Motorul Stirling

33
MOTORUL STIRLING ELEV: [COMPANY NAME] JANUARY 1, 2015

description

Explanation of a Stirling engine mecanism.

Transcript of Motorul Stirling

motorul stirling

Table of ContentsArgument2Generaliti31.Principiul de funcionare32.Ciclul termodinamic93.Surse de pierderi104.Influena parametrilor constructivi i funcionali asupra performanelor145.Construcia motorului Stirling cu simpl aciune156.Construcia motorului Stirling cu dubl aciune197.Particularitile motorului Stirling cu lichid.208.Aprecierea calitilor de sistem de propulsie pentru motorul Stirling219.Parametri caracteristici i soluii constructive23Bibliografie25

Argument

Generaliti

Motorul Stirling (MS), denumit dup genialul su inventator, Robert Stirling, reprezint mai mult un principiu funcional, dect o soluie tehnic.Principial, motorul Stirling se bazeaz pe diferena de presiune care apare cnd un fluid se afl la temperaturi diferite. Din diferena de presiune se obine lucrul mecanic. Fluidul de lucru este nclzit i rcit succesiv din exterior. Acest principiu are numeroase variante constructive cu un potenial de optimizare neexploatat complet.Scurt istoric. Motorul a fost inventat n Scoia de preotul Robert Striling n jurul anului 1820. Varianta sa constructiv a fost funcional.Un interes deosebit a fost artat de armata german n timpul celui de al II-lea rzboi mondial, datorit calitilor sale policombustibile. Dup rzboi, firma olandez Phillips ncepe cercetri amnunite, ns perfomanele las de dorit. n aceeai perioad motorul este ncercat nu cu atta convingere de ctre firmele mari americane i canadiene, cercetri continuate pn n prezent. Potenialul randamentului ridicat pentru acest motor, noxele redus impun cercetri suplimentare nu numai termodinamice, dar, mai ales, privind materialele utilizate.

1. Principiul de funcionare

Cunoscnd faptul c un fluid la volum constant are presiuni diferite pentru temperaturi diferite, principiul fundamental al MS este obinerea de lucru mecanic din diverse presiuni a unui gaz aflat la temperaturi diferite. Cum fluidul nu se poate afla simultan la dou temperaturi diverse, este necesar nclzirea i rcirea sa alternativ. nchiderea gazului ntr-o incint i iniierea unui ciclu extern de nclzire rcire, nu este posibil datorit ineriei termice a materialelor mult prea mare pentru un ciclu termodinamic rapid necesar la motor. Posibilitatea practic este crearea unei zone reci i a uneia calde i deplasarea fluidului de lucru ntre cele dou zone.n MS lucrul mecanic se obine din comprimarea la temperatur joas a fluidului de lucru, nclzirea sa i destinderea la temperaturi ridicate. Cum energia mecanic primit de la gaz este mai mare dect cea consumat pentru comprimarea gazului, se obine un lucru mecanic util.Pentru a face sistemul funconal, se menine un capt al cilindrului cald i altul rece. Construcia cu un piston nu ar permite funcionarea, deoarece fluidul din cilindru ar fi nclzit i rcit simultan. Acestei dileme i-a gsit soluia chiar Robert Stirling, care a prevzut un piston suplimentar (diferit de cel descris pn la acest punct). Pistonul suplimentar are rolul s despart zona cald de cea rece i s deplaseze fluidul de lucru ntre cele dou zone. Astfel, fluidul va fi succesiv nclzit n zona cald, transportat n zona rece i rcit. Pistonul iniial, care culege lucrul mecanic, este numit piston motor (sau de lucru), iar pistonul care deplaseaz fluidul ntre cele dou zone se numete piston distribuitor. Fiecare din cele dou pistoane are o curs i puncte moarte. Transportul ntre cele dou zone se face printr-un canal de legtur. Dac n acest canal se plaseaz o reea metalic, atunci ea va absorbi cldura atunci cnd gazul cald va trece spre zona rece. Gazul trece de reea fiind mai rece i diminueaz efortul de rcire n zona rece. Atunci cnd se schimb sensul i gazul rece trece spre zona cald, reeaua se afl la o temperatur mai mare dect a fluidului i cedeaz energie termic. Gazul este prenclzit de reea i efortul de nclzire (consumul de combustibil) va fi diminuat. Reeaua se numete regenerator i permite creterea semnificativ a randamentului.Ciclul complet de funcionare poate fi descris cu considerentele de mai sus, urmrind fazele succesive n figura 1.1, unde este notat cu 1 pistonul motor PM, 2 pistonul distribuitor PD, 3 zona rece, 4 zona cald, 5 rcitorul, 6 regeneratorul, 7 nclzitorul.

Fig. 1.1. Principiul de funcionare al motorului Stirling.

