Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực khảo sát đặc tính công suất của động cơ stirling loại alpha bằng phương pháp giải tích và phương pháp số

Luận văn khảo sát đặc tính công suất động cơ Stirling loại alpha bằng phương pháp giải tích và số, ứng dụng trong kỹ thuật cơ khí động lực.

• Tác giả: Phan Song Vũ
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Chí Công
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Khảo sát đặc tính công suất của động cơ Stirling loại alpha bằng phương pháp giải tích và phương pháp số
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về động cơ Stirling Alpha

Động cơ Stirling Alpha là một loại động cơ nhiệt hoạt động dựa trên chu trình Stirling, được đặc trưng bởi hai xi-lanh riêng biệt cho quá trình giãn nở và nén. Khảo sát đặc tính công suất của động cơ này là một nghiên cứu quan trọng nhằm tối ưu hóa hiệu suất và ứng dụng trong thực tế. Động cơ Stirling Alpha có khả năng hoạt động với nhiều nguồn nhiệt khác nhau, từ năng lượng mặt trời đến nhiên liệu sinh học, làm cho nó trở thành một giải pháp tiềm năng trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Với tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, việc nghiên cứu và phát triển các nguồn năng lượng tái tạo trở nên cấp bách. Động cơ Stirling Alpha được xem là một giải pháp hiệu quả nhờ khả năng hoạt động với nhiều nguồn nhiệt khác nhau. Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát đặc tính công suất của động cơ Stirling Alpha bằng phương pháp giải tích và phương pháp số, nhằm tìm ra các thông số tối ưu để nâng cao hiệu suất.

1.2. Sự cần thiết của phương pháp số

Phương pháp số, đặc biệt là mô phỏng CFD, đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu động cơ Stirling Alpha. Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác các quá trình nhiệt động lực học phức tạp bên trong động cơ, giúp xác định các thông số tối ưu mà phương pháp giải tích không thể đạt được. Khảo sát đặc tính công suất bằng phương pháp số mang lại kết quả chính xác hơn, hỗ trợ hiệu quả cho việc thiết kế và tối ưu hóa động cơ.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu này sử dụng hai phương pháp chính: phương pháp giải tích và phương pháp số (CFD). Phương pháp giải tích dựa trên mô hình của Schmidt kết hợp với lý thuyết hiệu suất cơ khí của Senf, trong khi phương pháp số sử dụng mô phỏng CFD để mô phỏng quá trình nhiệt động lực học bên trong động cơ. Cả hai phương pháp đều được áp dụng để khảo sát đặc tính công suất của động cơ Stirling Alpha, từ đó so sánh và đánh giá kết quả.

2.1. Phương pháp giải tích

Phương pháp giải tích sử dụng mô hình của Schmidt để tính toán công và công suất lý thuyết của động cơ Stirling Alpha. Mô hình này dựa trên các giả định đơn giản hóa, cho phép tính toán nhanh chóng nhưng có thể không chính xác trong một số trường hợp. Lý thuyết hiệu suất cơ khí của Senf được áp dụng để điều chỉnh kết quả, giúp đưa ra các dự đoán gần với thực tế hơn.

2.2. Phương pháp số CFD

Phương pháp số sử dụng mô phỏng CFD để mô phỏng quá trình nhiệt động lực học bên trong động cơ Stirling Alpha. Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác các quá trình phức tạp như truyền nhiệt và dòng chảy của lưu chất. Kết quả từ phương pháp số được so sánh với phương pháp giải tích để đánh giá độ chính xác và xác định các thông số tối ưu.

III. Kết quả và bàn luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự khác biệt đáng kể giữa phương pháp giải tích và phương pháp số. Phương pháp số mang lại kết quả chính xác hơn, đặc biệt trong việc mô phỏng các quá trình nhiệt động lực học phức tạp. Các thông số tối ưu được xác định thông qua phương pháp số, giúp nâng cao hiệu suất của động cơ Stirling Alpha. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc điều chỉnh các thông số như tỉ lệ thể tích quét và góc lệch pha là cần thiết để đạt được công suất cực đại.

3.1. Kết quả từ phương pháp giải tích

Kết quả từ phương pháp giải tích cho thấy các thông số tối ưu để động cơ Stirling Alpha đạt công suất cực đại. Tuy nhiên, do các giả định đơn giản hóa, kết quả này có thể không chính xác trong một số trường hợp. Phương pháp giải tích vẫn hữu ích trong việc cung cấp một cái nhìn tổng quan về các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ.

