Luận văn thạc sĩ về nghiên cứu động cơ Stirling sử dụng nhiệt thải tại HCMUTE

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute nghiên cứu động cơ stirling sử dụng nhiệt thải, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Lê Quốc Việt
• Người hướng dẫn: PGS. TS Hoàng An Quốc
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Động Cơ Stirling Sử Dụng Nhiệt Thải
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Tình hình nghiên cứu hiện nay
• 1.2.1. Các công trình nghiên cứu trong nước
• 1.2.2. Các công trình nghiên cứu nước ngoài
• 1.3. Mục đích nghiên cứu
• 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
• 1.5. Đối tượng nghiên cứu
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Lý do chọn đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu về động cơ Stirling
• 2.2. Khái niệm và lịch sử phát triển của động cơ Stirling
• 2.3. Phân loại động cơ Stirling
• 2.4. Đặc điểm cấu tạo của động cơ Stirling
• 2.5. Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ Stirling
• 2.6. Cấu tạo và hoạt động của các loại động cơ Stirling
• 2.6.1. Động cơ Stirling kiểu hai piston (kiểu alpha)
• 2.6.2. Động cơ Stirling kiểu piston phụ
• 2.7. Hiệu suất nhiệt lý thuyết của chu trình Stirling
• 2.8. Phương pháp thiết kế động cơ Stirling theo chu trình Schmidt
• 2.9. Động cơ Stirling kiểu Alpha, Beta, Gamma
• 2.10. Tính toán năng lượng, công suất và hiệu suất
• 2.11. Phương pháp tính các thông số khí thải của động cơ đốt trong và lượng nhiệt có thể cung cấp cho động cơ Stirling
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ STIRLING
• 3.1. Lựa chọn và tính toán nguồn nhiệt thải
• 3.2. Tính toán thiết kế động cơ Stirling theo thông số nhiệt thải
• 3.3. Tỉ số nhiệt độ tuyệt đối giữa nguồn nóng và nguồn lạnh
• 3.4. Lựa chọn tỷ số thể tích cho động cơ Stirling theo tỉ số nhiệt độ
• 3.5. Tính thể tích làm việc lớn nhất của động cơ theo lượng nhiệt thải
• 3.6. Tính toán thông số động cơ
• 3.7. Thiết kế và gia công các chi tiết của động cơ Stirling
• 3.8. Tính chu trình nhiệt của động cơ thiết kế
• 3.9. Tính toán chu trình nhiệt động học của động cơ Stirling
• 3.10. Khả năng sử dụng nhiệt thải xe máy của động cơ Stirling theo thiết kế
• 4. CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ STIRLING
• 4.1. Mục tiêu và yêu cầu của việc thử nghiệm động cơ Stirling
• 4.2. Yêu cầu và điều kiện thử nghiệm
• 4.3. Phương pháp và bố trí thực nghiệm
• 4.4. Kết quả thực nghiệm
• 4.4.1. Kết quả đo nhiệt độ khí thải của xe máy theo tốc độ động cơ và chế độ tải
• 4.4.2. Kết quả thử nghiệm hoạt động của động cơ Stirling theo các chế độ thử nghiệm
• 4.4.2.1. Trường hợp 1: động cơ xe máy hoạt động ở 20% tải, nhiệt độ khí thải khoảng 250oC
• 4.4.2.2. Trường hợp 2: động cơ xe máy hoạt động ở 40% tải, nhiệt độ khí thải khoảng 350oC
• 4.4.2.3. Trường hợp 3: động cơ xe máy hoạt động ở 60% tải, nhiệt độ khí thải khoảng 430oC
• 4.4.3. Kết quả đo điện áp phát ra và công suất tải của động cơ Stirling theo nhiệt độ khí thải
• 4.4.4. Đánh giá hiệu suất sử dụng nhiệt thải của động cơ Stirling trên thực tế
• 4.5. Đánh giá kết quả thử nghiệm
• 4.6. Chương trình mô phỏng và tính toán thông số động cơ Stirling
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU
• 5.1. Những vấn đề đã giải quyết
• 5.2. Những vấn đề còn tồn tại
• 5.3. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về đề tài nghiên cứu

Nghiên cứu động cơ Stirling sử dụng nhiệt thải là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ năng lượng hiện đại. Động cơ Stirling, với khả năng hoạt động hiệu quả từ nhiều nguồn nhiệt khác nhau, đã thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Tại HCMUTE, việc ứng dụng động cơ này nhằm tận dụng nhiệt thải từ các phương tiện giao thông như ô tô và xe máy không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nguồn điện sạch. Theo nghiên cứu, động cơ Stirling có thể đạt hiệu suất tối ưu khi được thiết kế phù hợp với lượng nhiệt thải có sẵn. Việc này không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững.

