ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ...5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ 6 1.1. Ορισμός.....7 1.2.Είδη θερμικών μηχανών.8 1.3.Η λειτουργία των θερμικών μηχανών.9 1.3.1.Πως γίνεται η κυκλική μεταβολή 10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΜΗΧΑΝΗ STIRLING 23 2.1 Η ιστορία της μηχανής Stirling...24 2.2. Ο θερμοδυναμικός κύκλος.26 2.3. Διαμορφώσεις μηχανών Stirling 27 2.4. Η θερμική μηχανή..27 2.4.1. Ισοθερμοκρασιακή εκτόνωση ΑΒ.....29 2.4.2 Ισόογκη ψύξη ΒΓ...30 2.4.3 Ισοθερμοκρασιακή συμπίεση ΓΔ...30 2.4.4 Ισόογκη θέρμανση ΔΑ...31 2.5 Ενδεικτικές εφαρμογές των θερμικών μηχανών Stirling...32 2.6 Η STIRLING στη ξηρά..32 2.7 Η STIRLING στη θάλασσα...33 2.8 Η Stirling στο Διάστημα.35 2.9 Η ψυκτική μηχανή..36 2.10 Ειδικές μηχανές Stirling...38 2.11 Επιλογή μηχανών STIRLING 40 2.12 Μηχανισμός οδήγησης εμβολών των μηχανών STIRLING..43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΚΑΥΣΙΜΟ ΥΛΙΚΟ.49 3.1 Επιλογή εργαζόμενου αέριου μέσου 50 3.1 Επιλογή εργαζόμενου αέριου μέσου 50 3.2 Τα πρώτα συμπεράσματα από την ανάλυση του κύκλου STIRLING..55 3.3 Λειτουργία 56 1
3.4 Μηχανή Stirling και αέριο..57 3.5 Απόψεις επιλογής αερίου 58 4 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ: ΜΗΧΑΝΗ STIRLING ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ...61 4.1.Λίγα λόγια για το περιβάλλον...62 4.2.Φυσικό αέριο 63 4.3.Συμπαραγωγή με STIRLING και καύσιμο το Φ.Α..64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ.68 2
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 2.1 σελ. 42 Πίνακας 2.2. Πίνακας 2.3 σελ.42 σελ.42 Πίνακας 3.1 σελ. 51 Πίνακας 3.2 σελ. 52 Πίνακας 3.3 σελ. 54 Πίνακας 3.4 σελ. 54 Πίνακας 3.5 σελ. 55 Πίνακας 4.1 σελ. 66 ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΕΣ Μ.Ε.Κ. = Μηχανές εσωτερικής καύσεως UK = United Kingdom PP = Piston power DP = Displacer Piston CS = χώρος συμπίεσης C = Ψύκτης R = Αναγεννητής Η = Θερμαντήρας ES = Χώρος εκτόνωσης ΑΙΡ = Σύστημα πρόωσης ανεξαρτήτως αέρα LOX = Αποθηκευμένο υγρό οξυγόνο 3
ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον εισηγητή της εργασίας μου κ. Σωκράτη Τουμπεκτσή για την πολύτιμη βοήθειά του κατά την εκπόνηση της παρούσας πτυχιακής εργασίας, για τη στήριξή, την υπομονή και τη σωστή καθοδήγηση. Επίσης θα επιθυμούσα να ευχαριστήσω τους γονείς μου για την στήριξη τους όλα αυτά τα χρόνια οικονομική και ψυχολογική πολύτιμη για την ολοκλήρωση των σπουδών μου καθώς και την αδερφή μου Εφρά για την αξιόλογη βοήθειά της. Λέξεις κλειδιά: μηχανή Stirling, καύσιμο υλικό, περιβάλλον, τεχνολογική εξέλιξη 4
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι θερμικές και ψυκτικές μηχανές Stirling έχουν μια μακραίωνη ιστορία περίπου διακοσίων ετών, περισσότερο δηλαδή από τις μηχανές εσωτερικής καύσης που είναι και οι κύριες ανταγωνίστριες μηχανές. Αν και παλαιότερες από τις ΜΕΚ δεν κατάφεραν, για πολλούς λόγους και μάλλον δικαιολογημένα, να έχουν την ίδια εξέλιξη. Ωστόσο τις τελευταίες δεκαετίες οι εξειδικευμένες ενεργειακές ανάγκες έχουν αυξηθεί σχεδόν κατακόρυφα. Οι κλασικοί κινητήρες Stirling, ως μηχανές εξωτερικής καύσης, έχουν τη δυνατότητα με κατάλληλο καυστήρα, να χρησιμοποιούν πολλαπλά καύσιμα όπως στερεά, υγρά ή αέρια καθώς και βιομάζα. Οι κινητήρες αυτοί προκαλούν λιγότερη χημική και ηχητική ρύπανση συγκριτικά με τους κλασικούς κινητήρες πετρελαίου και βενζίνης της ίδιας ισχύος εξόδου. Κινητήρες Stirling με ειδικό θερμαντήρα χρησιμοποιούν ήπιες ή ανανεώσιμες πηγές ενέργειας: α) Τα συστήματα Stirling με παραβολικά κάτοπτρα (Dish- Stirling) είναι μικρά σύνολα που μετατρέπουν την Ηλιακή σε υπολογίσιμη ηλεκτρική ενέργεια. β) Οι ογκώδεις κινητήρες Χαμηλής Διαφοράς Θερμοκρασίας (ΧΔΘ) χρησιμοποιούν τη Γεωθερμία. Οι εξωτικοί κινητήρες Stirling καταναλώνοντας πυρηνικό καύσιμο παράγουν ηλεκτρική ενέργεια για τις ανάγκες διαστημικών σταθμών αλλά κυρίως διαστημικών οχημάτων που κινούνται στις εσχατιές του Ηλιακού συστήματος όπου η ένταση της φωτεινής ακτινοβολίας είναι ασήμαντη. Την τελευταία εικοσαετία η επιστημονική κοινότητα επικεντρώνει την έρευνά της στη συμπεριφορά νέων αλλά και παλαιών υλικών στο κρυογονικό πεδίο. Οι κρυοψύκτες Stirling επιτυγχάνουν θερμοκρασίες της τάξεως των 10 Κ. Γι αυτό τελευταία το ενδιαφέρον μας για τις θερμικές και ψυκτικές Stirling αναθερμάνθηκε. 5
