãn nở của một xylanh đợc nối với không gian nén của xylanh kế
tiếp theo một chuỗi kết nối: xylanh, bộ cấp nhiệt, bộ hồi nhiệt và bộ làm mát.
Sơ đồ động cơ Stirling kiểu Alpha 4 xylanh đợc thể hiện trên H.1-4.
H. 1.5 giới thiệu kết cấu động cơ Stirling kiểu alpha với ký hiệu STM 4-120
của hãng STM Power với 4 piston. Các piston đợc dẫn động bằng cơ cấu
cam đặc biệt và chuyển động qua lại theo dạng hình sin với góc lệch pha là
90
0
giữa các xylanh kề nhau.


(a
)

(b
)



14

H.1.4. Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu Alpha nhiều xy lanh.


H.1.5. Động cơ Stirling STM 4 -120 của hãng STM Power

1.1.2. Động cơ Stirling kiểu beta
Động cơ Stirling kiểu beta còn đợc gọi là động cơ Stirling kiểu piston
phụ. Các bộ phận cơ bản của động cơ Stirling kiểu beta bao gồm: piston lực,


15

piston phụ, bộ cấp nhiệt, bộ hồi nhiệt, bộ làm mát, cơ cấu truyền lực (H. 1.6).
Piston lực và piston phụ cùng đợc đặt trong một xylanh. Piston phụ chỉ có
nhiệm vụ đẩy MCCT từ không gian nén sang không gian giãn nở. Các bộ phận
khác có chức năng tơng tự nh ở động cơ Stirling kiểu alpha.



H.1.6. Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu Beta




16

a) b)
c) d)

H.1.7. C¸c qu¸ tr×nh lµm viÖc cña ®éng c¬ Stirling kiÓu Beta

Nguyªn lý lµm viÖc cña ®éng c¬ Stirling kiÓu beta nh sau:


17

1) Quá trình nén - quá trình nén bắt đầu khi piston phụ đi từ ĐCT về phía
ĐCD, lúc này piston lực đi từ điểm giữa hành trình lên ĐCT (H.1.7a). MCCT
đợc nén lại và tiếp tục đợc làm mát để duy trì nhiệt độ không đổi. Quá trình
nén kết thúc khi piston lực lên đến ĐCT.
2) Quá trình cấp nhiệt - MCCT từ không gian nén đợc piston phụ đẩy
sang không gian giãn nở (H.1.7b). Khi đi qua bộ hồi nhiệt, MCCT đợc sấy
nóng đến nhiệt độ T
R
rồi sau đó đợc đốt nóng đến nhiệt độ T
max
và áp suất
p
max
trong bộ cấp nhiệt và đi vào không gian giãn nở. Quá trình cấp nhiệt kết
thúc khi piston phụ tới ĐCD. Do cả hai piston cùng đi xuống nên thể tích của
MCCT trong quá trình cấp nhiệt là không đổi.
3) Quá trình giãn nở - Với nhiệt độ và áp suất cao trong không gian giãn
nở, MCCT giãn nở đẩy piston lực đi xuống và sinh công (H.1.7c). Quá trình
dãn nở kết thúc khi piston lực tới ĐCD.
4) Quá trình làm mát - piston phụ đi lên và đẩy MCCT từ không gian giãn
nở sang không gian nén (H.1.7d). Trên đờng đi qua các bộ trao đổi nhiệt, một
phần nhiệt của MCCT đợc truyền cho bộ hồi nhiệt, một phần đợc truyền cho
môi chất làm mát trong bộ làm mát. Do ở giai đoạn này cả hai piston cùng đi

lên nên thể tích của MCCT không thay đổi. Giai đoạn làm mát đẳng tích kết
thúc khi piston phụ lên đến ĐCT.

