Laboratorijska vaja

Laboratorij za termoenergetiko

Karakteristike stirlingovega motorja

Namen vaje

Stirlingov motor 2

spoznati osnove delovnih krožnih procesov ter na primeru

stirlingovega motorja določiti osnovne parametre procesa

MOTORJI

turbinski letalski

reaktivni

volumetrični

Diesel

Otto

Wankel

Stirling

Razdelitev

Stirlingov motor 3

Procesi v diagramih

4

p

V

1

2

2

1

dVpW

T

S

1

2

2

1

dSTQ

Stirlingov motor

Krožni proces

5

p

V

pro

ces

Win

Qin

Wout

Qout

koristno

delo

Stirlingov motor

Stirlingov krožni proces

Stirlingov motor 6

izotermna kompresija

izohorni dovod toplote

izotermna ekspanzija

izohoren odvod toplote

1 2

3 4

s

T

regeneracija toplote

1

2

3

4

V

p

regeneracija

dovedena toplota

regeneracija odvedena

toplota

Dr. Robert Stirling

(1790 – 1878)

Stirlingov motor - delovanje

Stirlingov motor 7

Beta Alfa

Stirlingov motor

1 2 3 4

Stirlingov motor 8

PRIMERJAVA ZNANIH KROŽNIH PROCESOV

Ericssonov krožni proces ... “mejni” proces:

• okolica (1bar, 300 K),

• vzdržljivost materialov (100 bar) in

• kurilnost goriva ter količina oksidanta (3000 K)

• znotraj njega potekajo vsi ostali znani krožni procesi

• pridobljeno delo (notranja površina) je v vseh ostalih procesi manjše

• Stirlingov proces se najbolj približa maksimalnemu delu Ericssonovega procesa

• sledijo Joulov, Dieselov, Ottov in Carnotov

Stirlingov motor 9

Cikel Delovna

sposobnost

Izkoristek Izkoristek z

regeneracijo

Ericsson 41,45 0,534 0,9

Stirling 20,72 0,455 0,9

Joule 16,06 0,723 /

Diesel 14,54 0,661 0,7

Otto 11,27 0,602 0,75

Carnot 0 – 2,1 0 – 0,732 /

Stirlingov motor - značilnosti

Stirlingov motor 10

Značilnosti

• volumski batni stroj z zunanjim zgorevanjem

• delovna snov je poljubna

• uporaba poljubnega goriva ali odpadne toplote

• proces zahteva 2 ločena prostora

• visok izkoristek η ≈ 36 % (večji od Ottovega in Wanklovega ter večine Dieslovih)

• značilna uporaba regeneratorja

• nizka vrtilna frekvenca

• velika delovna sposobnost

• tiho obratovanje (ni eksplozij v valju)

Uporaba

• kogeneracija v gospodinjstvih

• v otočnih sistemih

• za izkoriščanje odpadne toplote v industriji

• na plovilih

Stirlingov motor - naloga

Stirlingov motor 11

Znotraj stirlingovega motorja poteka desni krožni proces, s katerim pridobivamo mehansko delo. Delovni medij je zrak, ki ga obravnavamo kot idealen plin s plinsko konstanto R = 287 J/kgK in eksponentom politrope k = 1,4. Minimalni tlak v procesu je 1,2 bar, maksimalni tlak pa znaša 22 bar. Proces obratuje med temperaturama 290 K in 700 K. Glede na geometrijo valja in njegov delovni volumen določimo masni tok zraka znotraj stirlingovega motorja 6 kg/s. a) Izračunajte doveden in odveden toplotni tok v in iz procesa. b) Izračunajte mehansko moč, ki jo dobimo iz procesa. c) Izračunajte izkoristek krožnega procesa. d) Kolikšen je izkoristek z upoštevanjem stopnje regeneracije s = 0,8 ? e) Za koliko se zmanjša dovedena toplota, če znotraj stirlingovega motorja uporabimo

regenerativno gretje ?

Stirlingov motor - regeneracija

Stirlingov motor 12

p

v

1

2

3

4

v =v2 3 v =v1 4

T

s

12

3 4T =T T3 4 = max

T =T T1 2 = min

W

2'

4'

2'

4'

Q23

Q34

Q41

Q12p = p1 min

p = p3 max