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ 6
1.1. Ορισμός Θερμικές μηχανές ή θερμοκινητήρες ονομάζονται οι μηχανές οι οποίες μετατρέπουν την θερμότητα που παράγεται από την χημική ή ενέργεια της καύσης, σε χημικό έργο. Ανάλογα με τον τρόπο πραγματοποίησης της καύσης χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: Στις μηχανές εσωτερικής καύσεως (Μ.Ε.Κ.) και Στις μηχανές εξωτερικής καύσεως ή ατμομηχανές Εικόνα 1.2. «ατμομηχανή», Google εικόνες Εικόνα 1.1. «Μ.Ε.Κ. και ατμομηχανή», Google εικόνες Εσωτερικής καύσεως ονομάζονται οι μηχανές που ως εργαζόμενο μέσο χρησιμοποιούν τον αέρα και κατά κάποιο τρόπο το ίδιο το καύσιμο, δηλαδή καυσαέρια όπως ο εμβολοφόρος κινητήρας αυτοκινήτου ή ο αεροστρόβιλος ενός αεροπλάνου. 7
Εικόνες 1.3. 1.4. Μηχανή εσωτερικής καύσης», Google εικόνες Εξωτερικής καύσεως ονομάζονται οι μηχανές όπου η καύση δεν λαμβάνει μέρος στο χώρο παραγωγής ή έργου αλλά έξω από αυτόν και στις οποίες το μέσο παραγωγής έργου δεν είναι το καυσαέριο αλλά κάποιο άλλο στοιχείο όπως το νερό. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν οι ατμοστρόβιλοι, οι ατμομηχανές. Εικόνα 1.5. «Μηχανή εξωτερικής καύσης», Google εικόνες 1.2. Είδη θερμικών μηχανών Ανάλογα με τον τρόπο μετατροπής της θερμικής ενέργειας σε μηχανικό έργο οι θερμικές μηχανές διακρίνονται σε : Εμβολοφόρες ή παλινδρομικές (ισχύουν τόσο για τις μηχανές εσωτερικής καύσεως όσο και για τις εξωτερικής καύσεως) Περιστροφικές ή στροβίλους. Στις μηχανές εξωτερικής καύσεως ονομάζονται ατμοστρόβιλοι ενώ στις μηχανές εξωτερικής καύσεως ονομάζονται αεριοστρόβιλοι. 8
Σχήμα 1.1. «Βασική κατάταξη θερμικών μηχανών» 1.3. Η λειτουργία των θερμικών μηχανών Η λειτουργία των θερμικών μηχανών υπόκεινται στους νόμους της θερμοδυναμικής. Τα κύρια μέρη μιας θερμικής μηχανής είναι: α) Μια πηγή υψηλής θερμοκρασίας T hot που στο εξής θα ονομάζεται θερμοδοχείο υψηλής θερμοκρασίας β) Ένα μέσο Μ υγρό ή συνηθέστερα αέριο, που παίρνοντας θερμότητα Q h από το θερμοδοχείο υψηλής θερμοκρασίας εκτελεί κυκλική μεταβολή (θερμοδυναμικό κύκλο), παράγοντας έργο. γ) Μια πηγή θερμότητας σε χαμηλή θερμοκρασία Τ cold που στο εξής θα ονομάζεται θερμοδοχείο χαμηλής θερμοκρασίας και στην οποία αποβάλλεται σε κάθε κύκλο θερμότητα Q c από το μέσο Μ. 9
Διάγραμμα ροής ενέργειας σε μια θερμική μηχανή (= διάταξη που μεταφέρει μέρος της θερμότητας σε μηχανική ενέργεια. Περιέχει ενεργό υλικό δηλαδή μια ποσότητα ύλης στο εσωτερικό της που υποβάλλεται σε προσθήκη και απαγωγή θερμότητας, σε εκτόνωση και συμπίεση και μερικές φορές σε αλλαγή φάσης όπως για ατμομηχανές, νερό, για μηχανές εσωτερικής καύσης, μίγμα αερίου και καυσίμου). (Ρογδάκης, 2002) 1.3.1. Πως γίνεται η κυκλική μεταβολή Κυκλική μεταβολή είναι μια σειρά μεταβολών που επαναφέρουν το υλικό στην αρχική του κατάσταση (π.χ. στην ατμομηχανή το νερό ανακυκλώνεται και επαναχρησιμοποιείται). U2-U1=0=Q-W και Q=W δηλαδή το τελικό ποσό της θερμότητας που αξιοποιείται από μια μηχανή σε μια κυκλική μεταβολή είναι ίσο προς το τελικό έργο που παράγεται από τη μηχανή. Παρακάτω έχουμε παραδείγματα από τον κύκλο Carnot, ο οποίος είναι ο αντιστρεπτός κύκλος με τη μεγαλύτερη απόδοση. (Ρογδάκης, 2002) Εικόνα 1.6. «Ισοθερμοκρασιακή συμπίεση» Google εικόνες Εικόνα 1.7. «Ισεντροπική συμπίεση» Google εικόνες Εικόνα 1.8. «Ισοθερμοκρασιακή εκτόνωση» Εικόνα 1.9. «Ισεντροπική εκτόνωση» 10
