ارايه الگوي رياضي ديناميكي-ترموديناميكي موتور استرلينگ جهت بهبود بازده و توان توليدي

Dynamic-thermodynamic mathematical model of Stirling engine to improve efficiency and power

در اين مقاله به بررسي تاثير متغيرهاي سطح انتقال حرارت گرمكن و خنك‌كن، جرم و سطح انتقال حرارت بازياب و افت فشار ناشي از حركت سيال، بر روي بازده حرارتي و توان توليدي موتور استرلينگ پرداخته شده است. بررسي متغيرهاي ذكر شده بوسيله ي ارايه يك الگوي ديناميكي-ترموديناميكي از موتور استرلينگ با فرض انتقال حرارت غير ايده آل و توزيع فشار و دماي غير يكنواخت و متغير با زمان صورت گرفته و از نرم‌افزار متلب به عنوان محيط برنامه‌نويسي استفاده شده است. الگو به گونه اي طراحي شده است كه قادر است با يك بار انجام نگاشت (كاليبراسيون)، با استفاده از داده هاي حاصل از اندازه گيري يا با استفاده از داده هاي حاصل از شبيه سازي بخش هاي مختلف يك موتور نمونه، رفتار آن را با تغيير در متغيرهاي بهينه سازي، مشخص سازد. بمنظور نگاشت الگو، از مشخصات هندسي و داده هاي حاصل از انجام آزمايش بر روي موتور ST500 در فشار نامي استفاده شده است. بمنظور اطمينان از صحت پيشبيني الگو، خروجي آن با خروجي آزمايش، براي فشارهايي غير از فشار نامي موتور، با يكديگر مقايسه شده است. نهايتا با تغيير متغيرهاي بهينه سازي در الگو، تاثير هريك در بازده حرارتي و توان توليدي موتور بررسي شده و مهمترين متغير در بهبود بازده حرارتي و كار خروجي آن انتخاب شده است. پس از اعمال همان تغيير در موتور، بازده حرارتي آن با پيش بيني الگو و با حالت قبل خود مقايسه شده است.

A dynamic-thermodynamic model of stirling engine is presented to study some of optimization factors on engine thermal efficiency and output power. The optimization factors have been assumed as heater and cooler heat transfer areas, regenerator solid mass amount and its heat transfer area and fluid pressure drop. To study these factors, the model takes into account non-ideal heat transfer, non-uniform pressure distribution and time dependant temperature variation in any stirling engine gas chambers. Calibration parameters also have been defined so that the model should be calibrated via a test result data or simulation data, afterward it can predict the engine behavior while changing the optimization factors. Geometrical dimensions and test results at nominal gas pressure for ST500 stirling engine was used in order to calibrate the model. To ensure the prediction accuracy, comparisons were accomplished between model output and motor test results for different gas pressures. Finally the optimization factors of the model were varied separately, model outputs were compared and the most important factor in improving the thermal efficiency and work output was selected. The determined optimization factor was applied to the engine and the thermal efficiency and output power was measured. The engine test results were compared to the model prediction and to previous engine state.