thiết kế động cơ stirling chạy bằng nguồn điện

w
w íỉ/t
íỉ/t /â/
/â/nựÁ/êp
nựÁ/êp
&/i/ểỉ
&/i/ểỉ /kê
/kêđợềiự.
đợềiự.
fỹ//W/ếtạ
fỹ//W/ếtạ
e/ụiự
e/ụiự
ắtì/tạắtì/tạ
MỢỈUMỈ
ếỉỢỉuuỉ
tĩĩệ/ttĩĩệ/t
4.1. CÁC THÔNG SỐ THIET
KE CƠ BAN
31
MỤC LỤC
4.2. ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG số KHÁC NHAU ĐEN
Trang
ĐỘNG
STĨRLING
34
LỜĨ
NÓĨCơĐẦU
5
1. NGHIÊN
4.3. ĐỒ THỊ

CỬU
THIẾT
TỔNG
KE QUAN
HỘP NHÁT
VỀ ĐỘNG cơ STIRLING
739
4.4. GIỚI
MÔI CHẤT
43
1.1.
THIỆUCÔNG TÁC
7
1.2.
4.5. MỘT
BỘ HOÀN
VÀI MÔ
NHIỆT
HÌNH ĐỘNG CỦA ĐỘNG cơ STIRLING
46
9
4.6. LỊCH
THIẾTSỬ
KẾPHÁT
TÍNHTRIEN
TOÁNĐỘNG
ĐỘNG
STIRLING
CHẠY
1.3.

CƠcơ
NHIỆT
VÀ ĐỘNG
Cơ STĨRLĨNG
12
BẰNG NGUỒN
48
1.4. MỤCĐIỆN
ĐÍCH NGHIÊN cửu
14
2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG HỌC STIRLING
15
4.6.1.
Kết cấu
2.1. NGUYÊN
LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CHU TRÌNH NHIỆT
ĐỘNG HỌC
15
48
2.2. HIỆU SUẤT NHIỆT LÝ THUYET
19
3. PHÂN LOẠI ĐỘNG cơ STIRLING
21
4.6.2. THIỆU
3.1. GIỚI
21Ng
3.2. CÁC LOẠI ĐỘNG cơ STIRLING
21
uyên lý làm việc và chu trình nhiệt động học
50

3.2.1.
Độn
g cơ piston - con trượt
23
4.6.3.
Tính toán nhiệt động học và hiệu suất
3.2.2.
Động cơ piston
25
53
3.3. SO SÁNH CẤC LOẠI ĐỘNG cơ STIRLING
28
3.3.1.
Độn
5. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỘNG cơ STIRLING
65
g cơ piston - con trượt với động cơ piston
28
5.1. ƯU Động
ĐIEMcơ piston - con trượt xylanh đơn vđi động cơ
65
3.3.2.
5.2.
NHƯỢC
ĐIỂM
66
piston con trượt xylanh riêng
29
KẾT4.LUẬN
69

THIẾT KẾ TÍNH TOÁN ĐỘNG cơ STIRLING
31
TÀI LIỆU THAM KHẢO
71

(/3iY/
<73à/í
—Ẩỉếỉp
ỢJà/
@ếí/ĩự
—Ẩtâp

'Tr/ỉ/ểí/34
^Tr/ỉ/iợ


íí/t /â/ nựÁ/êp

&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉỉSMỉ tĩĩệ/t

LỜI NÓI ĐẦU
Từ lâu nay, vấn đề năng lượng là một vấn đề quan tâm hàng đầu của
mọi người. Nguồn dầu mỏ trên thế giổi dù rất phong phú, nhũng sự khai khác
dầu mỏ một cách ồ ạt như hiện nay đã làm cho nguồn dầu mỏ ngày càng cạn
kiệt dần, do đó giá dầu sẽ tăng cao. Hơn nữa, trong thòi đại ngày nay, khi mà
vấn đề môi trường đang là vấn đề toàn cầu, môi trưòng đang bị ô nhiễm nặng,
mà một trong những nguyên nhân chính đó là do khí thải của động cơ. Nồng
dộ của những chất gây ô nhiễm trong khí xả động cơ như NO x, co, HC, bồ
hóng ... có xu hưdng gia tăng mạnh mẽ cùng với sự gia tăng nồng độ CO ?,
chất khí gây hiệu ứng nhà kính làm tăng nhiệt độ bầu khí quyển, đã là đề tài

