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
5bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học thuỷ sản
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


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:

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

. 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.



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.1.7. 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

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)
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.

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


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.

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.

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
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

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








1
ln
23 v
CSS
(2.9)

Trích đoạn THIẾT KẾ VÀ CHẾT ẠO CÁC BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT

---