1.1. Tình hình nghiên cứu hiện nay

Hiện nay, nghiên cứu về động cơ Stirling đang diễn ra mạnh mẽ cả trong và ngoài nước. Nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng động cơ này có thể hoạt động hiệu quả với nhiệt thải từ động cơ đốt trong. Các nghiên cứu trong nước như đề tài của Hoàng Dương Hùng về ứng dụng động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời đã mở ra hướng đi mới cho việc phát triển công nghệ này. Đặc biệt, việc ứng dụng động cơ Stirling trong các thiết bị làm lạnh cũng đã được nghiên cứu và cho thấy tiềm năng lớn trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Những nghiên cứu này không chỉ khẳng định giá trị của động cơ Stirling mà còn mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng thực tiễn trong tương lai.

II. Cơ sở lý thuyết

Động cơ Stirling là một loại động cơ nhiệt có khả năng chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng thông qua chu trình nhiệt. Nguyên lý hoạt động của động cơ này dựa trên sự nén và giãn nở của khí trong một chu trình kín. Động cơ Stirling có thể sử dụng bất kỳ nguồn nhiệt nào, từ nhiệt thải đến năng lượng mặt trời. Theo lý thuyết, hiệu suất của động cơ Stirling có thể đạt gần với hiệu suất lý thuyết của chu trình Carnot, điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các ứng dụng năng lượng tái tạo. Việc nghiên cứu và phát triển động cơ Stirling không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mà còn mở ra khả năng sử dụng nhiệt thải từ các nguồn khác nhau, từ đó giảm thiểu tác động đến môi trường.

2.1. Nguyên lý hoạt động của động cơ Stirling

Nguyên lý hoạt động của động cơ Stirling dựa trên chu trình nhiệt động học, trong đó khí được nén ở nhiệt độ thấp và giãn nở ở nhiệt độ cao. Quá trình này diễn ra trong một chu trình kín, giúp động cơ hoạt động hiệu quả mà không cần đến các hệ thống phức tạp như bơm nhiên liệu hay hệ thống điện. Động cơ Stirling có thể hoạt động với nhiều loại nhiệt năng, bao gồm cả nhiệt thải từ động cơ đốt trong. Việc tận dụng nhiệt thải không chỉ giúp tăng hiệu suất của động cơ mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tạo ra một giải pháp bền vững cho vấn đề năng lượng hiện nay.

III. Tính toán thiết kế động cơ Stirling

Việc thiết kế động cơ Stirling cần phải dựa trên các thông số kỹ thuật cụ thể của nguồn nhiệt thải. Các yếu tố như tỉ số nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh, thể tích làm việc, và áp suất trong động cơ đều ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc lựa chọn đúng các thông số này có thể giúp tối ưu hóa hiệu suất của động cơ. Đặc biệt, việc tính toán lượng nhiệt thải từ động cơ đốt trong là rất quan trọng để đảm bảo động cơ Stirling hoạt động hiệu quả. Các phương pháp thiết kế hiện đại cho phép tạo ra các mô hình động cơ Stirling có khả năng hoạt động tốt với nhiệt thải từ các phương tiện giao thông, từ đó tạo ra nguồn điện sạch và bền vững.

3.1. Phương pháp tính toán hiệu suất

Phương pháp tính toán hiệu suất của động cơ Stirling bao gồm việc xác định các thông số như nhiệt độ, áp suất và thể tích làm việc. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu suất của động cơ có thể được cải thiện thông qua việc tối ưu hóa các thông số này. Việc tính toán lượng nhiệt thải từ động cơ đốt trong cũng là một yếu tố quan trọng, giúp xác định khả năng cung cấp nhiệt cho động cơ Stirling. Các mô hình tính toán hiện đại cho phép dự đoán chính xác hiệu suất của động cơ, từ đó đưa ra các giải pháp cải tiến thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt thải.

IV. Thử nghiệm ứng dụng động cơ Stirling

Thử nghiệm ứng dụng động cơ Stirling là bước quan trọng để đánh giá hiệu suất thực tế của động cơ khi sử dụng nhiệt thải từ động cơ xe máy. Các thử nghiệm đã được thực hiện với nhiều chế độ tải khác nhau, cho thấy động cơ có thể hoạt động hiệu quả với nhiệt thải ở nhiệt độ cao. Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu suất tối đa đạt được là 1,284% với công suất tải tối đa là 0,21W. Những kết quả này không chỉ khẳng định khả năng ứng dụng của động cơ Stirling mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển công nghệ năng lượng tái tạo tại HCMUTE.