bàn cãi ổ nhiều diễn đàn quốc té và khu vực.
Tất cả những vấn đề dó, dời hỏi ngành động cơ phải có những giải pháp
thích hợp. Động cơ đót trong ngày nay dần dần sẽ được thay thế bằng các loại
động cơ khác, trong đó động cơ Stirling đang được sự quan tâm của nhiều
ngưòi. Đây là loại động cơ dốt ngoài sử dụng môi chất công tác thể khí. Động
cơ có kết cấu đơn giản, không có các hệ thống phức tạp như hệ thống điện, hệ
thống phun nhiên liệu... Động cơ Stirling cung cấp công theo một chu trình
trong đó piston nén khí ỏ nhiệt độ thấp và cho khí giãn nỏ ỏ nhiệt độ cao.
Động cơ này có thể dùng bất kỳ nguồn nhiệt nào, qúa trình cấp nhiệt có thể
thực hiện bên trong hay bên ngoài xylanh...
ở đồ án tót nghiệp này, em giối thiệu tổng quát về động cơ nhiệt và
động cơ Stirling, nêu mục đích nghiên cứu, tìm hiểu các loại kết cấu khác
nhau của động cơ, nêu ưu nhược điểm của nó, tìm hiểu nguyên lý hoạt động

(/3iY/ <73à/í

—Ẩỉếỉp

'Tr/ỉ/ểí/ 5


íí/t /â/ nựÁ/êp

&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉỉSMỉ tĩĩệ/t

của động cơ Stirling bằng hình ảnh động, nghiên cứu lý thuyết và thiết kế một
động cơ Stirling chạy bằng nguồn điện làm cơ sỏ để nghiên cứu phát triển các
loại động cơ Stirling khác.
Trong quá trình hoàn thành đồ án, mặc dù bản thân em đã có gắng,
nhưng chắc không tránh khỏi sai sót. Vì vậy em mong được sự chỉ bảo của

thầy cô và các bạn để việc nghiên cứu thiết kế động cơ được hoàn thiện hón.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy Trần Văn Nam và các thầy cô giáo
đã giúp đổ để em hoàn thành đồ án này.
Đà Nằng, ngày 25 tháng 5 năm 2003
Sinh viên thực hiện

Bùi Văn cảng

(/3iY/ <73à/í

—Ẩỉếỉp

'Tr/ỉ/ểí/

6


íí/t /â/ nựÁ/êp

(7/i/ểỉ /h/đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự /tì/tạ ttợt/tu/ tĩtệt/

1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VE ĐỘNG cơ STIRLING
1.1. GIỚI THIỆU
Động cơ stirling là loại động cơ nhiệt kiểu piston, được đặt tên theo
người sáng chế ra nó, ông Robert Stirling. Năm 1816 [5], khi động có hơi
nước vận hành ỏ mọi nơi, Robert Stirling đã sáng chế ra một loại động cơ
mổi- động cơ Stirling (hình 1.1). Đây là loại động cơ sử dụng buồng đốt
ngoài, công được tạo ra do sự giãn nổ khí ổ nhiệt độ cao. Cũng như các loại
dộng cơ đót trong, dộng cơ Stirling cung cấp công theo một chu trình, trong
đó piston nén khí ỏ nhiệt độ thấp và cho khí giãn nỏ ổ nhiệt độ cao.

Hình 1.1. Động cơ Stirling nguyên thủy năm 1816, loại động cơ
này đã được sử dụng vào năm 1818 đế bơm nước từ mỏ đá.

(Bù/ t/Ảttt @títtợ —Ẩltỉp Ọ(S ’6^/í /

(THi/tợ 7


íí/t /â/ nựÁ/êp

&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉỉSMỉ tĩĩệ/t

Tuy động cơ Stirling xuất hiện sớm như vậy nhưng nó chưa được phát
triển để ứng dụng trong cuộc sóng vì giá thành ché tạo cao và lợi nhuận thấp
nên không thể cạnh tranh được vói động cơ nhiệt hiện tại.
Trong thế kỷ này, khi con người bắt đầu nghĩ về môi trùòng thì động cơ
Stirling đang được quan tâm đặc biệt bỏi quá trình hoạt động của động cơ rất
êm, hiệu suất cao và thải sạch nhò sử dụng các nguồn nhiệt sạch hoặc ít gây ô
nhiễm hơn. Động cơ có thể sử dụng bất kỳ nguồn nhiệt nào, điều này cho
phép sử dụng nhừng nguồn nhiệt thông thưòng như nguồn nhiệt do đót cháy
than củi, rác rúỏi..., và nhất là cổ thể sử dụng nguồn nhiệt từ năng lượng mặt
trời.
về công nghệ động cơ Stirling có kết cấu đơn giản, vì vậy loại động cơ
này có thể chế tạo tương đói dễ dàng tại các cơ sỏ cơ khí ổ nũổc ta.
Một trong nhung hướng phát triển động cơ Stirling là chế tạo những
động cơ cồ nhỏ để cung cấp công cơ học trên tàu thuyền rất được quan tâm do
chúng ta có nhiều phương án thiết kế gọn nhẹ để nâng cao công suất riêng của
động cơ.
Những nghiên cứu phát triển ứng dụng động cơ Stirling trên phương

tiện vận chuyển cũng đã được các nhà sản xuất ôtô quan tâm. Mặt khác do nó
có thể biến đổi nhiệt trực tiếp từ năng lượng mặt trồi thành công nên nó đã
được nghiên cứu ứng dụng trên các con tàu không gian từ năm 1995 [2].