3.2. Kết quả từ phương pháp số

Phương pháp số mang lại kết quả chính xác hơn, đặc biệt trong việc mô phỏng các quá trình nhiệt động lực học phức tạp. Kết quả từ phương pháp số cho thấy các thông số tối ưu để động cơ Stirling Alpha đạt công suất cực đại. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc điều chỉnh các thông số như tỉ lệ thể tích quét và góc lệch pha là cần thiết để nâng cao hiệu suất.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu này đã khảo sát đặc tính công suất của động cơ Stirling Alpha bằng phương pháp giải tích và phương pháp số. Kết quả cho thấy phương pháp số mang lại độ chính xác cao hơn, đặc biệt trong việc mô phỏng các quá trình nhiệt động lực học phức tạp. Các thông số tối ưu được xác định thông qua phương pháp số, giúp nâng cao hiệu suất của động cơ. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc áp dụng các mô hình số tiên tiến hơn và thử nghiệm thực tế để kiểm chứng kết quả.

4.1. Kết luận

Nghiên cứu đã thành công trong việc khảo sát đặc tính công suất của động cơ Stirling Alpha bằng phương pháp giải tích và phương pháp số. Kết quả từ phương pháp số cho thấy các thông số tối ưu để động cơ đạt công suất cực đại, đồng thời chỉ ra sự cần thiết của việc điều chỉnh các thông số thiết kế.

4.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc áp dụng các mô hình số tiên tiến hơn, cải thiện độ chính xác của kết quả mô phỏng. Ngoài ra, thử nghiệm thực tế cũng cần được tiến hành để kiểm chứng và hiệu chỉnh các kết quả từ mô phỏng số.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Vấn đề ô nhiễm môi trường trên thế giới ngày càng diễn biến trầm trọng. Nồng độ CO2 trong khí quyển, nguyên nhân chính làm gia tăng nhiệt độ của trái đất liên tiếp cán những mốc kỉ lục mới. Tháng 5 năm 2013, lần đầu tiên giá trị nồng độ CO2 vượt ngưỡng 400 ppm tại trạm quan sát Mauna Loa (Hawaii). Tháng 4 năm 2014, 12 trạm quan sát trên thế giới đồng loạt ghi nhận giá trị 400 ppm.

Điều này có nghĩa rằng nồng độ CO2 cao kỉ lục đã trở thành vấn đề của toàn cầu và hoàn toàn không có dấu hiệu giảm sút. Mức tăng nồng độ Cacbondioxide trong khí quyển theo năm Xu hướng này đã và đang tiếp tục làm động lực thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu, tìm kiếm các giải pháp cho nguồn năng lượng tái tạo, bao gồm năng lượng sinh học, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, địa nhiệt, hydro… Theo số liệu thống kê từ nguồn REN21, trong nhóm các nguồn năng lượng tái tạo mới, từ năm 2009 đến nay, tốc độ tăng trưởng của công nghệ năng lượng mặt trời đang dẫn đầu với mức tăng thường niên đạt ~30%. Theo đó, tổng sản lượng điện năng lượng mặt trời của thế giới năm 2014 đạt 177 Gigawatts, gấp 7.5 lần so với năm 2009. Các quốc 1 TỔNG QUAN gia đang dẫn đầu thế giới về sản lượng điện năng lượng mặt trời bao gồm Trung Quốc, Đức, Mỹ và Tây Ban Nha.

Mức tăng trưởng của năng lượng mặt trời từ năm 2009-2014 Về khía cạnh động cơ Stirling, do có thể hoạt động với mọi nguồn nhiệt, nên khả năng ứng dụng rất rộng rãi. 2 nguồn năng lượng ứng dụng cho động cơ Stirling phổ biến nhất hiện nay là năng lượng mặt trời và năng lượng sinh học. Các dự án sản xuất điện năng sử dụng chảo hội tụ và động cơ Stirling (CPS) lớn nhất hiện nay bao gồm nhà máy điện Maricopa 1.5 MW tại Arizona, Mỹ; dự án EURODISH của Đức và Italia; nhà máy điện Aznalcollar 0.8 MW tại Sevilla, Tây Ban Nha. Việt Nam là quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời nên việc phát triển ứng dụng của động cơ Stirling trở nên rất hữu ích.

Theo khảo sát của Ciemat et al. [3], năng lượng mặt trời trung bình đạt 4-5 KWh/m2/ngày tại các vùng miền phía Nam. Theo đó, tiềm năng khai thác điện ước tính có thể lên đến 2 MWh/m2/năm. Hơn nữa, việc phát triển kết hợp với nhiên liệu sinh học cũng rất khả thi đối với những 2 TỔNG QUAN khu vực nông thôn, nhằm tận dụng nguồn nhiên liệu và tiết kiệm chi phí truyền tải điện năng.