4.1. Kết quả thử nghiệm

Kết quả thử nghiệm cho thấy động cơ Stirling có khả năng tận dụng nhiệt thải từ động cơ xe máy một cách hiệu quả. Các thử nghiệm được thực hiện ở nhiều chế độ tải khác nhau, từ 20% đến 60%, cho thấy động cơ vẫn duy trì hiệu suất ổn định. Việc đo lường nhiệt độ khí thải và công suất phát ra cho thấy động cơ có thể hoạt động hiệu quả trong điều kiện thực tế. Những kết quả này không chỉ chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng động cơ Stirling mà còn mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các giải pháp năng lượng bền vững trong tương lai.

V. Kết luận và định hướng nghiên cứu

Nghiên cứu động cơ Stirling sử dụng nhiệt thải tại HCMUTE đã chỉ ra nhiều tiềm năng trong việc phát triển công nghệ năng lượng tái tạo. Động cơ Stirling không chỉ giúp tận dụng nhiệt thải mà còn góp phần vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các kết quả nghiên cứu cho thấy động cơ có thể hoạt động hiệu quả với nhiều loại nguồn nhiệt khác nhau, mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các ứng dụng thực tiễn. Định hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải tiến thiết kế động cơ, tối ưu hóa hiệu suất và mở rộng ứng dụng của động cơ Stirling trong các lĩnh vực khác nhau.

5.1. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Định hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc phát triển các mô hình động cơ Stirling có khả năng hoạt động hiệu quả hơn với nhiệt thải từ nhiều nguồn khác nhau. Việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực động cơ Stirling sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu chi phí sản xuất. Ngoài ra, việc mở rộng ứng dụng của động cơ Stirling trong các lĩnh vực như năng lượng tái tạo, làm lạnh và phát điện sẽ là những hướng đi quan trọng trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng và môi trường là những vấn đề cấp thiết toàn cầu hiện nay. Theo ước tính, nguồn dầu mỏ đang dần cạn kiệt do khai thác ồ ạt, dẫn đến giá nhiên liệu tăng cao và tác động tiêu cực đến môi trường. Khí thải từ động cơ đốt trong như NOx, CO, HC và bồ hóng góp phần làm ô nhiễm không khí và gia tăng hiệu ứng nhà kính. Trong bối cảnh đó, việc tìm kiếm các giải pháp thay thế động cơ đốt trong truyền thống là rất cần thiết. Động cơ Stirling, một loại động cơ đốt ngoài với khả năng sử dụng đa dạng nguồn nhiệt, được xem là một hướng đi tiềm năng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là khảo sát và phát triển động cơ Stirling sử dụng nhiệt thải từ động cơ đốt trong trên ô tô, xe máy để phát điện. Nghiên cứu tập trung vào việc tính toán lượng nhiệt thải, thiết kế động cơ Stirling phù hợp, chế tạo mô hình và thử nghiệm thực tế. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Việt Nam trong giai đoạn năm 2014, với các thử nghiệm trên động cơ xe máy thực tế.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc tận dụng nguồn nhiệt thải sẵn có, góp phần giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm ô nhiễm môi trường và cung cấp nguồn điện phụ trợ hiệu quả. Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu suất tận dụng nhiệt thải đạt khoảng 1,284% ở chế độ tải 40%, công suất phát điện tối đa đạt 0,21W, minh chứng cho tiềm năng ứng dụng thực tiễn của động cơ Stirling trong lĩnh vực cơ khí động lực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết động cơ Stirling: Động cơ Stirling là động cơ đốt ngoài, sử dụng môi chất công tác thể khí (không khí, hydrogen, helium) trong chu trình nhiệt động học khép kín. Chu trình Stirling gồm bốn quá trình: nén đẳng nhiệt, nung nóng đẳng tích, giãn nở đẳng nhiệt và làm lạnh đẳng tích, tương đương với chu trình Carnot về hiệu suất nhiệt lý thuyết.

• Phân loại động cơ Stirling: Bao gồm kiểu Alpha (hai piston trong hai xy lanh riêng biệt), Beta và Gamma (kiểu piston phụ). Mỗi loại có cấu tạo và nguyên lý hoạt động đặc trưng, ảnh hưởng đến hiệu suất và ứng dụng.

• Chu trình Schmidt: Phương pháp tính toán chu trình nhiệt động học của động cơ Stirling, xác định các thông số như áp suất, nhiệt độ, thể tích và công suất.

• Tính toán nhiệt thải động cơ đốt trong: Phương pháp xác định lượng nhiệt thải từ khí xả động cơ, làm cơ sở thiết kế động cơ Stirling phù hợp với nguồn nhiệt này.

Các khái niệm chính bao gồm: hiệu suất nhiệt, tỉ số nhiệt độ (τ), tỉ số thể tích (r), môi chất công tác, bộ hồi nhiệt, bộ cấp nhiệt và bộ làm mát.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp sau:

• Thu thập và phân tích tài liệu: Tổng hợp các nghiên cứu trong và ngoài nước về động cơ Stirling, nhiệt thải động cơ đốt trong và ứng dụng thực tế.