(/3iY/ <73à/í

—Ẩỉếỉp

'Tr/ỉ/ểí/ 8


17/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉuuỉ tĩĩệ/t

íí/t /â/ nựÁ/êp

1.2. MỘT VÀI MÔ HÌNH ĐỘNG CỦA ĐỘNG cơ STIRLING
Để hiểu hơn về động cơ Stirling ta hãy xem xét một só hình ảnh động
của động cơ Stirling sau đây [6].
1.2.1 .Động cơ Stirling kiểu hai piston:
Động cơ hoạt động theo 4 quá trình ( hình 1.2):

Hình 1.2. Động cơ Stirling kiểu hai piston.
■Quá trình cấp nhiệt (heat): Piston nóng di chuyển lên phía trên, piston
lạnh di chuyển xuống phía dưới trong một phần tư vòng quay của trục khuỷu.
■Quá trình giãn nỏ (expansion): Hai piston đều di chuyển về phía dưới.
Năng lượng được sử dụng để sinh công.
■Quá trình làm lạnh (cool): Trục khuỷu quay nhò năng lượng của bánh
đà. Piston nóng tiếp tục di chuyển về phía dưổi và piston lạnh di chuyển về

(Bù/ <72à/í —Ẩlếỉp

ITHi/tợ 9


30rl íí/t /â/ nựÁ/êp

17/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉỉSMỉ tĩĩệ/t

phía trên. Không khí chuyển từ buồng nóng tới buồng lạnh, áp suất trong
động cơ giảm.
■Quá trình nén (compression): Hai piston đều di chuyển về phía trên.
Năng lượng được tích trừ trong giai đoạn này.
1.2.2.
Động cơ Stirling kiểu con trượt:
Mô hình của động cơ được thể hiện như hình 1.3:

HEAT

Hình 1.3. Động cơ Stirling kiểu con trượt.
■Môi chất công tác: giãn nỏ khi được cấp nhiệt và co lại khi được làm

(/3iY/ <73à/í —Ẩlếỉp

ITHi/tợ 10


íí/t /â/ nựÁ/êp

&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉỉSMỉ tĩĩệ/t

■Con trượt: làm chuyển dồi không khí và thay đổi áp suất động cơ. Ấp
suất tăng lên khi con trượt ỏ vị trí trên của xylanh, áp suất giảm khi con trượt
ổ vị trí dưới của xylanh.
■Pis ton lực: khi động cơ được nén đến áp suất lổn nhất nhò sự vận
hành của con trượt, piston lực giãn nỏ làm vận hành động cơ.

(/3iY/ <73à/í

—Ẩỉếỉp

'Tr/ỉ/ểí/ 11


íí/t /â/ nựÁ/êp

&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉuuỉ tĩĩệ/t

1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỀN ĐỘNG cơ NHIỆT VÀ ĐỘNG cơ STIRLING
Động cơ nhiệt là một thiết bị động lực, dùng để biển đổi nhiệt năng
thành cơ năng. Nhiệt năng có được là do đót cháy nhiên liệu. Ngày nay, dộng
cơ nhiệt được gắn trên ôtô, máy kéo, máy bay, xe gắn máy hai bánh, máy bơm
nước... Người ta ước tính [2] hơn 80% công cơ năng trên thế giổi hiện nay do
động cơ nhiệt cung cấp.
Động cơ nhiệt có bề dày lịch sử hơn 200 năm [2], năm 1769, James
Watt đã được cấp bằng sáng chế về động cơ hơi nước. Động cơ hơi nước có
thể xem là một phát minh tiên phong, mỏ ra một thòi kỳ phát triển thịnh
vượng của các loại động cơ nhiệt.
Trong tất cả các loại động cơ nhiệt, nhiệt lượng do nhiên liệu đốt tạo ra
dược chuyển thành công có ích thì động cơ đót trong được dùng rộng rãi nhất
vổi só lượng lỏn nhất. Tổng công suất do động cơ đốt trong tạo ra chiếm

khoảng 90% công suất thiết bị động lực do mọi nguồn năng lượng tạo ra [3]
(nhiệt năng, thủy năng, năng lượng nguyên tử, năng lượng mặt trồi...). Động
cơ đốt trong bao gồm: động cơ đót trong piston, tua bin khí và động cơ phản
lực (hình 1.2).
Năm 1876, Nicolas Otto, ngưồi Đức, sau một thòi gian dài nghiên cứu
đã chế tạo thành công động cơ hoạt động theo nguyên tắc 4 thì, vừa có thể
chạy ga vừa có thể chạy xăng. Đây Là động cơ nguyên thủy của động cơ
Diesel và động cơ Xăng ngày nay.