n poziia I pistonul motor se afl la punctul su mort inferior, iar pistonul distribuitor la punctul su superior. Gazul se afl destins ntre pistoane n zona rece.n timpul trecerii de la starea I la II, PM comprim aerul n zona rece.n acest timp PD este n p.m.s.De la II la III, PD n micare descendent, mpinge gazul prin regenerator (unde preia cldur) i nclzitor (unde ajunge la cea mai nalt temperatur a ciclului) pn n zona cald. Prin aceast deplasare, volumul rmne constant, deci procesul de nclzire are loc la volum constant.De la III la IV gazul se destinde. Ambele pistoane sunt mpinse n p.m.i., efectundu-se lucrul mecanic.De la IV la I, PD se deplaseaz spre p.m.s., mpingnd gazul prin regenerator (unde cedeaz cldur) i rcitor (unde ajunge la cea mai mic temperatur a ciclului) n zona rece dintre pistoane. Prin aceast deplasare nu se modific volumul. Ciclul funcional se reia.Deplasarea pistoanelor este comandat de un mecanism motor construit n diferite variante.Clasificare i variante constructive. Principiul enunat permite mai multe variante, clasificate dup cum urmeaz.Dup natura pistonului: Cu pistoane solide; Cu pistoane lichide.Varianta cu pistoane solide este mai utilizat datorit presiunilor mari de lucru i randamentelor mai ridicate. Varianta cu pistoane lichide necesit cuplarea cu o transmisie hidrostatic. Este deosebit de simpl constructiv i deci fiabil. Randamentele sale sunt ns reduse, necesitnd cercetri suplimentare.Dup natura fluidului de lucru: Cu gaze; Cu lichide.Experimentele cu fluid de lucru lichid sunt limitate artnd un necesar de gabarit mai ridicat. Randamentul este sczut datorit transferului dificil de cldur. Capacitatea caloric a lichidului mult mai ridicat dect a gazului nu exclude soluia care ns necesit cercetri mai ample.Dup modul de lucru: Cu simpl aciune; Cu dubl aciune.La varianta cu dubl aciune, exist un singur piston care are succesiv rol distribuitor i motor, zonele cilindrilor fiind conectate ntre cilindri nvecinai. Soluia cu dubl aciune promovat de GM are avantajul unui gabarit mai redus pentru acest principiu funcional. i aceast variant necesit cercetri suplimentare.Dup modul de cuplare al cilindrilor (fig. 1.2): Cu pistoane rigide; Cu pistoane libere.Sistemul cu pistoane rigide este legat la transmisia mecanic, iar cu pistoane libere aplicaiile pot fi multiple (mecanice, hidraulice). Mecanismul motor este considerat la motorul Stirling complicat i greoi, soluia cu pistoane libere avnd un potenial de aplicaie mai mare.

Fig. 1.2. Motor Stirling.a) MS cu pistoane libere; b) MS cu pistoane rigide.1 zona cald; 2 distribuitorul; 3 zona rece; 4 volumul elastic;5 pistonul liber al compresorului; 6 nclzitor; 7 regenerator;8 rcitor; 9 biela distribuitorului; 10 carcasDup modul de dispunere al cilindrilor (fig. 1.3):alfa; beta; gama.Clasificarea sub forma alfa, beta i gama a fost fcut de Kirkley n anul 1962. La motorul alfa exist dou pistoane n cilindri separai, conectai n serie prin nclzitor, regenerator i rcitor. Motorul beta i gama folosesc pistoane distribuitoare. La motorul beta ambele pistoane se gsesc ntr-un singur cilindru, n timp ce la varianta gama n cilindri diferii.Dup tipul mecanismului motor:Firma olandez Phillips a dedicat numeroase cercetri motorului Stirling cu mecanism rombic. O cinematic ce asigur rotaia uniform i construcia cea mai compact o prezint mecanismul cu plac turnant.Dup numrul de faze:o faz; mai multe faze.Preocuparea pentru natura fluidului de lucru i principiul funcional al motorului Stirling, au dus la considerarea transformrii de faz n timpl proceselor de nclzire i rcire.

Fig. 1.3. Modul de dispunere al cilindrilor:a) MS alfa; b) MS beta; c) MS gama.

n acest caz rcitorul are rol de condesator, regeneratorul de prenclzitor al lichidului i nclzitorul de vaporizator. Tentaia acestei evoluii este faptul c prin schimbarea de faz, fluidul absoarbe o cantitate de energie, care duce la rcirea sa, astfel c rcitorul poate fi dimensionat la un gabarit mai redus. Pentru aceast situaie rcitorul se realizeaz din tuburi termice.Dup regimul de funcionare:rezonant; nerezonant.Aceast categorie se aplic pentru motoarele cu pistoane libere sau la care zonele sunt cuplate prin lichide. Ideea fundamental este funcionarea n faz a turaiei i pulsaia proprie a elementelor libere (motorul cu pistoane libere) sau a coloanei de lichid.Avantaje i dezavantaje:-poluarea motorului este minim. Gazele de ardere conin noxe minime datorit unei arderi continue externe. Nu apare fum pentru combustibili uori. Fiind o ardere extern continu, procesul poate fi optimizat pentru noxe minime;-funcionarea silenioas i fr vibraii. Micarea pistoanelor poate fi echilibrat complet;-potenial pentru consum minim. Teoretic este posibil atingerea randamentului maxim al oricrui motor termic care lucreaz pentru o anumit diferen diferen de temperatur, n cazul ideal, randamentul ciclului Carnot;-randamentul motorului poate atinge valori rezonabile doar dac se folosete regenerator. Acesta are rolul de a prelua energie termic de la gazul cald i a o reda gazului rece;-potenial policombustibil. Sursa de energie poate fi de orice tip i form, singura condiie este atingerea diferenei de temperatur necesar funcional. S-a folosit energie solar, combustibili gazoi, lichizi i solizi, precum i combustibil nuclear.-fluidul de lucru fiind nchis, se poate utiliza orice fluid, urmrind proprietile de transfer de cldur maxim;-pentru randament ridicat, motorul trebuie s lucreze cu gaze cu mas molecular redus la presiuni ridicate 15 MPa;-principalele elemente de uzur sunt elementele de etanare;-datorit prezenei unui rcitor i a arderii externe, gabaritul motorului este relativ ridicat, iar puterea specific mai sczut dect la alte sisteme de propulsie;-permite inversarea ciclului termodinamic motor funcionnd ca pomp de cldur (sau circuit frigorific). Prima variant este interesant privind posibilitatea recuperrii energiei de frnare;-caracteristica de traciune este favorabil traciunii, ceea ce simplific transmisia;-rspunsul la accelerare este apropiat de al M.A.C.;-prezint cel mai mare lucru mecanic specific obinut de un ciclu nchis regenerativ;-nu necesit elemente de distribuie aflate n micare;-lucrnd ntr-un ciclu nchis, este posibil ridicarea presiunii minime a ciclului peste presiunea medie i prin aceasta mrirea lucrului mecanic specific. Aceast facilitate a fost aplicat de Stirling nc din 1843;-fluidele de lucru sunt gaze: aer, hidrogen sau heliu dar s-au experimentat i lichide ca alcooli, ap i mercur;-lucrul mecanic este proporional cu presiunea medie de lucru;-randamentul rmne constant funcie de domenii largi de variaie a parametrilor de lucru;-cantitile de ulei consumate sunt minime, uleiul nefiind n contact direct cu gazele de ardere;-fluctuaiile de moment pe durata unui ciclu sunt mult mai reduse dect la m.a.i. cu acelai numr de cilindri;-cupul motor este aproximativ independent de turaie;-cu ct temperatura de rcire este mai mare, cu att randamentul este mai mare spre deosebire de m.a.i. unde efectul este invers;-puterea specific (P/V) este asemenea unui M.A.C., iar puterea masic (P/m) ca a unui M.A.C. supraalimentat;-motorul conine numeroase sisteme complicate (nczitorul, regeneratorul, rcitorul, mecanismul motor) care ridic preul de fabricaie. MS este mai scump de fabricat i mai ieftin de exploatat i ntreinut dect un M.A.C.;-lucreaz la presiuni ridicate, ceea ce necesit sisteme de etanare speciale. Presiunea ridicat nu ridic extrem masa specific i volumul specific al motorului;-sistemul de reglaj este complicat;-este necesar un sistem special pentru asigurarea temperaturii minime a ciclului, adic sistem mare de rcire. Acesta este aproximativ de dou ori mai mare dect al unui M.A.C. sau M.A.S. Se constat c MS nu pierde o cantitate de energie att de mare prin sistemul de evacuare ca m.a.i., n schimb pierde prin sistemul de rcire.

