ارايه مدل ديفرانسيلي پلي تروپيك به‌ منظور ارزيابي عملكرد موتور استرلينگ با در نظر گرفتن مدل‌هاي مختلف انتقال حرارت در بازياب

Differential Polytropic Model for Simulation of Stirling Engines Considering Various Regenerators Models

در اين مقاله يك مدل حرارتي ديفرانسيلي به‌منظور شبيه‌سازي عملكرد حرارتي موتور استرلينگ ارايه گرديده است. در اين مدل با ارزيابي واقعي‌تر عملكرد موتور، فرايند انبساط و تراكم پلي تروپيك جايگزين مدل‌هاي هم‌دما و آدياباتيك پژوهش‌هاي پيشين شده و علاوه‌براين اثر افت هاي مختلف موجود در موتور واقعي به‌منظور تصحيح مدل وارد مدل پلي‌تروپيك توسعه داده‌ شده گرديده است. براي اين منظور اثر غير ايده آل بودن بازياب حرارتي در نظر گرفته‌ شده و ميزان حرارت بازيابي شده توسط بازياب، تصحيح گرديده و غير ايده آل بودن گرم‌كن و خنك كن مورد ارزيابي قرار گرفته است. سپس فشار در محفظه هاي موتور تصحيح گرديده و به‌منظور ارزيابي صحيح از كار تراكمي و انبساطي از روش تحليل ترموديناميك سرعت محدود استفاده شده است. در نهايت اثر انتقال حرارت به واسطه هدايت طولي در بازياب، نشت جريان بين سيلندر و پيستون و اتلاف حرارتي پيستون (اثر شاتل) بين محفظه گرم و سرد، به مدل مورد نظر اعمال گرديده و مدل توسعه داده‌ شده روي يك موتور استرلينگ نمونه موسوم به موتور GPU-3 به‌كار گرفته‌ شده و دقت مدل ديفرانسيلي به‌دست ‌آمده با استفاده از نتايج آزمايشگاهي موجود، صحه گذاري شده و با مدل‌هاي حرارتي قبلي مقايسه گرديده است. با توجه به تاثير بسيار زياد عملكرد بازياب روي كاركرد موتور استرلينگ و توجه به وجود مدل‌هاي حرارتي مختلف براي بازياب، اين مدل‌هاي حرارتي مربوط به بازياب در مدل پلي‌تروپيك آزمايش گرديده و از طريق مقايسه با نتايج آزمايشگاهي دقيق‌ترين مدل حرارتي براي بازياب معرفي گرديده است.

A differential thermal model for simulation of Stirling engines was presented. In the new model polytropic expansion/compression processes were substituted for traditional isothermal or adiabatic models of previous studies. In addition, the developed polytropic model was corrected for various loss mechanisms of real engines. In this regard, the effect of non-ideal operation as well as heat recovery in the regenerator was considered. In addition, non-ideal heat transfer of heater and cooler were implemented into the model. In pressure analysis and evaluation of work produced or consumed in cylinders, the effect of finite speed motion of piston was considered based on the concept of finite speed thermodynamics. Moreover, the effects of heat leakage in regenerator, leakage effect and shuttle effect were evaluated. Finally, new differential polytropic models were employed on a benchmark Stirling engine, so-called GPU-3, and accuracy of models was validated through comparison with experimental results as well as previous models. As thermal performance of Stirling engines is significantly affected by thermohydraulic performance of regeneratorand there are various thermohydraulic models for regenerator, three famous thermohydraulic models of regenerator were integrated into models and through comparison with experimental performance of GPU-3 engine, a more accurate thermohydraulic model was introduced.