ỢJừ/
'Tr/ỉ/ểí/ 12


íí/t /â/ ftạ/t/ệfi

17/i/ểỉ /hềđợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉuuỉ tĩĩệ/t

Hình 1.2. Các loại động cơ đốt trong
a) Động cơ đót trong pittông; b) Tuabin khí; c) Động cơ phản lực.
1- Cácte lắp trục khuỷu; 2- xylanh; 3- nắp xylanh; 4- pittông; 5- thanh
truyền; 6- trục khuỷu; 7- bơm nhiên liệu; 8- buồng cháy; 9 - lồ phun
vào cánh tuabin; 10 - tuabin; 11- máy nén; 12 - bình chứa nhiên liệu;
13- bình chứa chất oxy hóa; 14- bơm; 15- miệng phun phản lực.

Động cơ Stirling xuất hiện khá sóm, với tên gọi trưổc đây là động cơ
khí nóng, đựơc đũa ra lần đầu tiên bổi một mục sư ngưòi Scotland, có tên là
Robert Stirling vào năm 1816. Sau một thời gian phát triển, tính năng ưu việt
về công suất riêng của động cơ hơi nưổc đã làm lu mò động cơ Stirling. Tuy
nhiên, động cơ Stirling vẫn được quan tâm trong suốt thế kỷ 19 bỏi tính chất

đặc biệt của động cơ này dó là: nếu chu trình nhiệt động học dược thực tiễn

(Bù/ <72à/í Cứíi// — -Cfĩ/J

'Tr/ỉ/ểí/ 13


íí/t /â/ nựÁ/êp

&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉỉSMỉ tĩĩệ/t

hóa thì hiệu suất của động cơ Stirling sẽ gióng như hiệu suất của chu trình
Carnot, tức là hiệu suất lý thuyết cực đại có được của bất kỳ động cơ nhiệt
nào.
Ngày nay, với sự cạn kiệt dần của nguồn năng lượng truyền thống như
dầu mỏ, than đá và dưới sức ép của vấn đề môi trường ngày càng bị ô nhiễm
nặng thì động cơ Stirling đang được sự quan tâm hàng đầu bỏi các nhà nghiên
cứu và sản xuất.
Năm 1938, công ty N.V.Philips Glaxilampen Fabrieken của Hà Lan
bắt đầu nghiên cứu và ché tạo động cơ Stirling cung cấp cho thị truồng [5].
1.3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN cứu
Từ khi ra đồi cho đến nay, dộng cơ stirling đã được sự quan tâm dặc
biệt của nhiều nhà khoa học và các nhà sản xuất bổi các đặc điểm nổi bật sau:
hoạt động rất êm, sử dụng được nhiều nguồn nhiệt khác nhau, giảm đáng kể ô
nhiễm môi trường, động cơ có kết cấu đơn giản, dễ ché tạo và đặc biệt là
dộng cơ có thể đạt được hiệu suất cực đại của bất kỳ động cơ nhiệt nào. Vì thể
động cơ Stirling đã được thí nghiệm và sử dụng trong các lĩnh vực sau: máy
làm lạnh, động cơ phát điện, động cơ tàu thủy, động cơ ôtô, động cơ máy bay,
sử dụng trên các vệ tinh trong không gian...
Hôn nữa nguồn nhiên liệu dầu mỏ trên thế giỏi hiện nay đang cạn kiệt

dần và vấn đề môi trưòng đang đòi hỏi phải giảm bổt mức độ ô nhiễm, vì vậy
ta phải tìm ra những hưổng giải quyết, đổ chính là nghiên cứu sử dụng động
C ố Stirling. Một động C ố có thể sử dụng nhiều nguồn năng lượng khác nhau,

(/3iY/ <73à/í

—Ẩỉếỉp

'Tr/ỉ/ểí/ 14


íí/t /â/ nựÁ/êp

&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉỉSMỉ tĩĩệ/t

đặc biệt là có thể sử dụng nguồn năng lượng vô tận từ mặt mặt trồi - là những
nguồn năng lượng ít hoặc không gây ô nhiễm.
2. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG HỌC STIRLING
2.1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG HỌC
Chu trình Stirling có thể xem là tương đương với chu trình Carnot. Chu
trình này được minh họa ỏ hình 2.1.
Ta hãy tưổng tượng một xi lanh chứa hai piston đối đỉnh nhau, với bộ
hoàn nhiệt (Regenerator) ổ giữa. Bộ hoàn nhiệt là bộ phận lần lượt nhả và hấp
thụ nhiệt. Một trong hai buồng giữa piston và bộ hoàn nhiệt là buồng giãn nỏ
(Expansion space), buồng này luôn được duy trì ỏ nhiệt độ cao ( T max). Buồng
còn lại là buồng nén (Compression space), luôn được duy trì ổ nhiệt độ thấp
( Tmin). Do dó luôn có một gradient nhiệt độ ( T max- Tmin ) qua bề mặt cắt
ngang của bộ hoàn nhiệt.
Cũng như trong chu trình Carnot, người ta giả định là các piston di
chuyển không có ma sát và không có sự rò rỉ môi chất công tác.