2. Ciclul termodinamic

Evoluia parametrilor termodinamici ai MS se urmresc n figura 1.4. diagrama se refer la fluidul de lucru, nu la gazele de ardere.Conform descrierii fcute, ciclul termodinamic este format din urmtoarele procese: 1 2 comprimare izoterm (etapa I II n zona rece). Cldura din timpul comprimrii este evacuat de rcitor, care menine astfel constant temperatura n zona rece; 2 3 furnizarea izocor a cldurii (etapa II III) n regenerator i nclzitor. La volum constant presiunea va crete corespunztor punctului 3; 3 4 destinderea izoterm (etapa III IV). Rcirea care apare n timpul destinderii este compensat de nclzitor care menine o temperatur constant n zona cald; 4 1 rcirea izocor. Prin deplasarea pistonului distribuitor spre p.m.s, nu se modific volumul fluidului de lucru, n schimb se rcete mai nti n regenerator i apoi n rcitor.n figura 1.4 cu linie ngroat este reprezentat ciclul real care include i sursele de pierderi din timpul evoluiei gazului. Acestea sunt de natur termo i gazodinamic, dup cum urmeaz:

Fig. 1.4. Ciclurile termodinamice teoretice (A) i reale (B):a) Diagrama p V; b) diagrama T S.

3. Surse de pierderi

Pierderi termice. Aceast categorie de pierderi este legat de transferul de cldur datorat diferenei de temperatur ntre diferitele gaze.Conducie. Aceste pierderi apar ca urmare a transferului de cldur prin conducie de la zona cald la cea rece prin elementele care leag cele dou zone. Un caz particular al transferului prin conducie apare ntre pereii cilindrului i pistonul distribuitor, elemente care se gsesc la temperaturi diferite.Conveie i radiaie. Prile calde ale motorului transfer prin convecie i radiaie cldura spre mediu. Aceste pierderi depind mai mult de diferena de temperatur dect de nivelul de presiune. Ele pot fi diminuate prin nconjurarea prilor calde cu un prenclzitor pentru aerul de admisie destinat arderii.Gazele arse. La prsirea nclzitorului, gazele arse conin nc o cantitate de cldur care este degajat n mediu. Se pot diminua aceste pierderi prin dirijarea gazelor n prenclzitor.Pierderile vor crete cu creterea cantitii de cldur furnizat motorului.Schimbtorul de cldur. n schimbtoarele de cldur exist o diferen de temperatur ntre perete i gaz. n nclzitor peretele este mai cald, iar n rcitor mai rece, fiind date condiiile pentru schimb de cldur. Nivelul su crete cu creterea puterii.Regenerare incomplet. Regeneratorul lucreaz ca un tampon termic, care accept cldura i o cedeaz alternativ. Eficacitatea sa depinde de raportul cldurilor specifice ale materialului regeneratorului i fluidului de lucru i de debitul de gaz. Cu creterea densitii (creterea presiunii de lucru) i a frecvenei de lucru (creterea turaiei) crete capacitatea caloric a gazului, care tinde s satureze regeneratorul, rezultatul fiind o cretere a amplitudinii oscilaiei temperaturii regeneratorului. Apare astfel o scdere a eficienei.

Pierderi prin frecareFrecrile mecanice. Acest tip de pierderi apar n urma micrii relative a pieselor mecanismului motor i pentru antrenarea instalaiilor auxiliare, cum ar fi pompa de combustibil, pompa de ulei, poma pentru lichidul de rcire. Aceste pierderi cresc cu turaia i nivelul presiunii medii. Piesele n micare relativ sunt pistoanele fa de cilindri i fusurile mecanismelor motoare.Pierderi aerodinamice. Aceste pierderi apar n timpul trecerii fluidului de lucru ntre cele dou zone. Pierderile se manifest printr-o scdere de presiune n diagrama de destindere, influennd direct lucrul mecanic efectuat. Cderea de presiune depinde direct de densitate i ptratul vitezei de curgere.Prezena volumului mort. O abatere esenial de la ciclul ideal este imposibilitatea ca ntreg fluidul de lucru s fie n aceleai condiii n acelai loc i n acelai moment. Volumul mort este dat de volumul schimbtoarelor de cldur, astfel c n timpul schimbului de lucru mecanic gazele din schimbtoarele de cldur nu particip la proces, dar absorb din creterea de presiune. Astfel, puterea, care este dependent de presiunea medie, scade.