Google εικόνες Κύκλος OTΤO Ισεντροπική συμπίεση Google εικόνες Ισόχωρη προσθήκη θερμότητας 11
Ισεντροπική εκτόνωση 12
Ισόχωρη απόρριψη θερμότητας Κινητήρας Otto 13
Με τη βαλβίδα εισαγωγής ανοικτή, το έμβολο εισάγει φρέσκο μείγμα μέσα στον κύλινδρο. Και με τις δυο βαλβίδες κλειστές το έμβολο εκτελεί συμπίεση αυξάνοντας την θερμοκρασία αλλά και την πίεση. Απαιτεί εισαγωγή έργου. Αρχίζει η διεργασία συμπίεσης καταλήγοντας σε μείγμα υψηλής θερμοκρασίας κα πίεσης. Η καύση στο Otto γίνεται στο τέλος της συμπίεσης. νεκρό σημείο. Παράγεται έργο αφού εκτονώνεται και έτσι επιστρέφει στο κάτω εξαγωγής. Τα καυσαέρια απορρίπτονται από τον κύλινδρο μέσο της βαλβίδας 14
Κύκλος Diesel 1-2: Ισεντροπική συμπίεση 2-3: Ισόθλιπτη προσθήκη θερμότητας 3-4: Ισεντροπική εκτόνωση 4-1: Ισόχωρη απόρριψη θερμότητας Ισεντροπική συμπίεση 15
Ισόθλιπτη προσθήκη θερμότητας Ισεντροπική εκτόνωση Ισόχωρη απόρριψη θερμότητας 16
Κύκλος Dual r p =1 Diesel r c =1 Otto r p >1 απόδοση μικρότερη Otto μεγαλύτερη Diesel Κύκλος Stirling 17
Μονοκύλινδρη μηχανή Stirling τύπου Α Κατάσταση 1: Ισοθερμοκρασιακή προσθήκη θερμότητας από εξωτερική πηγή. Κατάσταση 2: Ισόχωρη προθέρμανση, εσωτερική μεταφορά θερμότητας από το ρευστό λειτουργίας στον αναγεννητή Κατάσταση 3: Ισοθερμοκρασιακή συμπίεση Κατάσταση 4: Ισόχωρη αναγέννηση, εσωτερική μεταφορά θερμότητας από τον αναγεννητή στο ρευστό λειτουργίας. 18
Ισοθερμοκρασιακή προσθήκη θερμότητα Τ 1= Τ 2 Ισοθερμοκρασιακή συμπίεση με απόρριψη θερμότητας Τ 3= Τ 4 Δικύλινδρη μηχανή Stirling τύπου Β Ισοθερμοκρασιακή συμπίεση 1-2 Το αέριο ψύχεται και συστέλλεται μαζεύοντας και τα δύο έμβολα προς το εσωτερικό των κυλίνδρων τους. Στην αρχή της λειτουργίας ο στρόφαλος βρίσκεται στις 180 ο ενώ στο τέλος στις 270 ο. 19
Ισόογκη θέρμανση 2-3 Το αέριο που έχει ήδη συσταλθεί βρίσκεται κυρίως στον κρύο κύλινδρο. Ο στρόφαλος στρέφεται κυρίως κατά 90 ο αναγκάζοντας το αέριο να επιστρέψει στον θερμό κύλινδρο και να συμπληρωθεί ο κύκλος. Καθώς μεταφέρεται κρύος όγκος αερίου από τον κρύο στο θερμό κύλινδρο, ο αναγεννητής αποδίδει θερμότητα στο εργαζόμενο μέσο προθερμαίνοντας το. Στην αρχή της φάσης ο στρόφαλος βρίσκεται στις 270 ο ενώ στο τέλος στις 360 ο. Ισοθερμοκρασιακή εκτόνωση 3-4 Το αέριο θερμαίνεται και εκτονώνεται οδηγώντας και τα δύο έμβολα προς τα μέσα. Στο τέλος της φάσης ο στρόφαλος βρίσκεται στις 90 ο. 20
Ισόογκη ψύξη Υπάρχει αποθήκευση ποσού θερμότητας στη μήτρα του αναγεννητή. Ο όγκος στον θερμό κύλινδρο είναι μέγιστος. Στην αρχή της φάσης ο στρόφαλος βρίσκεται στις 90 ο ενώ στο τέλος στις 180 ο. Κύκλος Ericsson Q out= Ισοθερμοκρασιακός συμπιεστής Q in= Ισοθερμοκρασιακός στρόβιλος Απόδειξη βαθμού απόδοσης κύκλου Ericsson 21
Κύκλος Brayton Ανοικτός κύκλος, εσωτερική καύση Κλειστός κύκλος, εξωτερική καύση 22
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΜΗΧΑΝΗ STIRLING 2.1 Η ιστορία της μηχανής Stirling 23
Ο R. Stirling γεννήθηκε στο Cloag της Σκοτίας στις 25 Οκτωβρίου του 1790. Σπούδασε στο Πανεπιστήμιο της Γλασκόβης και του Εδιμβούργου (1805-1808), μαθηματικά, μεταφυσική, ρητορική, Λατινικά και Ελληνικά σε προχωρημένο επίπεδο. Χειροτονήθηκε πάστορας στις 19 Σεπτεμβρίου 1816 και δύο μήνες αργότερα κατοχύρωσε και εφάρμοσε την ευρεσιτεχνία του (UK Patent 4081) πάνω στη μηχανή Stirling και στον θερμικό αναγεννητή (regenerator) τον οποίο ο ίδιος ονόμαζε οικονομητήρα (economizer). Η ευρεσιτεχνία του R. Stirling περιέγραφε ένα πλήθος από εφαρμογές πάνω σε γυαλί και σε διάφορους κλιβάνους. Επίσης περιέγραφε και μια μηχανή ισχύος (εργοπαραγωγό) που ήταν σχεδιασμένη να λειτουργεί με μειωμένη κατανάλωση καυσίμου, σε σχέση με τις μηχανές ατμού που υπήρχαν και χρησιμοποιούσαν εκείνη την εποχή. Η μειωμένη κατανάλωση οφειλόταν στην ύπαρξη του αναγεννητή. Και άλλοι όπως ο Sir George Caley (1807) είχαν εφεύρει μηχανές αέρα πριν από τον R. Stirling. Επίσης