Để bắt đầu chu trình, chúng ta giả định rằng piston nén đang ổ điểm
chết ngoài, và piston giãn nỏ đang ỏ điểm chết trong, nằm sát vói bộ hoàn
nhiệt. Tất cả môi chất công tác lúc đó đang ỏ trong buồng nén, thể tích cực
đại, cho nên áp suất và nhiệt độ có giá trị nhỏ nhất, đặc trũng bỏi điểm 1 trên
đồ thị p- V và T- s.
Trong quá trình nén (quá trình 1-2), piston nén di chuyển về phía điểm
chết trong và piston buồng giãn nỏ được xem nhu đứng yên. Môi chất công
tác bị nén lại trong buồng nén, và áp suất bắt đầu tăng lên. Nhiệt dộ vẫn được

(/3iY/ <73à/í

—Ẩỉếỉp

'Tr/ỉ/ểí/ 15


íí/t /â/ nựÁ/êp

&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉỉSMỉ tĩĩệ/t

duy trì không đổi bỏi nhiệt lượng Qc bị hút ra từ xylanh buồng nén ra môi
trưòng không khí xung quanh.
Trong quá trình chuyển tiếp 2- 3, cả hai piston đều di chuyển đồng thòi.
Piston nén đi về phía bộ hoàn nhiệt, còn piston giãn nỏ thì di chuyển ngược
lại. Thể tích ỏ giũa chúng vẫn duy trì ổ nhiệt độ không đổi. Vì vậy môi chất
công tác sẽ dịch chuyển từ buồng nén qua lổp kim loại xóp của bộ hoàn nhiệt
đến buồng giãn nổ. Trong khi đi ngang qua bộ hoàn nhiệt, môi chất công tác
dược nung nóng từ nhiệt độ Tmịn bổi lượng nhiệt truyền từ bộ hoàn nhiệt và
thoát khỏi nó để đi vào buồng giãn nỏ ỏ nhiệt độ T max. Sự gia tăng dần nhiệt
độ trong khi đi qua bộ hoàn nhiệt ỏ thể tích không đổi làm gia tăng áp suất

trong xylanh .
Trong quá trình giẵn nỏ 3- 4, piston giãn nổ tiếp tục đi xa khỏi bộ hoàn
nhiệt về phía điểm chết ngoài. Piston nén vẫn đứng yên một chỗ tại điểm chết
trong sát với bộ hoàn nhiệt. Khi giãn nổ, áp suất trong xylanh giảm xuống và
thể tích tăng lên. Nhiệt độ vẫn giữ nguyên nhò nhiệt lượng Q, bổ sung vào hệ
thống từ nguồn nhiệt bên ngoài.

(/3iY/ <73à/í

—Ẩỉếỉp

'Tr/ỉ/ểí/ 16


&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉuuỉ tĩĩệ/t

íí/t /â/ nựÁ/êp

Buồng giãn nở Bộ hoàn nhiệt Buồng nén

Khoảng dịch chuyển

Hình 2.1. Chu trình nhiệt động học Stirling:
a - Đồ thị P- V và T- s.
b - Khoảng dịch chuyển của piston ỏ các điểm giói hạn của chu trình,
c - Đồ thị Thòi gian - Khoảng dịch chuyển.

(Bù/ <72à/í Càn ợ —Ẩỉếỉp

Gfafếiạ 17

íí/t /â/ nựÁ/êp

&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉỉSMỉ tĩĩệ/t

Quá trình cuối của chu trình là quá trình dịch chuyển 4- 1. Trong đó cả
hai piston đều đồng thòi dịch chuyển, để đưa môi chất công tác ỏ thể tích
không dổi trỏ lại qua bộ hoàn nhiệt và buồng giãn nổ đển buồng nén. Trong
khi đi qua bộ hoàn nhiệt, nhiệt được truyền từ môi chất công tác sang bộ hoàn
nhiệt. Vì vậy môi chất công tác sẽ giảm nhiệt độ xuống T min trong buồng nén.
Nhiệt độ của quá trình được chứa trong bộ hoàn nhiệt dùng đế truyền cho môi
chất công tác trong quá trình 2- 3 của chu trình tiếp theo.
Tóm lại, chu trình nhiệt động Stirling bao gồm 4 quá trình sau:
a. Quá trình 1-2: Nén đẳng nhiệt
Truyền nhiệt từ môi chất công tác ỏ nhiệt độ Tmin ra môi trường bên
ngoài.
b. Quá trình 2 - 3 : Nung nóng đẳng tích
Truyền nhiệt từ bộ hoàn nhiệt đến môi chất công tác.
c. Quá trình 3 - 4 : Giãn nỏ đẳng nhiệt
Truyền nhiệt cho môi chất công tác nhiệt độ Tmax từ nguồn nhiệt bên
ngoài.
d. Quá trình 4 - 1: Làm lạnh đẳng tích
Truyền nhiệt từ môi chất công tác đến bộ hoàn nhiệt
Nếu lượng nhiệt truyền trong quá trình 2- 3, có cùng giá trị vổi lượng
nhiệt truyền trong quá trình 4- 1, thì sự truyền nhiệt giữa động cơ và môi
trưòng bên ngoài chỉ bao gồm lượng nhiệt cung cấp ỏ nhiệt độ T max và lượng
nhiệt thoát ra ỏ nhiệt độ Tmin.