Determinarea parametrilor termodinamiciCa i la alte motoare invenia MS a precedat cu mult analiza sa termodinamic. Dup cincizeci de ani de la invenia sa (1831), MS a beneficiat de studiul (1871) cercettorul german Gustav Schmidt, analiza sa rmnnd neschimbat pn n 1960.Analiza lui Schmidt considera regeneratorul ideal i procesele din cele dou zone izoterme. n anii 60 Finkelstein considera transformrile adiabate, efectund calculul ciclului motor pentru aceast variant. Schmidt i Finkelstein considera fluidul de lucru un sistem nchis care schimb cu mediul cldur i lucru mecanic. Parametrii termodinamici necunoscui sunt presiunea i temperatura. Ambele analize folosesc ecuaia de conservare a energiei i ecuaia de stare a gaului.

Fig. 1.5. Modelul principal pentru simularea motorului Stirling.a)motorul bilanului energetic; b)cuplarea modelelor elementare.

Pentru analiza termodinamic se adopt modelul din figura 1.5, a, pentru care se fac urmtoarele consideraii i ipoteze de calcul:-MS se consider format din cinci spaii distincte aflate n serie (fig. 1.5, b): zona cald, rcitorul, regeneratorul, nclzitorul, zona rece;-pentru fiecare spaiu se ataeaz cte un volum de control;-din punct de vedere termodinamic, fiecare din elementele MS este un sistem deschis, aflat n interaciune mecanic i termic cu mediul;-fiecare element se trateaz cu acelai model, particularizat pentru fiecare condiie de curgere;-conductele de legtur se consider asimilate n volumele spaiilor de lucru;-starea n fiecare entiate se consider omogen, fiind caracterizat prin masa m, temperatura absolut T, volumul V i presiunea p, valorile lor fiind funcii de timp. Fiecare mrime este marcat printr-un indice corespunztor spaiului pe care l descrie;-masa de fluid este constant (nu apar pierderi de neetaneitate);-gazul de lucru este ideal, putnd fi utilizat ecuaia de stare a gazului ideal i cldurile specifice sunt constante;-turaia mecanismului motor este considerat constant;-ecuaiile necesare calculului termodinamic sunt bilanul energetic i ecuaia de stare a gazului;-fenomenele pentru ntregul ciclu se desfoar cvasistaionar, adic pentru intervalul elementar de timp, se consider o evoluie constant a parametrilor de stare;-energia cinetic i potenial a gazului se neglijeaz.Modelul izoterm. Acest model consider transformrile de stare n cele dou zone izoterme i permite o evaluare rapid a perfomanelor, fiind utilizat pentru calcule de predimensionare.Determinarea parametrilor funcionali. Calculul are rolul de a determina parametrii de stare, lucrul mecanic i cldura schimbat de fluid pentru un ciclu motor. Indicii parametrilor de stare au urmtoarele semnificaii: C compresor, R rcitor, SC regenerator (schimbtor de cldur), I nclzitor, D destindere, ZC zona cald, ZR zona rece.Masa de fluid M. Cantitatea de fluid este constant pentru un ciclu motor i format din masele din fiecare spaiu de lucru: . (1.1)Aplicnd ecuaia de stare a gazului perfect:, (1.2)ecuaia masei (1.1) devine:. (1.3)Temperatura n regenerator. TSC este temperatura medie a schimbtorului de cldur. Aceasta se calculeaz efectund urmtoarele raionamente.Distribuia de temperatur n regenrator este liniar, ntre temperaturile zonei reci i calde. Rezult pentru temperatura n regenerator la o distan x, ecuaia:, (1.4)unde LSC este lungimea schimbtorului de cldur.Masa total din regenerator este dat de ecuaia:, (1.5)unde este densitatea gazuui i volumul elementar dVSC este dVSC=ASCdx descris prin derivata sa longitudinal pentru arie de curgere constant ASC*VSC=ASCLSC.Introducnd n ecuaia masei (1.3) ecuaia de stare a gazului perfect i innd seama de expresia local a temperaturii (ec. 1.4), rezult: (1.6)Rezolvnd integrala, rezult ecuaia:. (1.7)Conform ecuaiei de stare a gazelor inversul celei de a doua fracii are dimensiune de temperatur fiind considerat temperatura medie din schimbtorul de cldur:. (1.8)Ecuaia (1.8) exprim temperatura regeneratorului funcie de temperaturile celor dou zone.Ecuaia presiunii medii instantanee. Introducnd n ecuaia masei (1.3) expresia temperaturii medii a regeneratorului (1.8), rezult ecuaia presiunii instantanee n funcie de volumele instantanee i temperaturile celor dou zone de lucru. Ecuaia prezint expresia presiunii instantanee, avnd ca date de intrare masa de fluid M, constanta gazului R, volumele instantanee ale celor cinci spaii de lucru (determinate de cinematica mecanismelor motoare), temperaturile din cele dou zone termice. Ecuaia dedus pentru un cilindru este valabil pentru policilindru, nmulind volumul elementar cu numrul de cilindri.-1 . (1.9)