• Tính toán thiết kế: Dựa trên các thông số nhiệt thải của động cơ xe máy, áp dụng chu trình Schmidt để tính toán các thông số kỹ thuật của động cơ Stirling, bao gồm thể tích làm việc, tỉ số nhiệt độ, công suất và hiệu suất.

• Chế tạo mô hình: Gia công các chi tiết động cơ Stirling theo bản vẽ thiết kế, lắp ráp và hoàn thiện mô hình thử nghiệm.

• Thử nghiệm thực tế: Lắp đặt động cơ Stirling trên ống pô xe máy, đo nhiệt độ khí thải, điện áp phát ra và công suất tải ở các chế độ tải khác nhau (20%, 40%, 60%). Cỡ mẫu thử nghiệm là một mô hình động cơ Stirling nhỏ.

• Phân tích dữ liệu: So sánh kết quả thử nghiệm với tính toán lý thuyết, đánh giá hiệu suất và khả năng ứng dụng.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2014, với các giai đoạn từ thu thập tài liệu, thiết kế, chế tạo đến thử nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất tận dụng nhiệt thải: Động cơ Stirling đạt hiệu suất tối đa khoảng 1,284% khi động cơ xe máy hoạt động ở chế độ tải 40%, nhiệt độ khí thải khoảng 350°C. Đây là mức hiệu suất đáng kể đối với động cơ Stirling sử dụng nhiệt thải.

2. Công suất phát điện: Công suất tải do máy phát điện mini gắn với động cơ Stirling phát ra đạt giá trị lớn nhất là 0,21W ở chế độ tải 40%. Ở các chế độ tải 20% và 60%, công suất thấp hơn tương ứng với nhiệt độ khí thải 250°C và 430°C.

3. Nhiệt độ khí thải theo chế độ tải: Nhiệt độ khí thải tăng theo chế độ tải của động cơ xe máy, từ khoảng 250°C ở 20% tải, 350°C ở 40% tải đến 430°C ở 60% tải, cung cấp nguồn nhiệt ổn định cho động cơ Stirling hoạt động.

4. Tính toán và thiết kế phù hợp: Các thông số thiết kế động cơ Stirling như thể tích làm việc, tỉ số nhiệt độ và tỉ số thể tích được xác định chính xác dựa trên lượng nhiệt thải thực tế, giúp mô hình hoạt động hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu suất tối ưu ở chế độ tải 40% có thể do sự cân bằng giữa nhiệt độ khí thải và khả năng hấp thụ nhiệt của động cơ Stirling. Ở tải thấp, nhiệt độ khí thải chưa đủ cao để tạo công suất lớn; ở tải cao, nhiệt độ tăng nhưng có thể gây tổn thất nhiệt lớn hơn hoặc ảnh hưởng đến độ bền thiết bị.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu suất và công suất của mô hình nhỏ này phù hợp với các động cơ Stirling công suất thấp dùng nhiệt thải, tuy chưa đạt mức cao như các động cơ công nghiệp nhưng đã chứng minh tính khả thi trong ứng dụng thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nhiệt độ khí thải theo chế độ tải, biểu đồ công suất phát điện theo nhiệt độ khí thải và bảng tổng hợp hiệu suất từng chế độ tải, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả hoạt động của động cơ.

Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ khả năng ứng dụng động cơ Stirling tận dụng nhiệt thải trong lĩnh vực cơ khí động lực, mở ra hướng phát triển các hệ thống phát điện phụ trợ thân thiện môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường nghiên cứu và phát triển động cơ Stirling đa dạng công suất: Phát triển các mẫu động cơ Stirling với công suất lớn hơn, phù hợp với nhiều loại phương tiện khác nhau nhằm nâng cao hiệu quả tận dụng nhiệt thải. Thời gian thực hiện trong 3-5 năm, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp cơ khí chủ trì.

2. Cải tiến vật liệu và thiết kế bộ hồi nhiệt: Sử dụng vật liệu có khả năng dẫn nhiệt tốt và bền nhiệt để tăng hiệu suất trao đổi nhiệt, giảm tổn thất nhiệt trong chu trình. Mục tiêu nâng hiệu suất lên trên 2% trong vòng 2 năm, do các phòng thí nghiệm vật liệu và kỹ thuật nhiệt đảm nhiệm.