(/3iY/ <73à/í

—Ẩỉếỉp

'Tr/ỉ/ểí/ 18


íí/t /â/ ftạ/t/ệfi

&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉuuỉ tĩĩệ/t

2.2. HIỆU SUẤT NHIỆT LÝ THƯYET
Sự cấp nhiệt và thoát nhiệt ỏ nhiệt độ không đổi này của động cơ
Stirling thỏa mãn yêu cầu của định luật nhiệt động học thứ hai đói voi hiệu
suất nhiệt tói đa [1]. Vì vậy hiệu suất nhiệt của chu trình Stirling củng gióng
như chu trình carnot, nghĩa là hiệu suất nhiệt của động cơ Stirling r| =
T-T
max

Ưu điểm chính của chu trình Stirling so với chu trình Carnot là ổ chỗ
thay thế hai quá trình đoạn nhiệt bằng hai quá trình đẳng tích, vì thế mà gia
tăng diện tích của biểu đồ p- V. Vì vậy, để có được lượng công lón từ chu
trình Stirling không cần thiết phải cần đển áp suất và thể tích quét lổn như chu
trình Camot (ỏ chu trình Carnot muón có được lượng công lón ta phải dùng
biện pháp tăng áp).

Hình 2.2. Chu trình Stirỉing và chu trình carnot.
Hai chu trình được vẽ chồng lên nhau, vổi cùng giá trị nhiệt độ T và
Tmin, áp suất, thể tích. Phần diện tích gạch chéo trên đồ thị P- V tượng trúng
(Bù/ <72à/í Cứíi// — -Crì/J

'Tr/ỉ/ểí/ 19


íí/t /â/ nựÁ/êp

&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉỉSMỉ tĩĩệ/t

cho công gia tăng đói với chu trình Stirling. Phần diện tích gạch chéo trên đồ
thị T- s đặc trúng lượng nhiệt truyền gia tăng của chu trình Stirling.
So sánh biểu đồ P- V của chu trình Stirling và chu trình Carnot, giữa
các giổi hạn đã cho về áp suất, thế tích và nhiệt độ, được chỉ rõ ổ hình 2.2.
Diện tích gạch chéo 5- 2- 3 và 1- 6- 4 tượng trưng cho công bổ sung có được
bằng cách thay thể các quá trình đoạn nhiệt bằng các quá trình đẳng tích. Các
quá trình đẳng nhiệt (1- 5 và 3- 6) của chu trình Carnot được mỏ rộng đến quá
trình 1- 2 và 3-4 tưong úng cho chu trình Stirling. Vì vậy, lượng nhiệt cung
cấp và thoát ra của chu trình Stirling đều tăng cùng một tỷ lệ với công suất có
được. Hiệu suất nhiệt của hai chu trình đều gióng nhau.

(/3iY/ <73à/í

—Ẩỉếỉp

Gfafếiạ 20


íí/t /â/ nựÁ/êp

&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉỉSMỉ tĩĩệ/t

3. PHÂN LOẠI ĐỘNG cơ STIRLING

3.1. GIỚI THIỆU
Kết cấu một động cơ Stirling bao gồm hai buồng có nhiệt độ khác nhau,
hai buồng đó được nói vổi nhau qua bộ hoàn nhiệt, và có các nguồn nhiệt
nóng lạnh khác nhau cung cấp cho động cơ.
Động cơ mang tên Stirling được gọi cho các động cơ hoàn nhiệt mà
dòng môi chất công tác được điều khiển bỏi sự thay đối thể tích. Còn động cơ
mang tên Ericson là các động cơ mà dòng môi chất công tác được điều khiển
bổi các van. Những tên gọi này được chọn nhằm thống nhất về tên gọi các loại
động cơ con trượt hoàn nhiệt, bổi vì không có sự phân biệt đặc trưng rõ rệt
nào được xác định giữa các loại động cơ này.
Ta biết rằng, tất cả các loại động cơ do Robert Stirling chế tạo là loại
động cơ có chu trình kín, trong đó dòng môi chất công tác được điều khiển bỏi
sự thay đổi thể tích. Trong khi đó thì Jonh Ericson lại sản suất cả hai loại động
cơ: động cơ điều khiển dòng môi chất công tác bằng cách thay đổi thể tích và
động cơ điều khiển dòng môi chất công tác bằng cách thay đổi các van.
3.2. CÁC LOẠI ĐỘNG cơ STIRLING
Động cơ Stirling được phân thành hai nhóm chính: động cơ piston- con
trượt và loại động cơ piston.
Loại động cơ piston là loại động cơ có hai hoặc nhiều piston.
Loại động cơ piston- con trượt còn được phân ra: loại động cơ có piston
và con trượt hoạt động trong cùng một xylanh gọi là động Cố piston con trượt
xy lanh đơn (hay là xy lanh chung), loại dộng cơ có piston và con trượt hoạt