4. Influena parametrilor constructivi i funcionali asupra performanelor

Influena presiunii medii. Influena presiunii medii se determin experimental i teoretic, folosind modelul de simulare. Experimental se constat aproximativ o dublare a puterii cu dublarea presiunii medii, influena fiind mai clar cu creterea turaiei. Valorile maxime sunt limitate la 20 MPa, constatndu-se c peste aceast limit eficiena regeneratorului scade.n plus apar probleme de dimensionare, rezisten mecanic i etanare.Cuplul motor depinde la fel ca i puterea de presiunea medie, cuplul fiind foarte puin dependent de turaie.Creterea presiunii medii afecteaz cele trei componente ale randamentului efectiv: transformarea combustibilului n cldur (randamentul arderii), transformarea cldurii n lucru mecanic (randamentul termic), i transformarea lucrului mecanic n micare de rotaie (randamentul mecanic). Presiunea influeneaz curgerea i prin aceasta coeficienii de convecie. La presiune mai mare, gazul este capabil s preia mai mult cldur pe care s o transforme n lucru mecanic. n ceea ce privete frecrile, acestea vor fi mai ridicate sub aciunea presiunilor mai mari.Cum presiunea influeneaz proporional puterea, ea devine i modalitatea de modificare a puterii, influennd att momentul ct i turaia.Influena temperaturilor. Ca pentru toate mainile termice randamentul termic crete cu ct temperatura la care se furnizeaz sistemului cldur mai mare, i cu ct temperatura la care se evacueaz cldura este mai redus. Acest efect va fi mai pregnant la MS unde expresia randamentului termic este identic cu a randamentului ciclului Carnot. Realizrile practice nu au reuit s depeasc 65-70% din valoarea randamentului ciclului Carnot. Acestea arat potenialul de optimizare care se poate obine pentru funcionarea la temperaturi ridicate n zona cald i ct mai sczute n zona rece.Influena naturii fluidului de lucru. Primele aplicaii au utilizat aerul, altele au folosit alte gaze, lichide sau cele dou faze ale unui fluid. Utilizarea gazelor are cea mai mare rspndire. Gazele utilizate sunt hidrogenul, heliul i azotul. Utiliznd gaze uoare se poate obine o cretere de putere de aproximativ 15% fa de aer sau azot. n general fluidul ideal va fi cel care combi proprietile de transport (favorabile transferului de cldur) cu pierderi aerodinamice. Astfel fluidul trebuie s prezinte: conductivitate termic ct mai mare, capacitate caloric ct mai mare cp, cv, viscozitate redus v, densitate redus , factor de capacitate F ct mai ridicat, definit ca raport ntre capacitatea fluidului de a transfera cldur spre regenerator i cldura absorbit necesar. Expresia matematic este:. (1.10)Densitatea i capacitatea caloric sunt componente ale masei, respectiv energiei i nu apare o influen evident a calitilor fluidului, lipsind din literatur date concludente. O simulare a proceselor pentru diferite fluide nu ar avea suport fr confirmare experimental.Nu exist nici un fluid care s ndeplineasc toate cerinele termogazo-dinamice cu excepia aliajului eutectic NaK, a crui cercetare este nc n derulare. Pe lng factorii termodinamici, la aplicaiile largi trebuie considerai i ali factori, cum ar fi costuri, sigurana funcional, posibilitile de producere a substanelor componente.Toate aceste puncte de vedere ridic problema realizrii unor substane sintetice care s rspund complexului de cerine, obiect de studiu al chimiei fizice.

5. Construcia motorului Stirling cu simpl aciune

Schema constructiv a MS cu simpl aciune i mecanism rombic este redat n figura 1.6.Funcionarea motorului se urmrete n figura 1.7 i cuprinde urmtoarele faze:

Faza 1. Compresie i transferul gazului n zona rece (fig. 1.7, a).Ambele pistoane se deplaseaz spre p.m.s. Fluidul de lucru se deplaseaz din zona cald care se reduce, prin conductele nclzitorului expus gazelor de ardere, prin conductele regeneratorului unde cedeaz o parte din energia sa termic i prin conductele rcitorului unde cedeaz cea mai mare parte a energiei termice i ajunge n zona rece. Prin scderea de volum cauzat de deplasarea ascendent a pistonului motor, fluidul de lucru este comprimat. n timpul comprimrii temperatura rmne aproximativ constant.Faza 2. Definitivarea compresiei cu transferul fluidului de lucru din zona rece n cea cald (fig. 1.7, b).Pistonul motor PM se deplaseaz nc spre p.m.s., n timp ce pistonul distribuitor PD ncepe cursa descendent. Volumul zonei reci se diminueaz i prin micarea PD fluidul este forat s treac prin rcitor, regenerator, de unde preia o parte din cldura acumulat la ciclul anterior i prin nclzitor, de unde fluidul preia cldura rezultat n urma arderii combustibilului. Aceast cldur este furnizat n zona cald. Volumul fiind aproximativ constant, dei fluidul se deplaseaz, presiunea crete prin nclzire.Fig. 1.6. Construcia motorului Stirling cu simpl aciune i mecanism rombic: 1-galerie circular de conducte; 2-gaze arse; 3-zon cald; 4-aripioare de nclzire; 5-zona rece; 6-spaiu tampon; 7-biela pistonului motor; 8-bra; 9-fusurile arborelui cotit; 10-fusul jugului pistonului distribuitor; 11-jugul pistonului distribuitor; 12-roi dinate; 13-biela pistonului distribuitor; 14-carterul mecanismului rombic; 15-jugul pistonului motor; 16-elemente de etanare; 17-piston motor; 18-pistonul distribuitor; 19-tubulatura rcitorului; 20-regeneratorul; 21-aer prenclzit; 22-prenclzitor; 23-tubulatura nclzitorului; 24-izolaie; 25-camera de ardere; 26-injector de combustibil.