1.1.3. Động cơ Stirling kiểu gamma
Động cơ Stirling kiểu gamma thuộc nhóm động cơ Stirling kiểu piston phụ
và có cấu tạo tơng tự nh động cơ Stirling kiểu beta, nhng piston lực và
piston phụ đợc đặt trong hai xylanh riêng biệt (H.1.8). Tơng tự nh động cơ
Stirling kiểu beta, piston phụ chỉ có nhiệm vụ đẩy MCCT từ không gian nén
sang không gian giãn nở. Piston lực có nhiệm vụ tiếp nhận lực giãn nở của
MCCT và truyền ra ngoài dới dạng công cơ học.



18



H.1.8. Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu gamma

Các quá trình làm việc của động cơ Stirling kiểu gamma đợc thể hiện
trên H.1.9.
1) Quá trình nén - piston phụ đi xuống từ ĐCT và piston lực đi lên
MCCT đợc nén lại và tiếp tục đợc làm mát để giữ nhiệt độ không đổi
(H.1.9a). Quá trình nén kết thúc khi piston lực lên đến ĐCT.
2) Quá trình cấp nhiệt - piston phụ tiếp tục đi xuống và đẩy toàn bộ
MCCT trong không gian nén sang không gian giãn nở đi qua các bộ trao đổi
nhiệt (H.1.9b). Tại bộ hồi nhiệt MCCT đợc sấy nóng và tăng nhiệt độ lên đến
T
R
và tiếp tục đợc nung nóng đến nhiệt độ T

max
khi đi ngang qua bộ cấp nhiệt.
ở giai đoạn này cả hai piston cùng đi xuống do đó thể tích MCCT không thay
đổi. Giai đoạn cấp nhiệt đẳng tích kết thúc khi piston phụ xuống đến ĐCD.


19




H.1.9. Các giai đoạn làm việc của động cơ Stirling kiểu gamma
3) Quá trình dãn nở sinh công - MCCT sau khi đợc cấp nhiệt có nhiệt
độ và áp suất cao, giãn nở đẩy piston lực đi xuống (H.1.9c). Quá trình giãn nở
sinh công kết thúc khi piston lực xuống đến ĐCD.
4) Giai đoạn làm mát - piston phụ đi lên và đẩy MCCT từ không gian giãn
nở sang không gian nén (H.2-8d). Giai đoạn làm mát đẳng tích kết thúc khi
piston phụ lên đến ĐCT.
1.2. so sánh động cơ stirling và động cơ đốt trong
1.2.1. so sánh các loại động cơ Stirling
So sánh động cơ stirling kiểu hai piston với kiểu piston phụ
Yêu cầu đối với việc làm kín không gian công tác ở động cơ Stirling là rất
cao, đặc biệt trong trờng hợp MCCT không phải là không khí mà là các chất
dễ cháy nổ hoặc có giá thành cao nh hydrogen (H
2
) hoặc helium (He). Việc
(a) (b)
(c) (d)

20

làm kín không gian công tác ở động cơ Stirling kiểu piston phụ (động cơ kiểu
beta và kiểu gamma) thuận lợi hơn vì chỉ cần xecmang kín khí cho một piston
(piston lực). Một u điểm nữa của động cơ kiểu piston phụ là khối lợng
chuyển động tịnh tiến toàn bộ có thể nhỏ hơn ở động cơ kiểu hai piston (động
cơ kiểu alpha). Chính điều này làm cho động cơ kiểu piston phụ dễ cân bằng
và ít rung động. Piston phụ không tạo ra cơ năng mà chỉ chịu lực khí thể xuất
hiện do tổn thất dòng khí động lực học và lực quán tính của bản thân nó. Vì
vậy nó có kết cấu nhẹ nên chỉ cần thanh truyền, ổ đỡ có khối lợng nhỏ. Điều
này làm giảm đáng kể trọng lợng và tổn thất ma sát.
Công suất của động cơ Stirling (theo cách tính gần đúng) là một hàm
tuyến tính của áp suất môi chất công tác. Vì vậy, để có thể nâng cao công suất
riêng ta có thể tăng áp động cơ. ở những động cơ nhỏ việc tăng áp hộp trục
khuỷu rất thuận tiện. Điều này không chỉ làm giảm nhẹ chức năng làm kín của
xecmang, mà còn giảm bớt yêu cầu về độ bền của cụm piston - thanh truyền -
ổ đỡ.
So sánh động cơ kiểu beta và kiểu gamma
Động cơ Stirling kiểu beta và kiểu gamma đều thuộc nhóm động cơ kiểu
piston phụ.
Trong động cơ kiểu gamma, xylanh của piston phụ và xylanh của piston
lực tách rời nhau và đợc nối với nhau bằng một ống nối, bởi vậy thể tích này
không thể giảm xuống bằng không. Do đó thể tích chết của xylanh (thể tích
mà piston không quét tới) tăng lên và làm giảm công suất riêng của động cơ.
Với động cơ kiểu beta, ứng với mỗi vòng quay của trục khuỷu, piston phụ
và piston lực cùng quét một phần của xylanh ở các thời điểm khác nhau nên
hiệu quả sử dụng không gian công tác của xylanh tốt hơn.
So với động cơ kiểu beta, động cơ kiểu gamma có u điểm là dể bố trí cơ
cấu dẫn động bằng thanh truyền trục khuỷu, vấn đề làm kín không gian công
tác cũng dễ dàng hơn.