(/3iY/ <73à/í

—Ẩỉếỉp

'Tr/ỉ/ểí/ 21

30rĩ íí/t /â/ nựÁ/êp

&/i/ểỉ /hềđợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉỉSMỉ tĩĩệ/t

động trong các xy lanh riêng biệt gọi là động cơ piston con trượt xy lanh riêng
( hình 3.1).

Hình 3.1. Các loại kết cấu cơ bản của các loại động cơ stirỉing:
A- piston, B- con trượt, C- buồng giãn nổ, D- buồng nén, E- bộ hoàn
nhiệt, F- bộ làm nóng, G- bộ làm nguội.
Sự khác biệt cơ bản giữa piston và con trượt là ỏ chỗ: piston được lắp
voi phót chắn khí để ngăn không cho khí đi từ phía này sang phía khác, còn
con trượt thì không. Vì vậy, áp suất của môi chất công tác trên và dưổi con
trượt đều không gây ra tổn thất dòng khí động lực học và môi chất chuyển
động qua lại. Con trượt thì không sinh công trên môi chất công tác, nhưng làm
dịch chuyển môi chất công tác từ phía này sang phía khác của con trượt.

Ơ3ií/ <73à/í Cứíi// —Ẩlếỉp

Gfafếiạ 22


íí/t /â/ nựÁ/êp

&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//r//ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉuuỉ tĩĩệ/t

Trong trũòng hợp của piston, áp suất của môi chất công tác trên và dưổi
piston là không gióng nhau. Công được tạo ra bỏi môi chất công tác giãn nỏ ỏ
nhiệt độ cao tạo ra áp suất tác dụng lên piston, đẩy piston dịch chuyển trong
xy lanh.

Trong một só động cơ, con trượt được làm một phần hoặc toàn bộ bằng
khung kim loại xóp, và bản thân nó đóng vai trò của một bộ hoàn nhiệt. Con
trượt này gọi là con trượt hoàn nhiệt và động cơ này gọi là động cơ con trượt
hoàn nhiệt.
3.2.1.
Động cơ piston con trượt
3.2.1.1.
Động cơpiston con trượtxy lanh đơn:
Các kết cấu khác nhau của động cơ piston - con trượt xylanh đơn được
thể hiện ỏ hình 3.2.
Loại động cơ dẫn động bằng trục khuỷu đã được Robert Stirling chế tạo
vdi con trượt hoàn nhiệt gọi là loại Stirling, và loại động cơ dẫn động bằng
trục khuỷu được bó trí bộ hoàn nhiệt riêng biệt ổ bên ngoài gọi là loại
Rankine- Napier.
Loại động cơ piston tự do gần đây đã được đứa vào áp dụng bỏi giáo sư
Beale của đại học Ohio gọi là loại Beale.
Trong loại động cơ piston con trượt xylanh đơn còn có loại động cơ mà
xylanh dao động gọi là loại xylanh dao động.

(/3iY/ <73à/í

—Ẩlếỉp

'Tr/ỉ/ểí/ 23


302 íí/t /â/ ftạ/t/ệfi

&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉỉSMỉ tĩĩệ/t

Hình 3.2. Các kết cấu khấc nhau của động cơ piston con trượt
xylanh dơn.

3.2.1.2.

Động cơpiston con trượt xỵ lanh riêng:

Các kết cấu khác nhau của loại động cơ piston- con trượt xy lanh riêng
được trình bày trên hình 3.3.
Loại động cơ cổ con trượt hoàn nhiệt song song với xylanh lực là loại
động cơ Lanbereaw Schwarzkopff, và loại động cơ có bộ hoàn nhiệt riêng
nằm ỏ bên ngoài là loại động cơ Heinrici. Một loại động cơ piston- con trượt
hai xylanh riêng khác có tên gọi Robinson là loại két cấu mà trục xylanh
nghiêng một góc 90°, cổ con trượt hoàn nhiệt. Một két cấu khác khá đặc biệt
do H.Raibow của công ty Bristol thiết kể vổi hai piston và một con truợt đơn
có hai xylanh giãn nổ chung.

(/3iY/ <7Jà/í Cứíi// — ỌỉS C-St /

2ĩr/f/tạ

24


30rĩ íí/t /â/ ftạ/t/ệfi

&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉỉSMỉ tĩĩệ/t

Hình 3.3. Các kết cấu khác nhau của loại động cơ piston con trượt
xylanh riêng.