Tổng sản lượng điện năng lượng mặt trời trên thế giới theo năm 1.2 Sự cần thiết phải sử dụng phương pháp số Trên thực tế, quá trình thiết kế động cơ Stirling của các kỹ sư hiện nay còn gặp phải nhiều khó khăn do số lượng nghiên cứu tối ưu hoá còn chưa nhiều. Hơn nữa, do tính chất phức tạp của quá trình trao đổi nhiệt, các phương pháp nghiên cứu động cơ Stirling đều gặp phải những trở ngại nhất định. Cụ thể như phương pháp giải tích áp dụng các giả thuyết chưa thực tế nên kết quả dự đoán còn chưa chính xác. Số liệu từ phương pháp thực nghiệm còn khá ít và rải rác, không đủ tính khái quát để áp dụng cho mọi thông số kỹ thuật.

Phương pháp số bị thử thách bởi khối lượng tính toán, khả năng hội tụ và việc kiểm chứng kết quả. Có thể nói, việc nghiên cứu tính toán, mô phỏng là rất cần thiết để phát triển và ứng dụng rộng rãi động cơ Stirling trong tương lai, góp phần cải thiện tình trạng ô nhiễm môi trường. Ngoài ra, cũng cần phải hoàn thiện các phương pháp mô phỏng 3 TỔNG QUAN và các mô hình số để kết quả tính toán được chính xác hơn, giải quyết được bài toán thiết kế tối ưu cho các kỹ sư.3 Đóng góp mới của đề tài Cho đến nay, có rất ít hướng nghiên cứu sử dụng thành công phương pháp CFD để mô phỏng động cơ Stirling. Tiêu biểu nhất là các nghiên cứu mô phỏng động cơ Stirling bằng phương pháp 3D CFD của Chen [4] và 2D CFD của Mahkamov [5].

Các hướng nghiên cứu này đều tập trung mô phỏng ứng xử của khối lưu chất bên trong động cơ và khảo sát công suất trên chu trình P-V. So với các hướng nghiên cứu trên, đề tài mô phỏng động cơ Stirling loại alpha sử dụng phương pháp CFD có những đóng góp mới sau đây:  Áp dụng mô hình truyền nhiệt hỗn hợp để mô phỏng quá trình truyền nhiệt hỗn hợp giữa miền lưu chất và miền rắn. Đây là lần đầu tiên mô hình này được áp dụng trong việc nghiên cứu động cơ Stirling. Theo đó, mô hình này sẽ thể hiện được sự mất mát nhiệt lượng giữa môi trường ngoài và thành rắn, nhằm đưa việc tính toán công suất động cơ Stirling gần với thực tế và cho kết quả chính xác hơn.

 Áp dụng lý thuyết về hiệu suất cơ khí của Senf [2] vào mô hình mô phỏng CFD để khảo sát công suất thực tế của động cơ Stirling, đồng thời so sánh với công và công suất lý thuyết từ chu trình P-V.  So sánh và phân tích sự khác biệt về kết quả giữa phương pháp giải tích và phương pháp CFD. Đồng thời khảo sát vùng thông số tối ưu để động cơ Stirling đạt công suất cực đại trong cả 2 phương pháp.4 Mục tiêu của đề tài 1.1 Mục tiêu chính Mục tiêu chính của đề tài là khảo sát đặc tính công và công suất của động cơ Stirling loại alpha dựa trên các thông số thiết kế, nhằm tìm ra vùng thông số tối ưu mà tại đó động cơ đạt công suất cực đại. Phương pháp số (CFD) được áp dụng để mô phỏng ứng xử của khối lưu chất bên trong động cơ Stirling và quá trình truyền nhiệt hỗn hợp giữa lưu chất và thành rắn xung quanh.

Trong đó, phương trình vật lý thể hiện đặc tính động lực học của dòng lưu chất là phương trình Navier-Stock dạng đầy đủ. Phương trình năng lượng mô tả ứng xử của quá trình truyền nhiệt hỗn hợp trong dòng lưu chất và trong thành rắn sẽ được mô phỏng đồng thời. Kết quả nghiên cứu bao gồm phân bố nhiệt độ và áp suất trong xylanh của động cơ. Công chu trình P-V, công có ích và công suất sau đó được tính toán dựa trên các kết quả mô phỏng này.