1.2.2. so sánh động cơ Stirling với đcđt
So với ĐCĐT thông dụng (động cơ xăng và diesel), động cơ Stirling có
những u điểm sau đây :


21

1) Động cơ Stirling có thể chạy đợc bằng bất kỳ loại nhiên liệu nào, từ
nhiên liệu hoá thạch (than đá, sản phẩm dầu mỏ) đến nhiên liệu tái tạo nh
gổ, củi, .v.v. Ngoài ra, động cơ Stirling cũng có thể hoạt động tốt với các nguồn
nhiệt thiên nhiên nh địa nhiệt, năng lợng mặt trời.
Nếu chạy bằng năng lợng mặt trời hoặc địa nhiệt thì động cơ Stirling có
thể coi là loại động cơ sạch. Ngay cả trong trờng hợp chạy bằng các loại
nhiên liệu truyền thống (xăng, dầu diesel, ) thì nguy cơ gây ô nhiểm môi
trờng bởi khí thải cũng thấp hơn nhiều do quá trình cháy ở động cơ Stirling
diễn ra liên tục bên ngoài không gian công tác của động cơ nên việc đảm bảo
cho quá trình cháy diễn ra hoàn toàn dễ dàng hơn nhiều so với trờng hợp
ĐCĐT.
2) Chu trình công tác của động cơ Stirling thuộc loại chu trình kín, tức là
không có sự trao đổi MCCT với môi trờng bên ngoài nên động cơ Stirling có
thể hoạt động ở bất cứ nơi đâu nếu có sự chênh lệch nhiệt độ.
3) Độ ồn và rung động khi hoạt động của động cơ Stirling thấp hơn do
không có sự biến đổi áp suất của MCCT một cách đột ngột và không có cơ
cấu nạp - xả nh ở ĐCĐT.
4) Sản phẩm cháy không tiếp xúc trực tiếp với các bộ phận chuyển
động, vì vậy cờng độ mài mòn và ăn mòn thấp hơn, tuổi thọ động cơ lớn hơn.
Lợng tiêu thụ dầu bôi trơn gần nh không đáng kể.

22

1.3. lịch sử phát triển động cơ stirling











H.1.10. Robert Stirling và mô hình động cơ do ông sáng chế (1816)
Động cơ Stirling đợc sáng chế vào năm 1816. Lúc mới ra đời, động cơ
Stirling đợc đánh giá rất cao về tính an toàn vì nó không bị nổ nh trờng hợp
nồi hơi của động cơ hơi nớc phổ biến vào thời gian đó.
Thành công rực rỡ của loại động cơ Stirling do J. Ericsson - kỹ s ngời
Thụy Điển - mang lại với việc chế tạo động cơ Stirling có công suất 0,5 5 HP
và đã bán đợc gần 2000 chiếc ở Anh và Mỹ vào khoảng năm 1850. Sau thời
gian này, động cơ Stirling tiếp tục đợc chế tạo và hoàn thiện về kết cấu cũng
nh nâng cao công suất và hiệu suất. Tuy nhiên, sau khi xuất hiện động cơ
xăng (1878) và động cơ diesel (1893), động cơ Stirling đã đợc sản xuất ít dần