Faza 3. Destinderea cu obinerea de lucru mecanic i definitivarea transferului de fluid (fig. 1.7, c).Ambele pistoane se deplaseaz spre p.m.i. avnd ca efect scderea volumului zonei reci i creterea celui corespunztor zonei calde. n acest timp este furnizat cldur prin arderea combustibilului. Prin creterea presiunii ambele pistoane sunt mpinse spre p.m.i. Rezultatul este c volumul crete, iar presiunea scade. n aceast faz temperatura se modific extrem de puin.

Faza 4. Evacuarea cldurii cu transferul fluidului de lucru n zona rece (fig. 1.7, d).PD schimb sensul de deplasare mrind volumul dintre pistoane, adic volumul zonei reci. n micare ascendent PD mpinge gazul cald prin tuburile nclzitorului, ale regeneratorului unde cedeaz cldur i rcitorului.Gazul se destinde pentru a umple spaiul tot mai mare care se creeaz ntre pistoane. n consecin, presiunea scade.n timpul funcionrii, trecerea de la o faz la alta este continu, fr schimbri brute de proprietate, ceea ce asigur motorului o uniformitate i funcionare silenioas.n figura 1.7 se poate urmri i deplasarea mecanismului rombic pe parcursul celor patru faze. Pe lng mecanismul rombic s-a bucurat de atenie i soluia cu plac turnant i soluia cu jug.Fig. 1.7. Fazele funcionale ale motorului Stirling.

Elemente constructive. Unitatea termic este dispozitivul n care are loc transferul de cldur de la gazele de ardere la fluidul de lucru, fiind compus din nclzitor 23, regenerator 20 i rcitor 19 (fig. 1.6).nclzitorul este format dintr-un set de tuburi dispuse circular n partea superioar a cilindrului. Tuburile conduc gazul la nite cupole aparinnd regeneratorului, cupole grupate n jurul cilindrilor. n cupole se gsete o reea de fire ondulate, de diametru redus care preiau cea mai mare parte a energiei termice a gazului ce trece din zona cald n cea rece. Fluidul, la parcurgerea traseului invers, se nclzete de la aceast reea. De la baza regeneratorului pornete o reea de conducte aparinnd rcitorului. Rcirea este cu ap. Fluidul colectat este dirijat n zona rece.Combustibilul este introdus printr-un injector n camera de ardere montat deasupra cilindrilor, unde se amestec cu aerul de ardere i arde continuu la o temperatur de 700C. gazele parcurg reeaua nclzitorului cednd aproximativ 90% din energia pe care o conin.Exist n camera de ardere o bujie, dar aceasta este destinat doar pentru pornire. Procesul de ardere fiind continuu i complet duce la emisii de noxe minime.Mecanismul motor. Pentru aplicaiile existente de motoare Stirling s-au generalizat trei mecanisme: rombic, cu plac turnant i biel manivel. Avnd n vedere construcia relativ complicat a mecanismelor motoare, exist preocuparea pentru nlocuirea lor cu sisteme hidraulice, pistonul motor fiind n acest caz elementul de pompare al transmisiei hidrostatice. Astfel de variante sunt indicate ca avnd un potenial de optimizare ridicat, fiind interesante din punct de vedere al simplitii constructive i al fiabilitii. Prezentarea de fa se limiteaz la mecanismele mecanice.Mecanismul rombic (fig. 1.6) prezint doi arbori cotii deplasai simetric fa de axa motorului, care sunt legai ntre ei prin dou dinate. Micarea lor este n sensuri opuse.Cei doi arbori sunt legai prin dou juguri, unul superior, de care este legat PM printr-o cupl mobil, i unul inferior de care este legat fix PD. Biela PD trece prin braul PM. Ambele juguri sunt legate de arbore prin perechi de brae cuplate la un fus comun, formnd astfel un romb. Prin aceast form este asigurat o simetrie perfect a mecanismului pe durata unui ciclu. Forele de inerie sunt echilibrate complet prin mase dispuse simetric fa de axa de rotaie compensnd masele pistoanelor i ale braelor. Mecanismul nu genereaz foe normale ceea ce duce la scderea frecrilor i a problemelor de etanare. Pentru a diminua suplimentar pierderile de etanare este prevzut spaiul tampon (fig. 1.6) care este umplut cu gaz sub presiune. Problemele de etanare apar n lungul tijelor.Schema cinematic a mecanismului rombic este un mecanism biel-manivel mai complex, format practic din dou pistoane legate prin dou biele la arborii cotii. Cinematica, dinamica i calculul organologic pot fi extrapolate de la motorul cu ardere intern.Mecanismul cu plac turnant (fig. 1.8) are ca element central un disc dispus oblic fa de axa cilindrilor de lucru. n timpul rotaiei placa efectueaz o micare spaial. Bielele pistoanelor se leag de placa oblic printr-o potcoav care se sprijin pe plac prin pastile semisferice.

Fig. 1.8. Mecanismul motorului Stirling cu plac turnant.

6. Construcia motorului Stirling cu dubl aciune

La motorul cu dubl aciune sunt necesari mai muli cilindri (minim trei).Ideea fundamental este cuplarea zonei calde a unui cilindru cu zona rece a cilindrului alturat.n figura 1.9 este redat principiul cu fazele de funcionare a motorului cu dubl aciune.Fig. 1.9. Motorul Stirling cu dubl aciune (a) i fazele de funcionare (b).