3. Ứng dụng động cơ Stirling trong hệ thống phát điện phụ trợ trên xe máy và ô tô: Lắp đặt thử nghiệm trên các phương tiện thực tế để đánh giá hiệu quả và độ bền, đồng thời khảo sát tác động môi trường. Thời gian triển khai 1-2 năm, phối hợp giữa các trường đại học và nhà sản xuất xe.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức về công nghệ động cơ Stirling: Tổ chức các khóa học, hội thảo cho sinh viên và kỹ sư ngành cơ khí động lực nhằm phổ biến kiến thức và thúc đẩy ứng dụng rộng rãi. Thực hiện liên tục, do các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật đảm trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực: Nắm vững kiến thức về động cơ Stirling, phương pháp thiết kế và thử nghiệm thực tế, phục vụ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

2. Kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm cơ khí: Áp dụng các phương pháp tính toán và thiết kế động cơ Stirling sử dụng nhiệt thải, phát triển sản phẩm thân thiện môi trường.

3. Doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp động cơ, xe máy, ô tô: Tham khảo giải pháp tận dụng nhiệt thải để cải tiến hiệu suất nhiên liệu và giảm khí thải, nâng cao giá trị sản phẩm.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng, môi trường: Đánh giá tiềm năng công nghệ động cơ Stirling trong chiến lược phát triển năng lượng sạch và giảm ô nhiễm, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ Stirling khác gì so với động cơ đốt trong truyền thống?
   Động cơ Stirling là động cơ đốt ngoài, sử dụng nguồn nhiệt bên ngoài để làm nóng môi chất công tác trong chu trình kín, trong khi động cơ đốt trong đốt nhiên liệu trực tiếp bên trong xy lanh. Điều này giúp động cơ Stirling có thể sử dụng đa dạng nguồn nhiệt và ít phát thải hơn.

2. Hiệu suất của động cơ Stirling sử dụng nhiệt thải đạt được bao nhiêu?
   Trong nghiên cứu, hiệu suất tận dụng nhiệt thải đạt khoảng 1,284% ở chế độ tải 40%, công suất phát điện tối đa là 0,21W. Mức này phù hợp với động cơ Stirling công suất nhỏ dùng nhiệt thải, mở ra khả năng ứng dụng thực tế.

3. Nhiệt độ khí thải ảnh hưởng thế nào đến hoạt động của động cơ Stirling?
   Nhiệt độ khí thải càng cao thì công suất và hiệu suất của động cơ Stirling càng tăng. Tuy nhiên, nhiệt độ quá cao có thể gây tổn thất nhiệt và ảnh hưởng đến độ bền thiết bị. Nghiên cứu cho thấy nhiệt độ khí thải từ 250°C đến 430°C tương ứng với các chế độ tải khác nhau.

4. Động cơ Stirling có thể sử dụng nguồn nhiệt nào ngoài nhiệt thải động cơ?
   Động cơ Stirling có thể sử dụng nhiều nguồn nhiệt khác nhau như năng lượng mặt trời, địa nhiệt, nhiên liệu sinh học, hoặc bất kỳ nguồn nhiệt nào có thể cung cấp nhiệt độ cần thiết cho chu trình hoạt động.

5. Làm thế nào để nâng cao hiệu suất của động cơ Stirling?
   Có thể cải tiến hiệu suất bằng cách sử dụng vật liệu dẫn nhiệt tốt cho bộ hồi nhiệt, tối ưu thiết kế piston và xy lanh, tăng tỉ số nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh, và giảm tổn thất nhiệt trong quá trình trao đổi nhiệt.