và gần nh bị lãng quên trong một thời gian dài trong suốt nửa đầu thế kỷ XX.
Vào khoảng năm 1940, động cơ Stirling lại xuất hiện khá phổ biến dới
dạng tổ hợp máy phát điện xách tay do công ty Philips (Hà Lan) chế tạo. Cũng
vào khoảng thời gian này, động cơ Stirling cũng đợc nghiên cứu và thử
nghiệm nh là một loại máy lạnh. Tuy nhiên, chỉ một thời gian ngắn sau đó,
một lần nữa động cơ Stirling dới dạng máy phát điện cỡ nhỏ lại bị loại bỏ dần
bởi sự xuất hiện của acqui - nguồn cung cấp điện năng tiện dụng hơn nhiều.



23














H. 1.11. Tổ hợp Động cơ Stirling - Máy phát điện của công ty Philips

Tuy nhiên, động cơ Stirling vẫn đợc quan tâm trong suốt thế kỷ XIX bởi
tính chất có một không hai của loại động cơ này là: nếu chu trình nhiệt động
H. 1.13. Động cơ Stirling 2 kW do
Viện nghiên cứu tàu thuỷ
của Nhật chế tạo


H.1.12. Động cơ Stirling
hoạt động với năng lợng
của một ngọn đèn dầu



24

học đợc thực tiễn hoá thì hiệu suất nhiệt của động cơ Stirling sẽ tơng đơng

hiệu suất nhiệt động cơ với chu trình carnot, tức là hiệu suất nhiệt sẽ cao hơn
của bất kỳ động cơ nhiệt nào đã đợc sáng chế.
Năm 1938, công ty N.V. Phillips Glaxilampen Fabrieken của Hà Lan mới
bắt đầu nghiên cứu chế tạo và sản xuất động cơ Stirling cung cấp cho thị
trờng. Và cùng với công ty Phillips, rất nhiều nhà khoa học đã trở lại đầu t
nghiên cứu động cơ Stirling. Đối với động cơ Stirling, hiệu suất 40%, và công
Suất 82 kW trên 1 lít thể tích quét là hoàn toàn có thể đạt đợc, và với những
công trình nghiên cứu đang đợc tiến hành, những con số có ý nghĩa này còn
có thể nâng cao hơn nữa.
Những nghiên cứu phát triển ứng dụng động cơ Stirling trên phơng tiện
vận chuyển cũng đã đợc các nhà sản xuất ô tô quan tâm từ giữa thế kỷ trớc
XX. Mặt khác, do có thể biến đổi trực tiếp năng lợng mặt trời thành cơ năng
nên động cơ Stirling rất đợc quan tâm nghiên cứu ứng dụng trên các con tàu
không gian từ năm 1995. Ngày nay, nghiên cứu động cơ Stirling để sử dụng
các nguồn năng lợng tái sinh cũng đang đợc đẩy mạnh.

