2 - Universitatea Tehnicƒ "Gheorghe Asachi" Introducere in masini Stirling... ...

download 2 - Universitatea Tehnicƒ "Gheorghe Asachi" Introducere in masini Stirling...  primele motoare Stirling moderne, ... cogenerarea energiei electrice i termice etc.) motoarele

of 125

  • date post

    01-Feb-2018
  • Category

    Documents

  • view

    250
  • download

    8

Embed Size (px)

Transcript of 2 - Universitatea Tehnicƒ "Gheorghe Asachi" Introducere in masini Stirling... ...

  • - 2 -

  • - 3 -

    Prefa

    Introducere n maini Stirling - iat o carte a crei apariie va strni cusiguran interesul oricrui inginer.

    Observnd titlul crii te ntrebi firesc: Ce sunt mainile Stirling?, Cumfuncioneaz mainile Stirling?, Unde se folosesc sau unde pot fi ele folosite?.

    La aceste ntrebri i la multe altele rspund autorii crii, cadre didacticela Universitatea Tehnic Gheorghe Asachi din Iai.

    Puin cunoscute n ara noastr, mainile termice cu piston numite astzimaini Stirling sunt rezultatul unei evoluii spectaculoase, de aproape dousecole, de la primul motor construit n 1818 de scoianul Robert Stirling (1790 -1878) pe baza brevetului obinut de el n 1816, pn la micromotoarele cu surs decldur cu izotopi radioactivi construite de NASA pentru antrenarea unorgeneratoare electrice folosite n spaiul cosmic. n tot secolul al XIX - lea motoareleStirling au concurat cu succes mainile cu abur, pe la 1900 fiind n exploatareindustrial n Marea Britanie i n SUA peste 10000 de astfel de maini termice. Lanceputul secolului al XX - lea locul motoarelor Stirling a fost luat de motoarele cuardere intern i de motoarele electrice, atunci mult mai eficiente.

    La sfritul anilor 30 ai secolului trecut firma Philips din Olanda a construitprimele motoare Stirling moderne, destinate antrenrii unor generatoare electrice.Utiliznd materialele i tehnologiile de prelucrare ale secolului al XX - lea,specialitii de la Philips i de la alte firme, ntre care General Motors, Ford, UnitedStirling A.B. (din Suedia), au construit motoare Stirling cu performaneasemntoare celor ale motoarelor cu ardere intern. Motoarele Stirling au avutdestinaii dintre cele mai diferite, de la motorizarea automobilelor i autobuzelor, anavelor de suprafa i a submarinelor, pn la antrenarea mainii - inim artificialsau a unor generatoare electrice staionare.

    Dac un motor Stirling este antrenat din exterior n acelai sens de rotaie,atunci el transmite cldur preluat de la fosta surs cald (n care ns nu se maiproduce cldur) ctre fosta surs rece - mediul nconjurtor, transformn-du-sentr-o main frigorific, aa cum a artat John Herschel n anul 1834. Mainifrigorifice Stirling au fost ntlnite ncepnd din ultimele decenii ale secoluluial XIX - lea. Totui, rspndirea lor larg a avut loc abia n a doua jumtate asecolului trecut, cnd firma Philips a pus n vnzare mainile criogenice pentrulichefierea aerului i pentru fabricarea azotului lichid. Astfel de maini s-au fabricati n Romnia.

    Posibilitile de utilizare a mainilor Stirling sunt departe de a fi epuizate,dar pentru valorificarea lor sunt necesare att noi cercetri pentru perfecionarealor, ct i rspndirea informaiilor despre aceste maini, pentru ca ele s fiecunoscute de potenialii utilizatori.

    n acest sens cartea de fa - una din primele cu acest subiect aprute nlimba romn (probabil a doua, dup volumul Maini Stirling publicat n 2001 deprofesorul Gheorghe Gh. Popescu de la Universitatea Politehnica din Bucureti) -i propune s-l introduc pe cititor n lumea fascinant a mainilor Stirling.

  • - 4 -

    n primele capitole ale crii sunt prezentate clar i concis perioada vechei perioada modern ale istoriei mainilor Stirling i principalele domenii n careaceste maini au fost utilizate.

    n continuare sunt analizate performanele ciclului termodinamic Stirling curegenerarea cldurii, evideniindu-se importana procesului de regenerare acldurii. Se arat c valoarea maxim a randamentului termic al ciclului motor ivaloarea maxim a eficienei frigorifice a ciclului inversat sunt egale cu celecorespunztoare ciclului Carnot.

    n ultimele dou capitole, care ocup jumtate din spaiul acestei cri, seexplic funcionarea mainilor Stirling motoare i frigorifice i se prezint schemeleprincipalelor construcii actuale ale acestora.