ήταν ήδη γνωστές από το 1699 και άλλες διατάξεις που αποκαλούνταν μηχανές αέρα. Ο οικονομητήρας ή αναγεννητής υπήρξε όμως ένα πολύ σημαντικό τμήμα της πατέντας του 1816. (Senft, 1993) Εξαιτίας των μη ανθεκτικών υλικών που χρησιμοποιούνταν στην κατασκευή καυστήρων (ο χάλυβας ή ο σίδηρος του Sir Henry Bessemer δεν είχε ακόμα εφευρεθεί), συχνά έσκαγαν με καταστρεπτικά αποτελέσματα για τους ανθρώπους που δούλευαν κοντά. Οι συνέπειες του ατμού με υψηλή πίεση στο ανθρώπινο σώμα είναι σημαντικές, όπως μπορεί να βεβαιώσει όποιος έχει εμπειρία εγκαύματος από ατμό στην κουζίνα. Η μηχανή Stirling δεν έσκαγε γιατί οι πιέσεις δεν έφταναν σε αυτό το υψηλό επίπεδο. Απλά σταματούσε όταν πάθαινε βλάβη ο θερμαντήρας της, λόγω θερμικής καταπόνησης ή ατέλειας στο υλικό ή στην κατασκευή. Έτσι εφευρέθηκε μια περισσότερο εξευγενισμένη και αποδοτική μηχανή σε αντικατάσταση της ατμομηχανής, για να σωθούν ζωές και να βελτιωθούν οι συνθήκες διαβίωσης των ενοριτών. (Senft, 1993) Το 1818 κατασκεύασε μια μηχανή αέρος πάνω στο αρχικό του σχέδιο για να αντλεί νερό για ένα λατομείο πέτρας. Αρκετά από τα μέλη της οικογένειάς του ασχολήθηκαν με τη μηχανολογία καθώς επίσης και με την ιεροσύνη. Το 1820 συνεργάστηκε με τον νεότερο αδελφό του James (1800-1876) ο οποίος ήταν πολύ καλός μηχανικός και η κινητήρια δύναμη στην υλοποίηση και τελειοποίηση της εφεύρεσης του R. Stirling. Ο James υπέθεσε ότι θα μπορούσε να παραχθεί περισσότερη μηχανική ενέργεια αν 24
χρησιμοποιούσαν αέρα (σαν εργαζόμενο μέσο) σε πίεση μεγαλύτερη της ατμοσφαιρικής. Η καλύτερη εφαρμογή των προσπαθειών τους, που έχει καταγραφεί, έγινε στην Dundee Foundry Company όπου εργαζόταν ο James. Κατασκευάστηκε στο χυτήριο υπό τις οδηγίες του (και υποθέτουμε με σχέδιό του) μία πολύ μεγάλη μηχανή, με έμβολα διπλής δράσης (double acting piston) και όχι με ένα αλλά με δύο τμήματα θερμαντήρα (heater) και εκτοπιστή (displacer). Αυτή η μηχανή Stirling παρείχε ενέργεια στο χυτήριο για μερικά χρόνια έως ότου φθορές στο υλικό σε ακατάλληλο χρόνο οδήγησαν στην αντικατάστασή της από μια ατμομηχανή. (Senft, 1993) Αναπτύχθηκαν και άλλες ευρεσιτεχνίες το 1827 και το 1840 για τη βελτίωση των μηχανών αέρα. Δυστυχώς καμιά από τις πειραματικές εργασίες ή δημοσιεύσεις του R. Stirling δεν έχει διασωθεί εκτός από δύο μοντέλα μηχανών φτιαγμένα από τον ίδιο όταν ήταν πάστορας στο Kilmarnock. Αυτά τα μοντέλα είχαν γίνει δωρεά στα Πανεπιστήμια της Γλασκόβης και του Εδιμβούργου πριν από το 1824. Στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου η μηχανή του R. Stirling χρησιμοποιείτο από τον καθηγητή John Leslie ο οποίος υποστήριζε πως ήταν αναγκαία η πρακτική της επίδειξη. Το 1975 το Τμήμα Φιλοσοφίας της Φυσικής του Πανεπιστημίου δώρισε τη μηχανή στο Βασιλικό Μουσείο της Σκοτίας όπου και τώρα ακόμα είναι σε λειτουργία. Στη Γλασκόβη η μηχανή αρχικά δεν χρησιμοποιήθηκε. Αφέθηκε ξεχασμένη έως ότου βρέθηκε το 1847 από τον τότε καθηγητή της Φιλοσοφίας της Φυσικής William Thomson που αργότερα ονομάσθηκε Λόρδος Kelvin. Ο Thomson χρησιμοποίησε το μοντέλο για να δείξει ότι η μηχανή δούλευε σε αντιστρεπτό κύκλο. Η μηχανή ήταν σε συνεχή λειτουργία από το Thomson για επεξήγηση κατά τη διάρκεια της διδασκαλίας. Λειτουργεί ακόμη στη Γλασκόβη όπως και άλλα ιστορικά επιτεύγματα στον εκθεσιακό χώρο του Τμήματος της Φυσικής. Ένα αντίγραφο της μηχανής λειτουργεί στο Μουσείο Επιστημών του Λονδίνου. Η ευρεσιτεχνία του R. Stirling, περιείχε όλα αυτά τα στοιχεία που σήμερα χαρακτηρίζουν τη μηχανή που ακολουθεί τον ομώνυμο κύκλο. (Senft,1993) 2.2. Ο θερμοδυναμικός κύκλος 25