25

Chương 2

CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING
2.1. CHU TRÌNH LÝ THUYẾT CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING
2.1.1. ĐỒ THỊ CÔNG VÀ ĐỒ THỊ NHIỆT CỦA CHU TRÌNH
LÝ THUYẾT CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING
Chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt bao gồm tất cả những sự thay đổi
về trạng thái của MCCT diễn ra trong một giai đoạn làm việc tương ứng với một
lần sinh công. Mục tiêu nghiên cứu chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt là
xác định và phân tích ảnh hưởng của những yếu tố khác nhau đến Hiệu suất
nhiệt của chu trình () và Áp suất trung bình của MCCT (p
m
) - các chỉ tiêu kinh
tế kỹ thuật cơ bản của chu trình nhiệt động của động cơ nhiệt, trên cơ sở đó có
cơ sở để tính toán thiết kế, đồng thời tìm biện pháp nâng cao hiệu suất và công
suất của động cơ.
Tương tự như ở ĐCĐT, chu trình nhiệt động thực tế của động cơ Stirling
chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố khác nhau, các yếu tố đó lại ảnh hưởng
tương tác lẫn nhau nên cho đến nay chỉ có thể xác định được  và p
m
của nó một
cách chính xác khi đã có động cơ thực tế. Nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của các
thông số và các quá trình nhiệt động cơ bản đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của

chu trình, từ đó có thể đề ra các biện pháp tăng hiệu suất và công suất của động
cơ thực tế, người ta thường đưa ra các giả định đơn giản hoá các quá trình nhiệt
động thực tế để có thể xây dựng được các chu trình nhiệt động ngay từ trong giai
đoạn nghiên cứu lý thuyết hoặc trong giai đoạn thiết kế động cơ. Tuỳ thuộc vào
mức độ đơn giản hoá, chúng ta sẽ có chu trình lý thuyết hoặc chu trình tính toán
của động cơ nhiệt.
Để xây dựng chu trình lý thuyết của động cơ Stirling, chúng ta có thể
minh họa cấu trúc động cơ như trên H. 2.1. với những giả định như sau :
 MCCT là khí lý tưởng (có nhiệt dung riêng không đổi và tuân theo
phương trình trạng thái PV = RT).
 Nhiệt độ trong buồng dãn nở luôn được duy trì ở trị số T
max
, nhiệt độ
trong buồng nén luôn được duy trì ở trị số T
min
.


26

 Bộ hoàn nhiệt nhận nhiệt và nhả nhiệt theo chu kỳ và luôn có một
gradient nhiệt độ T
max
- T
min
qua mặt cắt ngang của bộ hoàn nhiệt.
 Không có không gian chết, tức là coi không gian nối buồng nén với
buồng dãn nở bằng không.
 Bỏ qua các tổn thất do ma sát khi các piston chuyển động và sự rò rỉ
MCCT.

Piston nÐn Piston ld·n në
Bé håi nhiÖt
Bé lµm m¸t Bé cÊp nhiÖt
Buång nÐn Buång d·n në


1
2
3
4
p
V
T
s
43
2 1
T
max
T
min

H. 2.1. Mô hình cấu trúc và chu trình lý thuyết của động cơ Stirling
Giả sử điểm đầu của chu trình tương ứng với thời điểm piston nén đang ở
ĐCD (vị trí ngoài cùng bên phải) và piston dãn nở đang ở ĐCT (vị trí trong
cùng, gần sát với bộ hoàn nhiệt). Tất cả MCCT lúc đó đang ở trong buồng nén,
thể tích MCCT là cực đại, vì vậy áp suất và nhiệt độ của MCCT có trị số nhỏ
nhất, tương ứng với điểm 1 trên đồ thị p-V và T-S (H. 2.1).
Trong quá trình nén, piston nén di chuyển về phía ĐCT và piston dãn nở
được xem như đứng yên. MCCT bị nén lại trong buồng nén, thể tích của nó

giảm, áp suất tăng lên, nhiệt độ được duy trì không đổi ở trị số T
min
do được làm
mát. Nhiệt lượng truyền từ buồng nén ra môi trường xung quanh là Q
c
. Quá
trình nén lý thuyết được biểu diễn bằng đoạn 1-2 trên đồ thị.