    Trebuie menionat c n carte sunt prezentate i unele rezultate alecercetrilor proprii efectuate de autori n domeniul motoarelor Stirling.

    Cartea este ilustrat cu numeroase scheme de maini Stirling, mestrudesenate i, de aceea, uor de analizat i de neles, ceea ce subliniaz caracterulingineresc al lucrrii.

    Cartea de fa este realmente o reuit introducere n mainile Stirling.Prin lecturarea ei cititorul va rmne cu o imagine dac nu complet, sigur corecta mainilor Stirling i, cine tie, poate va deveni chiar un adept al acestor maini.

    Iai, septembrie 2003 Profesor universitar doctor inginer Victor Zubcu

    eful Catedrei de Maini TermiceFacultatea de MecanicUniversitatea Tehnic Gheorghe Asachi

  • - 5 -

    CUPRINS

    Prefa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Cuprins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    1. Introducere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1. Introducere. Definiii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2. Clasificri ale mainilor Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    2. O scurt istorie a mainilor Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1. Perioada veche a istoriei mainilor Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2. Perioada modern a istoriei motoarelor Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.1. Renaterea interesului pentru motoarele Stirling. Cercetrile i realizrile firmei Philips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.2. Contribuiile altor firme i organizaii la dezvoltarea motoarelor Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.3. Maini Stirling cu pistoane libere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.4. Momente remarcabile din istoria modern a mainilor Stirling . . 25 2.2.5. Contribuii romneti la studiul mainilor Stirling . . . . . . . . . . . . . 27

    3. Utilizri posibile ale mainilor Stirling. Perspective . . . . . . . . . . . . . . 30 3.1. Motoare Stirling pentru autovehicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2. Motoare Stirling pentru submarine i pentru nave de suprafa . . . . 32 3.3. Motoare Stirling pentru utilizri cosmice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.4. Motoare Stirling pentru maina inim artificial . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.5. Motoare Stirling pentru instalaii termoenergetice staionare . . . . . . . 35 3.6. Motoare Stirling demonstrative i motoare Stirling didactice . . . . . . . 37 3.7. Perspectivele motoarelor Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

    4. Analiza ciclului termodinamic Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.1. Ciclul termodinamic generalizat cu recuperare de cldur al motoarelor termice cu gaze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2. Analiza termodinamic a ciclului generalizat al motoarelor termice cu gaze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3. Ciclul Stirling direct - caz particular al ciclului generalizat al motoarelor termice cu gaze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.4. Influena raportului volumetric de comprimare, a raportului de cretere a temperaturii i a randamentului recuperrii asupra performanelor ciclului termodinamic Stirling direct cu recuperare de cldur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.5. Comparaie ntre ciclul Stirlingdirect i alte cicluri termodinamice motoare simple cu transformri izotermice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.6. Analiza ciclului Stirling inversat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

  • - 6 -

    5. Scheme actuale de motoare Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.1. Realizarea ciclului termodinamic Stirling pe un motor . . . . . . . . . . . . 59 5.1.1. Realizarea ciclului termodinamic Stirling ntr-un motor cu un cilindru i dou pistoane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.1.2. Realizarea practic a ciclului Stirling pe un motor cu un cilindru i dou pistoane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.1.3. Realizarea practic a ciclului termodinamic Stirling ntr-un motor cu dou pistoane plasate n cilindri separai . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.2. Schemele de baz ale motoarelor Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.3. Scheme actuale ale motoarelor Stirling cinematice . . . . . . . . . . . . . . 67 5.3.1. Motoare Stirling de tip alfa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.3.1.1. Mecanisme pentru motoare Stirling de tip alfa cu pistoane cu simpl aciune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.3.1.1.1. Introducere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.3.1.1.2. Motoare Stirling de tip alfa cu cilindri verticali i cu mecanisme biel - manivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.3.1.1.3. Motorul Stirling de tip alfa cu mecanism manivel - jug - biel (mecanismul Ross - Yoke clasic) . . . . . . . . . . . . . 69 5.3.1.1.4. Motoare Stirling de tip alfa cu cilindri verticali i cu mecanism motor balansier (Ross Rocker - V). . . . . . . . 70 5.3.1.1.5. Motoare Stirling de tip alfa cu pistoane cu simpl aciune i cu cilindrii n V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.3.1.1.6. Motoare Stirling de tip alfa cu p