Kết luận

• Động cơ Stirling sử dụng nhiệt thải từ động cơ đốt trong có tiềm năng ứng dụng trong phát điện phụ trợ, góp phần tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường.
• Hiệu suất tận dụng nhiệt thải đạt khoảng 1,284% ở chế độ tải 40%, công suất phát điện tối đa 0,21W, phù hợp với các ứng dụng công suất nhỏ.
• Phương pháp tính toán và thiết kế động cơ Stirling dựa trên chu trình Schmidt và lượng nhiệt thải thực tế được xác nhận qua thử nghiệm thực tế.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các động cơ Stirling đa dạng công suất, cải tiến vật liệu và thiết kế để nâng cao hiệu suất.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng phạm vi nghiên cứu, phát triển sản phẩm thực tế và đào tạo nguồn nhân lực chuyên môn về công nghệ động cơ Stirling.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp tiếp tục khai thác và ứng dụng công nghệ động cơ Stirling nhằm phát triển bền vững ngành cơ khí động lực và năng lượng sạch.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu  Chương 2: Cơ sở lý thuyết  Chương 3: Tính toán thiết kế động cơ Stirling  Chương 4: Thử nghiệm ứng dụng động cơ Stirling  Chuong 5: Kết luận và định hướng nghiên cứu iv Luan van ABSTRACT Topic presented in the research is the application of Stirling engine using waste heat in cars, motorcycles to generators.The content of research is problems utilize available emissions emitted during operation of the engine to supply heat for the Stirling engine to running small generator to generate electric power.The research also provided the method for calculating the amount of waste heat from a specific engine, method to design a Stirling engine is consistent with that waste heat source.In the research, the author performed the fabrication and testing of a small Stirling engine, using waste heat from the engine of motorcycle to generate electricity to illuminate Leds.Results obtained with maximumwaste heat efficiency is 1,284% correspondingregime load of motorcycle engine is 40%,maximum power of generator is generated 0,21W. Issues of research topics were presented in five chapters of the thesis:  Chapter 1 : Overview of research topics  Chapter 2 : Theoretical Basis  Chapter 3 : Calculate and design the Stirling engine  Chapter 4 : Experimental application of the Stirling engine  Chapter 5 : Conclusions and research orientation v Luan van LỜI NÓI ĐẦU Dầumỏvàcácsảnphẩmcủanóngàycàngchiếmmộtvịtrí quantrọngtrongnềnkinh tế của mỗi quốcgia.Xãhộingàycàngpháttriểnthì lượngtiêuthụcácsảnphẩmcủanótăngnhanhchóng.Sựphụthuộcquálớncủa conngườivàomặthàng chiếnlượcnàylàmchonócókhảnăng chiphốitấtcảcác lĩnh vựctừkinhtếđếnchính trịxãhội.Việckhaithácquámứccũnglàmchochúng ngàycàngtrởnêncạnkiệt.Trongkhiđócácphương tiệncơgiớingàyvẫnkhông ngừngpháttriểnnhanhchóngvàtiêuthụmộtlượngđángkể,nghịchlýnàyđãđặt rachotoànthế giớimột bài toánkhóvềvấnđềnhiênliệu.Nhiềunướcđãrasứctìm nguồnnguyên liệu thích hợp nhưng cho đến nay chưa có kết quả tối ưu. Thế giới chưa kịp phổ biến sản phẩm cồn etanol trên các phương tiện vận tải do Braxin khởi xướng thì phải nhận lấy bao nhiêu trục trặc mà nó mang lại như: nồng độ tạp chất cao, quá trình cháy sinh ra axit làm hỏng nhanh chóng động cơ. ViệtNamchúngta vớinguồntàinguyênđadạngcũngđãtìmđượcnhững nguồnnguyênliệuthaythế,đángchúýhơncảlàDieselsinhhọc(Bio-Diesel)chiết xuấttừcáTra,cáBasa, quả Jatropha…Tuy đã thuđượcnhữngkếtquảbanđầu nhưng tínhchất làmtrươngnởcaosuvànhấtlànhiềutrườnghợptàuthuyềnchếtmáygiữabiển khơiđãgâyranhữngthiệthại quálớn.

Vìvậychúngtakhócóthểtìm đượcnguồnnguyênliệuthaythếhoànhảo trongtươnglai gần. ĐộngcơStirling cólịchsửtừrấtlâuđời được phátminhtrướccảđộngcơ xăngvàDiesel.Hiệntạiđộngcơnàycònnhữnghạnchếcầnkhắcphục,nhưngcác nhàchếtạovẫnkhôngngừngquantâmnghiêncứubởi mộtđặcđiểmmàkhôngmột loạiđộngcơnàocóđược đó là khảnăngsửdụngbấtkìnguồnnhiênliệunàotừ thancủi,thanđá,dầumỏ,nănglượngmặttrời, địa nhiệt, nhiệt thải…. VớimụctiêuchínhlànghiêncứuđộngcơStirling sử dụng nhiệt thải đểthấyđượcnhững ưuđiểmcủanó,từđóđềxuấtkhảnăngpháttriểncũngnhưlà sửdụngđộngcơStirlingvàcungcấpchocác thế hệsinhviênđisau một tàiliệutìm vi Luan van hiểuvềđộngcơStirling,emđãchọnđềtài“Nghiên cứu động cơ Stirling sử dụng nhiệt thải”choluận văntốtnghiệpcủamình. Mặcdùđãrấtcốgắnghoànthànhđềtài,nhưng dobướcđầulàmquenvới côngtácnghiêncứukhoahọc,trìnhđộbảnthâncònhạnchếnênđềtàinàykhông thể tránhkhỏinhữngsai sót.Rấtmongđượcsựthôngcảmvàgópýcủaquýthầycô vàcác bạnđểđềtàinàyđượchoànthiệnhơn.

Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2014 Người thực hiện đề tài Lê Quốc Việt vii Luan van MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận của cán bộ hướng dẫn LÝ LỊCH KHOA HỌC. i LỜI CAM ĐOAN. ii CẢM TẠ. vi MỤC LỤC.

viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. xii DANH MỤC CÁC HÌNH. xii DANH MỤC CÁC BẢNG. xvii CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu .Tình hình nghiên cứu hiện nay .Các công trình nghiên cứu trong nước .Các công trình nghiên cứu nước ngoài .Mục đích nghiên cứu .Nhiệm vụ và giới hạn đề tài .Đối tượng nghiên cứu .Phương pháp nghiên cứu .Lý do chọn đề tài .7 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .Giới thiệu về động cơ Stirling .Khái niệm và lịch sử phát triển của động cơ Stirling .Phân loại động cơ Stirling .Đặc điểm cấu tạo của động cơ Stirling .Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ Stirling .Cấu tạo và hoạt động của các loại động cơ Stirling .Động cơ Stirling kiểu hai piston (kiểu alpha) .19 viii Luan van 2.

Động cơ Stirling kiểu piston phụ .Hiệu suất nhiệt lý thuyết của chu trình Stirling .Quá trình nén đẳng nhiệt 1-2 .Quá trình nung nóng đẳng tích 2-3 .Quá trình giãn nở đẳng nhiệt 3-4 .Quá trình làm lạnh đẳng tích 4-1 .Phương pháp thiết kế động cơ Stirling theo chu trình Schmidt .Các giả thiết cơ bản của chu trình.Các phương trình cơ bản của chu trình. Động cơ Stirling kiểu Alpha. Động cơ Stirling kiểu Beta. Động cơ Stirling kiểu Gamma.

Tính toán năng lượng, công suất và hiệu suất. Phương pháp tính các thông số khí thải của động cơ đốt trong và lượng nhiệt có thể cung cấp cho động cơ Stirling .Giới thiệu về khí thải động cơ đốt trong .Tính toán lượngkhíxảGkxdođộng cơchínhxả ra. 45 CHƢƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ STIRLING. Lựa chọn và tính toán nguồn nhiệt thải.

Tính toán thiết kế động cơ Stirling theo thông số nhiệt thải. Tỉ số nhiệt độ tuyệt đối giữa nguồn nóng và nguồn lạnh. Lựa chọn tỷ số thể tích cho động cơ Stirling theo tỉ số nhiệt độ. Tính thể tích làm việc lớn nhất của động cơ theo lượng nhiệt thải.

Tính toán thông số động cơ. Các thông số ban đầu để thiết kế động cơ Stiling:. Các thông số thiết kế thiết kế động cơ Stiling:. Thiết kế và gia công các chi tiết của động cơ Stirling.

Bản vẽ thiết kế. Gia công các chi tiết. Tính chu trình nhiệt của động cơ thiết kế. Các thông số ban đầu.

Thể tích các không gian làm việc của động cơ. Tính toán nhiệt lượng cho động cơ Stirling thiết kế. Nhiệt lượng cần thiết để nung nóng môi chất công tác. Nhiệt lượng truyền qua xylanh giản nở.

Nhiệt lượng truyền qua phần đỉnh của xylanh giãn nở .63 ix Luan van 3. Nhiệt lượng truyền qua piston giãn nở. Nhiệt lượng truyền qua bộ tản nhiệt. Nhiệt lượng truyền qua ống nối giữa 2 xylanh.

Nhiệt lượng truyền qua xylanh nén. Nhiệt lượng truyền qua piston nén. Nhiệt lượng cần thiết để cung cấp cho động cơ. Tính toán chu trình nhiệt động học của động cơ Stirling.

Khối lượng môi chất công tác. Quá trình cấp nhiệt đẳng tích 1-2. Quá trình giản nở đẳng nhiệt 2-3. Quá trình làm mát đẳng tích 3-4.

Quá trình nén đẳng nhiệt 4-1. Công tính toán của động cơ. Hiệu suất nhiệt tính toán của động cơ. Khả năng sử dụng nhiệt thải xe máy của động cơ Stirling theo thiết kế .68 CHƢƠNG 4 THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ STIRLING.

Mục tiêu và yêu cầu của việc thử nghiệm động cơ Stirling. Yêu cầu và điều kiện thử nghiệm. Phương pháp và bố trí thực nghiệm. Phương pháp thử nghiệm.

Bố trí thử nghiệm. Bố trí lắp đặt mô hình thử nghiệm. Các chi tiết trong mô hình thử nghiệm .Kết quả thực nghiệm. Kết quả đo nhiệt độ khí thải của xe máy theo tốc độ động cơ và chế độ tải.

Kết quả thử nghiệm hoạt động của động cơ Stirling theo các chế độ thử nghiệm. Trường hợp 1: động cơ xe máy hoạt động ở 20% tải, nhiệt độ khí thải khoảng 250oC. Trường hợp 2: động cơ xe máy hoạt động ở 40% tải, nhiệt độ khí thải khoảng 350oC. Trường hợp 3: động cơ xe máy hoạt động ở 60% tải, nhiệt độ khí thải khoảng 430oC.