3.2.2.
Động cơ piston:
Các kết cấu khác nhau của động cơ hai piston tác dụng đơn được chỉ rõ
trên hình 3.4. Loại kết cấu này bao gồm một số động cơ hai piston, ba loại vói
các xylanh có định (hai xylanh song song, hai xylanh hình chữ V và hai
xylanh đói đỉnh nhau) và một loại có xylanh quay (có bón piston).
Trong só này loại có kết cấu các xylanh song song gọi là loại Rider, nổ
dược sản xuất vổi só lượng nhỏ trong thế kỷ 19.

(/3iY/ <73à/í Cứíi// — -Cfĩ/J

'7f'fỉ/ểí/

25


íí/t /â/ ftạ/t/ệfi

&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉỉSMỉ tĩĩệ/t

Hình 3.4. Các kết cấu khác nhau của dộng cơ hai piston tác dụng dơn.
Hai dạng của động cơ nhiều piston tác dụng kép được chỉ rõ ỏ hình 3.5.
Loại két cấu do Finkelstein thiết kể, bao gồm hai xylanh (mỗi xylanh gồm
một piston tác dụng kép), được kết họp để hoạt động như là một động cơ hai
xylanh chu trình đôi gọi là loại Finkelstein. Một xylanh cổ hai buồng nén, và
xylanh còn lại cổ hai buồng giãn nỏ, vì vậy cổ khả năng của sự phân chia
hoàn toàn vật lý của các vùng nóng và vùng lạnh của động Cố .

■%// 33A/S/ Cứíi// — -Cd/J

Gh/i/tợ

26


íí/t /â/ nựÁ/êp

&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉỉSMỉ tĩĩệ/t

Kết cấu còn lại gọi là loại Rinia, được áp dụng cho loại động cố nhiều
xylanh, được bó trí sao cho khoảng không gian phía trên piston của một
xylanh được nói qua một đường dẫn chứa bộ hoàn nhiệt, đến khoảng không
gian phía dưói piston của xylanh ké tiếp. Két cấu này đặc biệt thích họp cho
loại ba đến sáu xylanh, vói các xylanh được sắp xếp vòng tròn, và vói một cố
cấu dẫn động trục khuỷu.

(/3iY/ <73à/í

—Ẩỉếỉp

Gfafếiạ 21


íí/t /â/ nựÁ/êp

&/i/ểỉ /kê đợềiự. fỹ//W/ếtạ e/ụiự ắíỉ/tạ ềỉỢỉỉSMỉ tĩĩệ/t

Kết cấu của loại nhiều xylanh thắng hàng không được thích họp lắm,
bổi vì các buồng xa nhau được nói vổi nhau bằng một đưòng ống rất dài.
Động cơ Rinia đựơc phát minh vào thòi kỳ đầu tiên của công ty

Phillips. Sau này nó bị bỏ đi vì sự phức tạp của việc bôi trơn và làm kín.
Nhưng mà nó đã được phát triển như là một loại động cơ công suất cao dùng
cho ôtô.
3.3. SO SÁNH CÁC LOẠI ĐỘNG cơ STIRLING
3.3.1.
Động cơ piston- con trượt vói động cơ piston:
Ta đã biết, có rất nhiều loại kết cấu khác nhau của động cơ piston- con
trượt và động cơ nhiều piston. Một trong só đó đã được phát triển trong lĩnh
vực thương mại. Trong tất cả các loại dó không có loại nào có kết cấu tói ưu
nhất, nhưng có một só yếu tó chính dẫn đến sự lựa chọn thích hợp. ĐÓi vổi
loại động cơ piston- con trượt xylanh đơn, được lựa chọn cho phần lớn các loại
động cơ kích thưóc nhỏ. Trong các loại động cơ lớn hơn, việc lựa chọn nằm
giữa động cơ piston- con trượt nhiều xylanh đơn trên một trục khuỷu chung
hoặc là động cơ nhiều xylanh loại Rinia hay Finkelstein.
Một lý do quan trọng cho việc lựa chọn động cơ piston- con trượt hơn là
động cơ nhiều piston là ỏ chồ động cơ đa piston thường gặp phải trỏ ngại
trong việc bao kín. Trong trưòng ba loại động cơ ỏ hình 3.1, roăng bao kín
môi chất công tác phải có ỏ tất cả các piston, hai trong truồng họp cho động
'cơ hai piston, và một trưồng họp cho động cơ piston- con trượt, một roăng
bao kín bổ sung cần thiết cho thanh truyền con trượt. Roăng bao kín cho thanh
truyền con trượt nhỏ hơn nhiều so với roăng bao kín piston, sự rò rỉ môi chất

(/3iY/ <73à/í

—Ẩỉếỉp

Gfafếiạ

28