Είναι γνωστό ότι ο θερμοδυναμικός κύκλος του Stirling αποτελείται διαδοχικά από τέσσερις αντιστρεπτές μεταβολές: 1. Iσοθερμοκρασιακή εκτόνωση, 2. Ισόογκη ψύξη, 3. Ισοθερμοκρασιακή συμπίεση και 4. Ισόογκη θέρμανση. Η θεωρητική απόδοση eth του κύκλου είναι ίση με την θεωρητική απόδοση του κύκλου Carnot εφόσον χρησιμοποιηθούν θερμές δεξαμενές μεγάλης θερμοχωρητικότητας της ίδιας υψηλής θερμοκρασίας Τ1 και ψυχρές δεξαμενές μεγάλης θερμοχωρητικότητας της ίδιας χαμηλής θερμοκρασίας Τ2 ( 1 2 T > T ). (Ρογδάκης και Μπορμπιλάς, 2002) eth = 1- Τ 1/ Τ 2 <1 Η πραγματική απόδοση er της μηχανής είναι σαφώς μικρότερη της eth. Στο διάγραμμα πίεσης - όγκου (Σχ.1) η δεξιόστροφη διαγραφή του θερμοδυναμικού κύκλου αντιστοιχείσε θερμική (εργοπαραγωγό) μηχανή ενώ η αριστερόστροφη σε κρυογονική (cryocooler - ψυκτική). Σχ. 2.1 Ο Θερμοδυναμικός κύκλος Stirling σε διάγραμμα P V 2.3. Διαμορφώσεις μηχανών Stirling 26
Υπάρχουν αρκετοί τρόποι κατάταξης των μηχανών Stirling. Οι κυριότερες διαμορφώσεις (τύποι) είναι τρεις [NASA, 3]: 1. Διαμόρφωση Α: Ο κρύος χώρος συμπίεσης και το έμβολο ισχύος ή έμβολο συμπίεσης (ΡΡ) σε ξεχωριστό κύλινδρο από το θερμό χώρο εκτόνωσης όπου υπάρχει το έμβολο εκτόνωσης (P) (Σχ. 2.2). 2. Διαμόρφωση Β: Το έμβολο ισχύος (ΡΡ) και ο εκτοπιστής (displacer, DP) στον ίδιο κύλινδρο (Σχ. 2.3). 3. Διαμόρφωση Γ: Το έμβολο ισχύος (ΡΡ) και ο εκτοπιστής (displacer, DP) σε διαφορετικούς κυλίνδρους (Σχ. 2.4). Σχ. 2.2 Σχ. 2.3 Σχ. 2.4 2.4. Η θερμική μηχανή Η δικύλινδρη Stirling του σχήματος 5 (Matt Keveney, 4) ανήκει στον Α τύπο διαμόρφωσης και είναι η απλούστερη από τις άλλες διαμορφώσεις. Αποτελείται από δύο κυλίνδρους. Ο ένας κύλινδρος αποτελεί το χώρο εκτόνωσης (Expansion Space - ES) και ο άλλος τον χώρο συμπίεσης (Compression Space - CS). Ο χώρος εκτόνωσης διατηρείται ζεστός με τη βοήθεια του θερμαντήρα (Heater) ενώ στο ίδιο χρονικό διάστημα ο χώρος συμπίεσης (συμπιεστής) διατηρείται κρύος με τη βοήθεια του ψύκτη (Cooler). Στον συμπιεστή υπάρχει το έμβολο ισχύος (Piston Power - PP) ενώ στον χώρο εκτόνωσης το έμβολο P που κινεί το εγκλωβισμένο εργαζόμενο αέριο (π.χ. Αέρας, Ήλιο, Υδρογόνο, Άζωτο) μεταξύ του θερμού και κρύου άκρου της μηχανής. Στη διαμόρφωση Β (Σχ. 2.2, 2.3, 2.4) και Γ το έμβολο P αντικαθίσταται από τον εκτοπιστή (Displacer Piston - DP). Ο θερμαντήρας μπορεί να λειτουργεί με καιγόμενο καύσιμο (στερεό, υγρό ή αέριο), ηλεκτρική ενέργεια, πυρηνική ενέργεια καθώς επίσης και με ήπιες ή ανανεώσιμες μορφές ενέργειας (π.χ. ηλιακή). Ο ψύκτης στην απλούστερη μορφή του μπορεί να έχει πτερύγια μπορεί όμως να χρησιμοποιεί και νερό σαν ψυκτικό υγρό όπως ακριβώς οι γνωστές μας μηχανές των αυτοκινήτων. Μεταξύ του θερμαντήρα και του ψύκτη υπάρχει το σημαντικότερο τμήμα της 27
μηχανής που είναι ο αναγεννητής (Regenerator). Ποια είναι όμως η μορφή του αναγεννητή και ποια είναι η λειτουργία του; Στην απλούστερη μορφή του είναι ένας μεταλλικός κύλινδρος ο οποίος στο εσωτερικό του περιέχει ένα θερμοαγώγιμο υλικό σε μορφή επάλληλων διάτρητων φύλλων ή σφαιριδίων ή νημάτων (όπως το σύρμα για τις κατσαρόλες). Τα υλικό αυτό που αποτελεί τη μήτρα του αναγεννητή (regenerator matrix) απορροφά και στη συνέχεια αποδίδει θερμότητα. (Ρογδάκης και Μπορμπιλάς, 2002) Πράγματι: Όταν το θερμό αέριο μεταφέρεται από το θερμό χώρο (ES) στον ψυχρό (CS), ένα μέρος της εσωτερικής του ενέργειας κατακρατείται από τη μήτρα του αναγεννητή (R) και αποθηκεύεται σ αυτήν. Όταν το κρύο αέριο επιστρέφει πίσω από τον ψυχρό χώρο (CS) στο θερμό χώρο (ES) με τη βοήθεια του εμβόλου P (ή του DP στις διαμορφώσεις Β και Γ), το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας που είχε ήδη αποθηκευθεί στη μήτρα του αναγεννητή αποδίδεται στο αέριο. Έτσι ο αναγεννητής προψύχει και προθερμαίνει το εργαζόμενο αέριο, βελτιώνοντας θεαματικά την απόδοση της μηχανής. Τα κύρια λοιπόν μέρη της μηχανής κατά σειρά είναι: i) Χώρος Συμπίεσης (CS), ii) Ψύκτης (C), iii) Αναγεννητής (R), iv) Θερμαντήρας (H), v) Χώρος Εκτόνωσης (ES). Εικόνα 2.1. «Δικύλινδρη μηχανή Stirling σε μορφή V (Διαμόρφωση Α)» Google εικόνες 28