Deasupra pistonului este zona cald, iar sub piston zona rece.Pe conducta de legtur dintre cele dou zone sunt nseriate nclzitorul, regeneratorul i rcitorul. n timpul funcionrii fluidul de lucru este transmis ntre doi cilindri alturai, dar nu parcurge toi cilindrii.Pentru aceast construcie exist un singur piston care ndeplinete att funcia motoare ct i de distribuie, fiecare piston participnd la dou cicluri cunoscute de la construcia cu simpl aciune.Procesele care au loc sunt cele descrise n subcapitolul 1. Pe ramurile de legtur au loc patru procese defazate ntre ele conform figurii 1.8, b, i anume:-compresia i nclzirea gazului avnd ca efect creterea rapid de presiune;-destinderea la presiune ridicat (faza motoare);-destinderea i rcirea fluidului de lucru rezultnd scderea rapid de presiune;-compresie la joas presiune (faza de compresie propriu-zis).Dispunerea cilindrilor se face:-n linie; arborele motor fiind de tipul arbore cotit cu fusurile manetoane dispuse la 90;-n ptrat unde mecanismul motor este de tip plac turnant sau biel-manivel.Soluia cu dispunerea n ptrat are avantajul unui gabarit mult mai redus i posibilitatea utilizrii unui singur sistem de ardere. Varianta cu plac turnant pentru motorul ptrat a fost intensiv cercetat de firmele Phillips, GM i Ford, obinndu-se randamente mecanice de peste 90%. Un motiv n plus pentru justificarea cercetrilor pentru aceast variant este posibilitatea recuperrii regenerative de energie n timpul frnrii automobilului, motorul Stirling funcionnd n regim de pomp de cldur.

7. Particularitile motorului Stirling cu lichid.

Cercetri asupra utilizrii fluidului de lucru format din dou faze sau un lichid au fost efectuate sporadic, existnd un potenial de cercetri nc nexploatat pentru explicarea fenomenelor.Cercetri ample, dei publicate doar parial, au fost efectuate 1931 de Malone. Parametrii caracteristici sunt sintetizai n tabelul 1.

Tabelul 1.1.Parametrii caracteristici indicai de MaloneParametrul Valoarea indicat de Malone

Randamentul indicat27%

Turaia de funcionare24-250 min-1

Presiunea medie de lucru6,8-27,4 MN/m2

Temperatura fludului~270C

Lichidul de lucruAp, mercur, ulei, benzin, CO2 lichid

Lichidul preia funciile gazului din varianta clasic. n aceste condiii trebuie considerat variaia de volum a lichidului cu presiunea i temperatura, chiar dac este mult mai redus dect la gaze.Diagrama p-V a apei pe care sunt indicate izotermele, inclusiv cele care separ fazele apei, i domeniul de valori indicat de Malone arat c starea fluidului trebuia s fie vapori. Rezultatele optime au fost gsite pentru ap.Malone indic un potenial de optimizare, folosirea de fluide de natur diferit pentru cele dou zone.Forma alungit a cilindrilor se datoreaz pereilor groi necesari pentru preluarea forelor de presiune, dar care induc pierderi mari prin conducie.Densitatea mare a fluidului de lucru nu permite funcionarea la turaii mari; din acest motiv motorul lucreaz la presiuni ridicate i are gabarit ridicat.Avantajele lichidelor comparativ cu gazele sunt:-ratele foarte mari de cldur transferat;-cldura specific mai ridicat a lichidului;-problemele de etanare mai reduse;-lichidul are efect lubrifiant.Un alt avantaj este caracteristica de autocomprimare. Considernd nclzirea lichidului de la sursa extern n zona cald, apare dilatarea lichidului i compresia fluidului nc rece, rata de cretere (dp/dv) fiind foarte ridicat.

8. Aprecierea calitilor de sistem de propulsie pentru motorul Stirling

Puterea, momentul i randamentul termic. Caracteristicile sunt relativ asemntoare cu ale m.a.i., cu avantajul unui coeficient de adaptabilitate mai bun, 1,2 1,4 fa de 1,1 1,25 al m.a.i. Curba mai eficient a momentului simplific transmisia, ceea ce ar compensa preul de cost mai mare al motorului Stirling.Variaia pe ciclu a momentului. Pentru acelai numr de cilindri i aceeai putere, MS are o variaie pe ciclu mult mai redus dect m.a.i. (fig. 1.10) - 5% fa de valori n domeniul negativ care apar la m.a.i. La aceeai putere, valorile medii ale momentului sunt mult mai ridicate la motorul Stirling. Cauza acestei diferene este variaia mic de presiune care apare pe durata unui ciclu (pmax/pmin=2). De asemenea, are loc un ciclu complet n fiecare cilindru pe durata unei rotaii complete. Avantajele acestei evoluii sunt forele mai reduse care solicit mecanismul motor i necesitatea unui volant de dimensiuni reduse.Fig. 1.10. Neuniformitatea de funcionare a motorului Stirling. a M.A.S. cu patru cilindri; b Motor Stirling cu patru cilindri.

Consumul specific. Consumul specific este reprezentat n figura 1.11 pentru un motor Stirling de putere redus. Se constat c valorile minime se obin pe domenii largi de turaii, existnd o puternic dependen de presiunea medie de funcionare i temperatura zonei calde.Funcionarea la sarcini pariale. Faptul c randamentul termic i deci consumul specific este relativ constant pentru un domeniu larg de turaii este un avantaj special pentru aplicaiile la automobil.

Fig. 1.11. Influene asupra consumului specific a motorului Stirling.