Trước hết, kết quả sẽ được tính toán dựa trên thông số thiết kế ban đầu của động cơ. Sau đó quá trình tính toán được lặp lại với giá trị biến thiên của từng thông số. Cuối cùng, kết quả bao gồm công có ích và công suất sẽ được biểu thị theo các biến đặc trưng cho từng thông số kỹ thuật.2 Mục tiêu phụ 1.1 Tính toán tối ưu động cơ Stirling loại alpha bằng phương pháp giải tích Mặc dù mô hình giải tích của động cơ Stirling sử dụng khá nhiều giả thiết đơn giản hoá và kết quả tính toán còn chưa sát với thực tế. Tuy nhiên, đường đặc tính công và công suất lý thuyết có khả năng thể hiện vùng thông số chung mà tại đó động cơ hoạt động với công suất tối đa.

Đề tài này sử dụng mô hình giải tích của Schmidt [1], áp dụng thêm lý thuyết về hiệu suất cơ khí của Senf [2] để tính toán tối ưu công suất của động cơ Stirling loại alpha theo phương pháp đề nghị của Cheng [6]. Các thông số kỹ thuật biến thiên để 5 TỔNG QUAN khảo sát bao gồm góc lệch pha, tỉ lệ thể tích quét, tỉ lệ thể tích chết và hiệu suất cơ khí. Kết quả bao gồm công chu trình P-V và công suất được biểu diễn theo sự biến thiên của từng thông số.2 So sánh và phân tích kết quả giữa 2 phương pháp Kết quả của phương pháp mô phỏng số sẽ được so sánh với kết quả từ phương pháp giải tích. Mục tiêu là so sánh vùng thông số mà tại đó công suất của động cơ đạt giá trị cực đại và tìm lời giải thích cho sự khác biệt (nếu có).

Các số liệu công suất biểu thị theo từng thông số kỹ thuật cũng được so sánh và biện luận để từ đó rút ra nhận xét về mức độ chính xác và xác định ưu nhược điểm của từng phương pháp.5 Tổng quan về động cơ Stirling Linh mục người Scottland, Robert Stirling là người đầu tiên thiết kế thành công một động cơ chạy bằng không khí năm 1816. Ban đầu thiết kế này được biết đến với tên gọi “động cơ chạy khí của Stirling”. Với đặc tính an toàn, độ ồn thấp và có thể hoạt động với bất kỳ nguồn nhiệt nào, động cơ Stirling xuất hiện trong một số ứng dụng như máy phát điện, máy bơm nước, và thường được sử dụng ở các vùng nông thôn hoặc các khu vực khó tiếp cận với năng lượng điện. Trong những năm trở lại đây, động cơ Stirling gây được sự chú ý trở lại khi vấn đề ô nhiễm môi trường càng trở nên nghiêm trọng.

Mức độ phát thải thấp (khi hoạt động với chất đốt) và khả năng tương thích với nhiều nguồn năng lượng xanh, bao gồm năng lượng mặt trời, nhiên liệu sinh học, địa nhiệt, hay thậm chí là nhiệt lượng thừa của các khu vực công nghiệp, là điều kiện tốt để phát triển ứng dụng của động cơ Stirling. Bên cạnh đó, do cấu tạo đơn giản, việc thiết kế động cơ Stirling không quá phức tạp và không yêu cầu việc bảo trì thường xuyên trong quá trình sử dụng. Dĩ nhiên, động cơ Stirling vẫn tồn tại một số nhược điểm, cụ thể như tỉ lệ năng 6 TỔNG QUAN lượng/khối lượng thấp, không thể thay đổi tốc độ/ moment tức thì như động cơ đốt trong… 1.6 Phân loại động cơ Stirling Động cơ Stirling được chia làm 3 loại chính dựa trên cấu trúc thiết kế bao gồm alpha, beta và gamma. Ngoài ra, động cơ Stirling còn một số cấu trúc khác như dạng đĩa và dạng piston tự do.

Các nghiên cứu lý thuyết chỉ ra rằng, động cơ Stirling loại gamma có khả năng hoạt động với mức chênh lệch nhiệt độ thấp nhất, trong khi động cơ Stirling loại beta có khả năng sinh công lớn nhất. Phân loại động cơ Stirling 1.7 Ứng dụng của động cơ Stirling Tính đến thời điểm hiện tại, động cơ Stirling được áp dụng chủ yếu trong các lĩnh vực sau:  Máy phát điện: có khả năng hoạt động với mọi nguồn nhiên liệu, động cơ Stirling được áp dụng rộng rãi làm máy phát điện. Nguồn nhiệt sử dụng phổ biến nhất hiện nay là nhiên liệu sinh học.  Hệ thống CHP: đối với các nhà máy phát điện, đặc biệt là nhiệt điện, lượng nhiệt thải ra môi trường trong quá trình hoạt động chiếm một tỉ lệ không nhỏ.