Εικόνα 2.2 «Μονοκύλινδρη μηχανή Stirling (Διαμόρφωση B)» Google εικόνες Πώς μπορούμε όμως να πραγματοποιήσουμε αυτόν το θερμοδυναμικό κύκλο; Όταν ένα αέριο είναι κλεισμένο σε έναν κύλινδρο και μετακινείται στο θερμό μέρος του κυλίνδρου, αυξάνεται η πίεσή του και επιδιώκει να διασταλεί. Έτσι μπορεί να παράγει ενέργεια μέσω έργου. Αντίθετα, όταν το αέριο αναγκάζεται να πάει στο κρύο μέρος του κυλίνδρου, ψύχεται και συστέλλεται, καταναλώνοντας ενέργεια. Το αέριο παράγει περισσότερη ενέργεια μέσω έργου κατά την εκτόνωση σε σχέση με αυτή που χρειάζεται κατά την συμπίεσή του. Το αλγεβρικό άθροισμα των δύο αυτών ενεργειών κατά την διάρκεια ενός κύκλου λειτουργίας είναι η καθαρή παραγόμενη ενέργεια ανά κύκλο από τη μηχανή (σε J/κύκλο) την οποία αν στη συνέχεια πολλαπλασιάσουμε με τη συχνότητα λειτουργίας της μηχανής (σε κύκλους/s) υπολογίζουμε την ισχύ της (σε W). (Ρογδάκης και Μπορμπιλάς, 2002) Αναλυτικά: 2.4.1. Ισοθερμοκρασιακή εκτόνωση ΑΒ Το μεγαλύτερο μέρος του εργαζόμενου αερίου ευρισκόμενο μέσα στο κλειστό σύστημα έχει οδηγηθεί μέσα στο θερμό κύλινδρο. Το αέριο θερμαίνεται και εκτονώνεται οδηγώντας και τα δύο έμβολα προς τα μέσα (στο σχήμα μας το έμβολο του θερμού κυλίνδρου προς τα δεξιά ενώ του ψυχρού κυλίνδρου προς τα κάτω). Η γωνιακή εκτροπή του στρόφαλου μετρούμενη από την κατακόρυφη και με δεξιόστροφη φορά διαγραφής στην αρχή της φάσης είναι μηδέν. Στο τέλος της πρώτης φάσης ο στρόφαλος στις 90 ο. (Ρογδάκης και Μπορμπιλάς, 2002) 29
Εικόνα 2.3«Αρχή της φάσης ΑΒ» Google εικόνες Εικόνα 2.4.«Τέλος της φάσης ΑΒ» Google εικόνες 2.4.2 Ισόογκη ψύξη ΒΓ Το αέριο έχει εκτονωθεί (στο σχήμα μας περίπου τρεις φορές σε σχέση με τον αρχικό του όγκο). Το περισσότερο αέριο (περίπου τα 2/3 του) βρίσκεται ακόμα στο θερμό κύλινδρο και το ένα τρίτο στον κρύο κύλινδρο. Ο όγκος στο θερμό κύλινδρο είναι μέγιστος. Καθώς μεταφέρεται θερμός όγκος αερίου από το θερμό στον κρύο κύλινδρο, αποθηκεύεται ποσό θερμότητας στον αναγεννητή (regenerator). Στην αρχή της φάσης ο στρόφαλος στις 90ο ενώ στο τέλος στις 180 ο. Εικόνα 2.5 «Αρχή της φάσης ΒΓ» Google εικ. Εικόνα 2.6 «Τέλος της φάσης ΒΓ» Google εικ. 2.4.3 Ισοθερμοκρασιακή συμπίεση ΓΔ Τώρα το μεγαλύτερο μέρος του εργαζόμενου θερμού αερίου, που έχει εκτονωθεί, έχει μεταφερθεί στον κρύο κύλινδρο. Το αέριο ψύχεται και συστέλλεται, μαζεύοντας και τα δύο έμβολα προς το εσωτερικό των κυλίνδρων τους (στον κάτω αριστερό 30
κύλινδρο προς τα αριστερά ενώ στον πάνω κύλινδρο προς τα πάνω). Ο αναγεννητής συνεχίζει να απορροφά θερμότητα από το εργαζόμενο αέριο καθώς αυτό περνά από το θερμό προς το ψυχρό κύλινδρο. Στην αρχή της φάσης ο στρόφαλος στις 180ο ενώ στο τέλος στις 270ο. Εικ. 2.7 «Αρχή τηςφάσης ΓΔ» Google εικ. Εικ. 2.8 «Τέλος της φάσης ΓΔ» Google εικ. 2.4.4 Ισόογκη θέρμανση ΔΑ Τώρα το αέριο που έχει ήδη συσταλθεί βρίσκεται κυρίως στον κρύο κύλινδρο. Ο στρόφαλος στρέφεται ακόμη κατά 90ο αναγκάζοντας το αέριο να επιστρέψει στον θερμό κύλινδρο και να συμπληρωθεί ο κύκλος. Καθώς μεταφέρεται κρύος όγκος αερίου από τον κρύο στο θερμό κύλινδρο, ο αναγεννητής αποδίδει θερμότητα στο εργαζόμενο μέσο, προθερμαίνοντάς το. Αν ο αναγεννητής θεωρηθεί τέλειος τότε και μόνο αποδίδει τόση θερμότητα όση είχε απορροφήσει. Στην αρχή της φάσης ο στρόφαλος στις 270o ενώ στο τέλος στις 360 ο. Εικ. 2.9 «Αρχή της φάσης ΔΑ» Google εικ. Εικ. 2.10 «Τέλος της φάσης ΔΑ» Google εικ. 31