MS are la sarcini pariale, domeniul cel mai frecvent utilizat n traciunea automobilului (0,2 0,4 din puterea maxim), o caracteristic de consum relativ constant, ceea ce l dezavantajeaz fa de soluiile convenionale.Noxe. Particularitatea funcional a motorului Stirling permite folosirea oricrui tip de combustibil, cu condiia asigurrii unei diferene de temperaturi suficient de mare pentru o funcionare cu un randament acceptabil. Pentru combustibili lichizi fosili, benzine i motorine, noxele sunt mult mai reduse dect ale m.a.i., iar aceasta poate s fie unul din elementele determinante pentru considerarea sa ca o alternativ la m.a.i. Emisiile sczute de hidrocarburi nearse i monoxid de carbon au valori mai sczute datorit particularitilor de ardere din MS:-arderea are loc continuu;-temperatura de ardere este constant;-presiunea de ardere este sczut, apropiat de presiunea atmosferic;-pereii sunt fierbini;-vitezele de curgere sunt relativ sczute.n aceste condiii arderea este aproximativ complet.Zgomotul. Zgomotul MS este redus n timpul funcionrii, fiind considerat c funcioneaz ca o main de cusut. Aceasta se datoreaz absenei mecanismului cu supape i absenei variaiilor mari de presiuni care apar la m.a.i. De asemenea micarea prilor mobile este continu la viteze relativ sczute. n plus majoritatea mecanismelor motoare ale motorului sunt complet echilibrate, fiind eliminate sau diminuate esenial vibraiile. Partea principal a zgomotului este dat de ventilatorul rcitorului sau roile dinate ale mecanismului motor. Cercetri pentru autobuze echpate cu MS Phillips au artat valori de 65 dB (A), valori cu 15 dB (A) mai sczute dect ale autoturismelor.Pornirea. Motorul cu pistoane libere este capabil s porneasc fr sprijin extern din momentul nceperii nczirii sale. Motoarele cu mecanisme motoare au nevoie de sistem de pornire. nainte de pornire, zona cald trebuie s fie la temperaturi funcionale. La pornire este antrenat pompa de combustibil, i un ventilator pentru dirijarea aerului spre zona cald. Dup un timp de nclzire un sistem convenional cu demaror pune n micare mecanismul motor. Sistemul pornete sigur zona cald este prenclzit. Timpul de nclzire este aproximativ 15 secunde la 21C, perioad ce se prelungete cu scderea temperaturii.Rspunsul la accelerare. Motorul Stirling poate fi conceput pentru a rspunde rapid la schimbri de sarcin i turaie. Sarcina se modific prin modificarea cantitii de combustibil. Datorit ineriei termice a pieselor metalice controlul doar prin temperatur nu este suficient, fiind necesar un sistem hidraulic de control a presiunii medii de lucru.Puterea specific. Puterea specific este definit ca raportul dintre puterea efectiv i cilindreea, volumul sau masa motorului. Prin numeroase sisteme auxiliare, motorul Stirling este un motor masic, n special dac este prevzut cu mecanism motor rombic. Valorile tipice ale puterii specifice sunt 197 kg/kW fa de 31 la turbina cu gaze i 1,51 la m.a.i. Este nevoie de creterea presiunii medii i de construcii ingenioase pentru a reduce masa. Trecerea la construciile cu dubl aciune a permis njumtirea gabaritului i a masei, ajungnd la valorile tipice ale M.A.C. Principalul dezavantaj dimensional al motorului rezult din sistemul de rcire masiv, care trebuie s prelucreze aproximativ dublul energiei evacuate de sitemul de rcire al m.a.i.Costuri. O evaluare realist a costurilor este dificil datorit sistemelor mult diferite existente n componena motoarelor destinate traciunii. Elementele necesare fiecrui proces ridic costurile la aproximativ dublul unui M.A.C. care la rndul su este de dou ori mai scump dect un M.A.S. Avantajele financiare apar prin costurile de mentenan mai sczute. Trecerea la materiale ceramice se reflect asemntor n toate sistemele de propulsie, astfel c M.A.C. experimental a ajuns la randamente termice de 50%, ceea ce face s se apropie de eficiena motorului Stirling, dar nu i n ceea ce privete nivelul de noxe, criteriu esenial la ora actual pentru promovarea unei soluii tehnice. Parametrii discutai au fost obinui pentru motoare avnd fluid de lucru hidrogen sau heliu. Scderea preului se poate obine prin adoptarea aerului, dar parametrii de performan sunt n acest caz mai sczui.

9. Parametri caracteristici i soluii constructive

n tabelul 1.2 sunt ca exemplu oferite caracteristici ale unor motoare Stirling, dup cum urmeaz:1 UK Consortium Engine;2 Mechanical Tech.Inc.;3 General Motors Allison PD 67A;4 General Motors GPU 3;5 General Motors 4L23.Tabelul 1.2.Parametri caracteristici i elemente constructiveParametrul caracteristic12345

Puterea maxim16587,36,3134

Presiunea medie121510,64,115

Turaia nominal30004000300030002000

nclzitor Volumul mort (cm3)Aria transferului de cldur (m2)Fluxul termic (W/cm2)Cderea de presiune (MPa)1060,186

320,51830,22

910,03420,055

300,024810,059

340,00710500,547

790,05

RegeneratorNr. de regeneratoareVolumul mort (cm3)Aria transferului de cldur (m2)Cderea de presiune (MPa)

12504,7

0,25457032

0,61-722,9

0,048522,1

622442610,3

0,03

RcitorVolumul mort (cm3)Aria transferului de cldur (m2)Fluxul termic (W/cm2)Cderea de presiune (MPa)1240,153

280,0051230,425

300,028,20,032

280,003120,38

240,0071640,541

480,05

Bibliografie

1. Motoare pentru autovehicule Editura Dacia, Bazil Popa, Nicolae Bag, Aurica Czil2. Automobile Editura didactia si pedagogica 1992 , Gh. Fratila, Mariana Fratila , St. Samoila3. Motoare cu combustie interna - Editura didactia si pedagogica , Iulia Serban , Alexandru Steflea , Mihai Poenaru4. Tehnologia ntreinerii i Reparrii Motoarelor cu Combustie Intern Editura didactic i psihopedagogic, Bucureti 1978, M. Sechi, Al. teflea5. Instalaii i echipamente auto tehnologia meseriei electromecanic auto, Editura Didactic i Pedagogic, R.A. Bucureti, Mihai Poenaru, Aurel Leluiu.

25