27

Trong quá trình tiếp theo, cả hai piston đều di chuyển đồng thời: piston nén
tiếp tục di chuyển về phía ĐCT (về phía bộ hoàn nhiệt) còn piston dãn nở thì di
chuyển về phía ĐCD. MCCT di chuyển từ buồng nén sang buồng dãn nở với thể
tích không đổi. Trong khi đi qua bộ hoàn nhiệt, MCCT được sấy nóng từ nhiệt
độ T
min
bởi lượng nhiệt truyền từ bộ hoàn nhiệt. Khi đi qua bộ cấp nhiệt, MCCT
được đốt nóng đến nhiệt độ T
max
và đi vào buồng dãn nở ở nhiệt độ T
max
. Sự gia
tăng nhiệt độ trong khi đi qua bộ hoàn nhiệt và bộ cấp nhiệt ở thể tích không đổi
sẽ làm gia tăng áp suất. Như vậy, quá trình cấp nhiệt cho MCCT diễn ra trong
điều kiện đẳng tích và được biểu diễn bằng đoạn 2-3. Quá trình này kết thúc tại
thời điểm piston nén tới ĐCT.
Tiếp theo, piston nén sẽ đứng yên tại ĐCT, piston dãn nở tiếp tục bị MCCT
trong buồng dãn nở đẩy về phía ĐCD. Thể tích của MCCT tăng lên, áp suất
giảm xuống nhưng nhiệt độ vẫn được duy trì ở trị số T

max
do MCCT tiếp tục
được cấp nhiệt lượng Q
E
từ bộ cấp nhiệt. Giai đoạn này được biểu diễn bằng
đoạn 3-4. Thời điểm cuối của quá trình là khi piston dãn nở tới ĐCD.
Quá trình cuối của chu trình là quá trình trong đó cả 2 piston đều dịch
chuyển về phía trái để đưa MCCT từ buồng dãn nở sang buồng nén. Khi qua bộ
hoàn nhiệt, MCCT nhả nhiệt cho bộ hoàn nhiệt, nhiệt độ của nó giảm xuống T
min

và đi vào buồng nén. Quá trình này được thể hiện bằng đoạn 4-1.
Như vậy, chu trình lý thuyết của động cơ Stirling được cấu thành từ 4 quá
trình nhiệt động cơ bản như sau :
 Nén đẳng nhiệt 1-2
 Cấp nhiệt (đốt nóng) đẳng tích 2-3
 Dãn nở đẳng nhiệt 3-4
 Nhả nhiệt (làm lạnh) đẳng tích 4-1

2.1.2. HIỆU SUẤT NHIỆT CỦA CHU TRÌNH LÝ THUYẾT
CỦA ĐỘNG CƠ STIRLING
Một số ký hiệu qui ước :
 Tỉ số nhiệt độ :
min
max
T
T


(2.1)

28

 Tỉ số thể tích :
min
max
V
V
r 
(2.2)
 Thể tích của MCCT tại điểm 1 :
1
1
1
P
RT
V 
(2.3)
1) Quá trình nén đẳng nhiệt 1-2
Trong quá trình nén đẳng nhiệt này, nhiệt từ môi chất công tác thoát ra
ngoài. Công thực hiện để nén môi chất công tác có giá trị bằng về độ lớn với
nhiệt lượng thoát ra ngoài từ chu trình. Không có sự thay đổi nội năng, và có sự
giảm của Entropy.
T
2
= T
1
= T
min

rp
V
V
pp
1
2
1
12

(2.4)
Nhiệt lượng truyền Q bằng công thực hiện W:















r
RT

r
VpWQ
1
ln
1
ln
111
(2.5)
Sự thay đổi Entronpy:

 







r
RSS
1
ln
12
(2.6)
2) Quá trình cấp nhiệt đẳng tích 2-3
Trong quá trình này, nhiệt truyền từ bộ hoàn nhiệt đến môi chất công tác
làm tăng nhiệt độ T
min
đến T
max

. Không có công nào được thực hiện và có sự
tăng Entropy và nội năng của môi chất công tác.


2
2
3
23
p
T
T
pp 
, V
3
= V
2
(2.7)
Nhiệt lượng truyền
Q = C
v
( T
3
-T
2
) (2.8)
Công thực hiện
W = 0
Sự thay đổi Entropy:










1
ln
23 v
CSS
(2.9)