2.5 Ενδεικτικές εφαρμογές των θερμικών μηχανών Stirling Μηχανές Stirling έχουν τοποθετηθεί πειραματικά, σε μικρά σκάφη αναψυχής, σε φορτηγά αυτοκίνητα, σε λεωφορεία και σε μικρά επιβατικά. Μεγάλες εταιρίες (GENERAL MOTORS, FORD, PHILIPS, ΜΑΝ, UNITED STIRLING, FIAT) έχουν συνεργαστεί επιτυχώς για το σκοπό αυτό. Ωστόσο δεν είναι δυνατόν, τουλάχιστον προς το παρόν, να εκτοπίσουν τις ΜΕΚ (βενζινομηχανές και πετρελαιομηχανές) λόγω της μακροχρόνιας εξέλιξής των. Σήμερα οι μηχανές Stirling έχουν εφαρμογές ευρέως φάσματος από παροχή ηλεκτρικής ενέργειας με τη χρήση βιομάζας σε μικρές αγροτικές μονάδες έως το να κινούν υποβρύχια ή να παρέχουν επικουρικό ή ακόμα και κύριο ενεργειακό έργο σε διαστημικά οχήματα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. (Ρογδάκης και Μπορμπιλάς, 2002) Τις τέσσερις τελευταίες δεκαετίες, το ενδιαφέρον για τη χρήση μηχανών Stirling, για την κάλυψη μιας πληθώρας αναγκών, που σχετίζονται με την παραγωγή ενέργειας έχει αυξηθεί σημαντικά. Το ενδιαφέρον αυτό αρχικά προέκυψε από τη δυνατότητα που προσφέρει η μηχανή Stirling για: υψηλή απόδοση περιορισμένες εκπομπές σε συνδυασμό με την εγγενή αθόρυβη λειτουργία της και δυνατότητα λειτουργίας με πληθώρα καυσίμων ή με ποικίλες πηγές θερμότητας. 2.6 Η STIRLING στη ξηρά Η Ολλανδική Philips ήταν η πρωτοπόρος κατασκευάστρια εταιρία μηχανών Stirling. Στην εικόνα 2.11 φαίνεται μία παλαιά μηχανή Stirling της Philips, η 102C, για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η Γερμανική εταιρίας SOLO κατασκευάζει σύγχρονες ηλεκτρογεννήτριες που παράγουν ηλεκτρική ισχύ 2-9 kw από 8-24 kw θερμική ισχύ, χρησιμοποιώντας μεγάλη ποικιλία καυσίμων. Η Σουηδική εταιρίας Kockums κατασκευάζει επίσης σύγχρονες ηλεκτρογεννήτριες ωφέλιμης ισχύος 10 kw οι οποίες χρησιμοποιούνται και σε Ηλιακά Ενεργειακά Συστήματα εγκατεστημένα στην Almeria της Ισπανίας. (Εικόνα 2.13). (Ρογδάκης και Μπορμπιλάς, 2002) 32
Εικ. 2.11 «Philips 102C. Ηλεκτρική γεννήτρια 200W στα 220V και 50Hz (1948-1951)» Google εικόνες Εικ. 2.12 «Ενεργειακό Ηλιακό σύστημα της Σουηδικής εταιρίας Kockums» Google εικόνες 2.7 Η STIRLING στη θάλασσα Στα τέλη της δεκαετίας του 1980 η Σουηδική εταιρία Kockums προσάρμοσε μια μηχανή Stirling (Εικ. 2.13) στο υποβρύχιο Nacken του Βασιλικού Σουηδικού Ναυτικού. Το υποβρύχιο τοποθετήθηκε αρχικά στη δεξαμενή του ναυπηγείου, κόπηκε στα δύο και εισήχθη ένα πλήρως εφοδιασμένο σύστημα ΑΙΡ μήκους οκτώ μέτρων. Τα χρόνια των πρακτικών θαλάσσιων δοκιμών που ακολούθησαν ήταν εξαιρετικά ικανοποιητικά και οδήγησαν στην εγκατάσταση των συστημάτων Stirling 33
ΑΙΡ στα νέα υποβρύχια τύπου Gotland. Αλλά τι ακριβώς είναι το σύστημα Stirling ΑΙΡ και ποια τα πλεονεκτήματά του; Το κύριο χαρακτηριστικό του συστήματος πρόωσης ανεξαρτήτως αέρα (Εικ. 2.14, 2.15) της Kockums (ΑΙΡ) είναι η χρήση μηχανών Stirling. Αυτές καίνε diesel με καθαρό οξυγόνο σε θάλαμο καύσης υψηλής πίεσης. Η πίεση της καύσης είναι υψηλότερη από την πίεση του περιβάλλοντος θαλασσινού νερού (υδροστατική πίεση), επιτρέποντας έτσι στα προϊόντα της καύσης, που διαλύονται στο νερό, να αποβάλλονται από το υποβρύχιο χωρίς της χρήση συμπιεστή. Το οξυγόνο αποθηκεύεται σε υγρή μορφή (LOX) σε κρυογονικές δεξαμενές. Ο χρόνος παραμονής κάτω από το νερό καθορίζεται κυρίως από την ποσότητα του αποθηκευμένου υγρού οξυγόνου (LOX). Το σύστημα Kockums Stirling AIP αυξάνει έτσι σημαντικά την παραμονή του υποβρύχιου κάτω από την επιφάνεια του νερού και προσφέρει μια εναλλακτική λύση στην παροχή ενέργειας από συσσωρευτές. Αυτό σημαίνει λιγότερο συχνές απαιτήσεις, επαναφόρτισης συσσωρευτών, με τη βοήθεια γεννητριών diesel, η οποία είναι μια θορυβώδης διαδικασία. Αντί για χρόνο παραμονής κάτω από την επιφάνεια του νερού της τάξεως ολίγων ημερών, ένα υποβρύχιο με σύστημα Stirling AIP μπορεί να τον παρατείνει σε εβδομάδες, υπερτερώντας έτσι κάθε άλλου συμβατικού υποβρυχίου. Επίσης το σύστημα είναι πρακτικά απαλλαγμένο κραδασμών, αθόρυβο και βαρύ, δηλαδή το υπέρυθρο σήμα εκπομπής του είναι πολύ χαμηλό. Όταν εξαντληθούν τα αποθέματα υγρού οξυγόνου (LOX), το υποβρύχιο παραμένει ένα ισχυρό συμβατικό υποβρύχιο. Έχει χαμηλό κόστος αγοράς και χαμηλό κόστος κύκλου λειτουργίας. Το σύστημα Stirling AIP μπορεί να συμπεριληφθεί στο σχεδιασμό νέων υποβρυχίων, όπως στα Σουηδικά τύπου Gotland και στα Αυστραλιανά τύπου Collins τα οποία είναι προετοιμασμένα για την εγκατάσταση αυτή. (Reader and Hooper, 1983) Εικ. 2.13 «Σύγχρονο Σουηδικό υποβρύχιο κινούμενο με μηχανή Stirling» Google εικόνες 34
