Βελτιστοποίηση μηχανής stirling και του αναγεννητή της

Abstract

The subject of this thesis is the in depth analysis of the Stirling engines and their regenerator. A complex thermodynamic model, the SETAM-NTUA (Stirling Engine Thermodynamic Analysis Model – NTUA), was accordingly to simulate the behaviour of the Stirling heat engines. Their optimal operating features were determined in an optimum operating environment for the regenerator.The causes influencing the temperature of the working medium were also examined in relation to optimising the thermodynamic analysis of the Stirling engines. The effects of heat transfer between the operating medium and the walls were investigated. The flow conditions of the operating medium in the engine compartment were studied, especially through the regenerator mesh. Thermal conductivity losses in different parts of the engine were calculated together with the heat losses due to the reciprocating motion in the displacer. The leakage from the operating medium between the compression space and damping space was investigated and the effect of the latter upon the operating efficiency of the engine was calculated. The energy dissipation under a wide range of operating conditions was also studied.The regenerator’s efficiency optimization was studied as a function of its geometrical characteristics, which included porosity and filament diameter. The relative efficiency of the regenerator and the engine’s performance was also investigated. The optimal combination of the regenerator’s geometrical characteristics that lead to high regenerator efficiency and high engine performance were simultaneously determined.The credibility of the computer codes was tested under an experimental relation and the respective computational results for the GPU-3 and PHILIPS engines produced by recognised research centres: Lewis Research Center – NASA, Research Laboratories of N. V. Philips Oak Research CenterThe experimental part of the thesis relates to measurements that were carried out on a Solo Stirling 161V machine. Measurements were carried out throughout the engine’s operating range and the unit’s energy efficiency was studied. The results of the hereinabove computational models were mapped with the corresponding experimental results.The analysis methodology for the rhombic type kinematic mechanism that was used by Meijer in his doctoral dissertation was employed to study the kinematic mechanisms and investigate their impact upon the performance of Stirling engines. The energy losses due to friction and inertia throughout the engine’s entire range of revolutions and levels of medium pressure were calculated. The variation of the instantaneous angular speed and crank angle from the corresponding theoretical value was studied.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η εμβάθυνση στην ανάλυση των μηχανών Stirling και του αναγεννητή τους. Προς τούτο αναπτύχθηκε σύνθετο θερμοδυναμικό μοντέλο προσομοίωσης της συμπεριφοράς των θερμοκινητήρων Stirling, το SETAM-NTUA (Stirling Engine Thermodynamic Analysis Model - NTUA). Με βάση το μοντέλο αυτό κατασκευάστηκε υπολογιστικός κώδικας SETAC-NTUA σε περιβάλλον Mathcad, με το οποίο αναλύθηκε η συμπεριφορά των πιο γνωστών μηχανών Stirling. Προσδιορίστηκαν τα βέλτιστα λειτουργικά χαρακτηριστικά τους σε περιοχή βέλτιστης λειτουργίας του αναγεννητή.Για ταχείς και σχετικά απλούς υπολογισμούς εξελίχθηκε το κλασσικό αδιαβατικό μοντέλο ανάλυσης των μηχανών Stirling. Με το εξελιγμένο αδιαβατικό μοντέλο αίρονται πολλοί από τους περιορισμούς του κλασσικού αδιαβατικού μοντέλου, που αναπτύχθηκε στα πλαίσια προηγούμενης Διδακτορικής Διατριβής από τον Δρ Νικόλαο Μπορμπιλά στο εργαστήριο εφαρμοσμένης θερμοδυναμικής της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π.. Κατασκευάστηκε επίσης υπολογιστικός κώδικας για την αξιοποίηση του.Ως προς τη βελτιστοποίηση της θερμοδυναμικής ανάλυσης των μηχανών Stirling, μελετήθηκαν τα αίτια που επηρεάζουν τη θερμοκρασία του εργαζόμενου μέσου.Διερευνήθηκαν τα φαινόμενα μετάδοσης θερμότητας μεταξύ εργαζόμενου μέσου και τοιχωμάτων. Μελετήθηκαν οι συνθήκες ροής του εργαζόμενου μέσου στους χώρους της μηχανής, ειδικά μέσω του πλέγματος του αναγεννητή. υπολογίστηκαν οι απώλειες θερμικής αγωγιμότητας στα διάφορά μέρη της μηχανής και οι απώλειες θερμότητας λόγω της παλινδρομικής κίνησης του εκτοπιστή. Διερευνήθηκε η διαρροή εργαζόμενου μέσου μεταξύ του χώρου συμπίεσης και χώρου απόσβεσης και υπολογίστηκε η επίδραση της λειτουργίας του τελευταίου στην απόδοση της μηχανής. Επίσης μελετήθηκε η διάχυση της ενέργειας σε ευρύ φάσμα συνθηκών λειτουργίας.Ως προς τη βελτιστοποίηση του αναγεννητή, μελετήθηκε αποδοτικότητα του συναρτήσει των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του, όπως το πορώδες και η διάμετρος του νήματος. Επίσης διερευνήθηκε η σχέση αποδοτικότητας του αναγεννητή και απόδοσης της μηχανής. Προσδιορίσθηκε βέλτιστος συνδυασμός των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του αναγεννητή που οδηγεί σε ταυτόχρονα υψηλή αποδοτικότητας αναγεννητή και υψηλής απόδοσης της μηχανής.Η αξιοπιστία των υπολογιστικών κωδίκων δοκιμάσθηκε σε σχέση πειραματικά και ανάλογα υπολογιστικά αποτελέσματα για τις μηχανές GPU-3 και PHILIPS, των αναγνωρισμένων ερευνητικών κέντρων: Lewis Research Center – NASA, Research Laboratories of N. V. Philips Oak Research CenterΤο πειραματικό μέρος της εργασίας αφορά μετρήσεις στη μηχανή Solo Stirling 161V η οποία εγκαταστάθηκε το 2010 στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π.. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε όλο το φάσμα λειτουργίας της μηχανής και μελετήθηκε η ενεργειακή απόδοση της μονάδας. Πραγματοποιήθηκαν αντιστοιχίσεις των αποτελεσμάτων των προαναφερθέντων υπολογιστικών μοντέλων με τα αντίστοιχα πειραματικά.Για τη μελέτη των κινηματικών μηχανισμών και της διερεύνησης της επίδρασής τους στην απόδοση των μηχανών Stirling, χρησιμοποιήθηκε η μεθοδολογία ανάλυσης του κινηματικού μηχανισμού ρομβικού τύπου που χρησιμοποίησε ο Meijer στη διδακτορική του διατριβή. Υπολογίσθηκαν οι απώλειες ενέργειας λόγω τριβών και αδράνειας σε όλο το φάσμα των στροφών και των επιπέδων μέσης πίεσης της μηχανής. Μελετήθηκε η απόκλιση τηςστιγμιαίας γωνιακής ταχύτητας και της γωνίας στροφάλου από την αντίστοιχη θεωρητική τιμή τους.