Kết quả đo điện áp phát ra và công suất tải của động cơ Stirling theo nhiệt độ khí thải. Đánh giá hiệu suất sử dụng nhiệt thải của động cơ Stirling trên thực tế 83 4.Đánh giá kết quả thử nghiệm .Chương trình mô phỏng và tính toán thông số động cơ Stirling .86 CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU .Những vấn đề đã giải quyết .Những vấn đề còn tồn tại .Hướng phát triển của đề tài .88 TÀI LIỆU THAM KHẢO .89 xi Luan van DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TR Nhiệt độ bộ hoàn nhiệt, độ K Tmax, TE, TH Nhiệt độ nguồn nóng, độ K Tmin, TC Nhiệt độ nguồn lạnh, độ K p Áp suất trong động cơ τ Tỉ số nhiệt độ v, r Tỉ số thể tích quét R Hằng số khí lý tưởng m Khối lượng môi chất S Entropy 𝑚 Lưu lượng khối lượng, kg/s  Khối lượng riêng, kg/m3 α Kiểu động cơ Alpha β Kiểu động cơ Bêta γ Kiểu động cơ Gamma  Hệ số dẫn nhiệt, W/mK l Chiều dài d Đường kính Q Nhiệt lượng n Tốc độ động cơ VSE Thể tích quét của piston giãn nở hoặc piston phụ VSC Thể tích quét của piston nén hoặc piston lực V DE Thể tích chết của không gian giãn nở VR Thể tích bộ hoàn nhiệt V DC Thể tích chết của không gian nén VE Thể tích tức thời của không gian giãn nở VC Thể tích tức thời của không gian nén V Thể tích tức thời tổng thể của động cơ xii Luan van x, dx Góc lệch pha giữa hai piston X Tỉ số thể tích chết n Tốc độ động cơ WE Công giãn nở WC Công nén Wi Công sinh ra của động cơ LE Công suất của quá trình giãn nở LC Công suất của quá trình nén Li Công suất của động cơ η Hiệu suất U Hiệu điện thế I Cường độ dòng điện P Công suất t Thời gian (s) xiii Luan van DANH MỤC CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Robert Stirling - người phát minh ra động cơ Stirling.2: Mô hình động cơ của Robert Stirling sáng chế (1816) .3: Tổ hợp động cơ Stirling - Máy phát điện của công ty Philips .4: Một số thiết bị sử dụng động cơ Stirling (a) Hệ thống năng lượng mặt trời, (b) Bơm nhiệt, (c) Thiết bị làm lạnh, (d) Tàu ngầm.5: Bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời của trường Đại học Đà Nẵng.6: Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling.7: Động cơ Stirling kiểu alpha với cơ cấu Ross - Yoke (a) và cơ cấu Ross Rocker (b) .8: Khi chưa cấp nhiệt .9: Cấp nhiệt cho một đầu của xy lanh .10: Không khí có áp suất cao đẩy piston đi ra.11: Khi áp suất bên trong xy lanhcân bằng với áp suất khí quyển thì quá trình sinh công kết thúc.12: Ngừng cấp nhiệt, tăng cường làm mát. Nhiệt độ và áp suất bên trong xy lanh giảm xuống.13: Piston chuyển động vào bên trong do áp suất không khí bên ngoài cao hơn.14: Nguyên lý hoạt động tự động của động cơ Stirling.15: Mô hình cấu trúc của động cơ Stirling kiểu alpha .16: Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu alpha nhiều xy lanh .17: Động cơ Stirling STM 4 - 120 của hãng STM Power .18: Chu trình hoạt động của động cơ Stirling kiểu Alpha.19: Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu Beta.20: Chu trình cấp nhiệt động cơ Stirling kiểu Beta.21: Sơ đồ cấu tạo động cơ Stirling kiểu Gamma. 24 xiv Luan van Hình 2.22:Quátrìnhnén(a) vàquá trìnhcấpnhiệt(b) .23: Quátrìnhgiãnnởsinhcông(a) vàquátrìnhlàmmát(b) .24: a) Mô hình cấu trúc động cơ Stirling, b) Đồ thị p – v, c) Đồ thị T – S .25: a - Khoảng dịch chuyển của piston ở các điểm giới hạn của chu trình; b - Đồ thị Thời gian - Khoảng dịch chuyển.26: Chu trình Stirling và chu trình Carnot.27: Động cơ Stirling kiểu Alpha .28: Động cơ Stirling kiểu Beta .29: Động cơ Stirling kiểu Gamma .30: Sự phân bố năng lượng trên xe .1: Đồ thị tỉ số thể tích động cơ Stirling theo tỉ số nhiệt độ […].2: Cụm piston, xi lanh phụ và piston, xylanh lực .3: Cụm thanh nối và bánh đà .4: Cụm làm mát không gian giãn nở và không gian nén .5: Các chi tiết của động cơ sau khi chế tạo .