Εικ. 2.14 «Το Σύστημα Stirling AIP της Kockums» Google εικόνες Εικ. 2.15 «Η αρχή του συστήματος Stirling AIP της Kockums» Google εικόνες 2.8 Η Stirling στο Διάστημα Η NASA (Glenn Research Center-Rockwell International) το Μάρτιο του 1993 δημοσίευσε μία ολοκληρωμένη μελέτη με τον τίτλο Lunar Electric Power Systems Utilizing the SP-100 Reactor Coupled to Dynamic Conversion Systems. Στη μελέτη αυτή παρουσιάζεται μία εφαρμογή μηχανής Stirling η οποία καταναλώνοντας πυρηνικό καύσιμο παράγει ηλεκτρική ενέργεια η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τις ανάγκες ενός διαστημικού σταθμού. Ο σταθμός αυτός μπορεί να είναι εγκατεστημένος πάνω στην επιφάνεια ενός απομακρυσμένου πλανήτη ή να βρίσκεται πάνω σε διαστημικό όχημα που κινείται στις εσχατιές του Ηλιακού συστήματος όπου η ένταση της φωτεινής ακτινοβολίας είναι ασήμαντη. Η καθαρή ηλεκτρική ισχύς είναι 550 kw στα 70Hz, η πραγματική απόδοση 29.7%, η θερμοκρασία στην έξοδο του αντιδραστήρα 1355 K, η θερμοκρασία στο θερμαντήρα 1265 K και η θερμοκρασία στον Ψύκτη 602 K. Χρησιμοποιώντας σαν εργαζόμενο ρευστό το Ήλιο, έχει μέση πίεση 150 bar. Η διάρκεια ζωής του αντιδραστήρα με πλήρη ισχύ είναι 9.6 χρόνια. Οι τέσσερις επιφάνειες ακτινοβόλησης ενέργειας που συνδέονται με τον 35
ψύκτη έχουν διαστάσεις 6 x 9 m, ο δε εναλλάκτης του χρησιμοποιεί NaK για την αποβολή της θερμότητας. Για την ελαχιστοποίηση των κραδασμών η μηχανή έχει αντικριστή διάταξη. Στην εικόνα 2.16 φαίνεται μια άλλη δικύλινδρη βοηθητική μηχανή Stirling ελευθέρων εμβόλων (Free piston) παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος 25 kw (12.5 kw/κύλινδρο), στα 100 Hz, με συνολική ωαπόδοση 25%. Χρησιμοποιεί σαν εργαζόμενο μέσο το Ήλιο, σε μέση πίεση 150 bar, με θερμοκρασία στο θερμό άκρο 650 K και θερμοκρασία στο ψυχρό άκρο 325 K. (Ρογδάκης και Μπορμπιλάς, 2002) Εικ. 2.16 «Stirling ελευθέρων εμβόλων για διαστημική χρήση» Google εικόνες 2.9 Η ψυκτική μηχανή Οι μηχανές Stirling λειτουργούν πολύ καλά και ως ψυκτικές. Οι δυνατότητες αυτές είχαν αναγνωριστεί ήδη από το 1834, από τον John Herschel. Ο 1876 ο Alexander Kirk περιέγραψε μια μηχανή ψύξης η οποία χρησιμοποιούνταν δέκα χρόνια. Ωστόσο, μόνο προς τα τέλη της δεκαετίας του 1940 έγιναν σοβαρές προσπάθειες ως προς την εμπορική ανάπτυξη των ψυκτικών μηχανών κύκλου Stirling. Αυτό το ανέλαβε η εταιρεία Philips στο Eindhoven. Η πρώτη ψυκτική μηχανή παρουσιάστηκε το 1953 και ήταν ένας υγροποιητής αέρα. Από τότε, περαιτέρω έρευνα οδήγησε στην ανάπτυξη μιας ποικιλίας ψυκτικών μηχανών Stirling που αφορούν ψυκτική ικανότητα ευρέως φάσματος, και στην κατασκευή σχετικού εξοπλισμού για κρυογονική έρευνα και βιομηχανικές εφαρμογές. Ως τώρα, οι ψυκτικές μηχανές κύκλου Stirling έχουν αποδειχθεί πιο κατάλληλες για το κρυογονικό πεδίο (δηλαδή για εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες), σε αντίθεση με το πεδίο υψηλών θερμοκρασιών (οικιακού και 36
βιομηχανικού ενδιαφέροντος) το οποίο κυριαρχείται προς το παρόν από ψυκτικές μηχανές συμπίεσης ατμού π.χ. Αμμωνίας, R22 [CHClF2] και άλλων οικολογικότερων ψυκτικών ρευστών. Άλλοι κατασκευαστές έχουν εισέλθει στην αγορά των μικρών (και μικροσκοπικών) κρυογονικών μηχανών ψύξης οι οποίες χρησιμοποιούνται σαν βοηθητικές σε ηλεκτρονικές εφαρμογές, κυρίως σε ανιχνευτικούς μηχανισμούς με υπέρυθρη ακτινοβολία για ποικιλία στρατιωτικών και πολιτικών σκοπών. Η ανάπτυξη, από τον Samuel Collins στο M.I.T., μιας σχετικά μη δαπανηρής και αξιόπιστης μηχανής εκτόνωσης, ικανής να υγροποιεί Ήλιο, ήταν ανάμεσα στα πιο σημαντικά βήματα στην κρυογονική τεχνική, διευρύνοντας σε σημαντικό βαθμό τις δυνατότητες μελέτης αυτού του στοιχείου. Είναι ανυπολόγιστης αξίας τα μελλοντικά πλεονεκτήματα της έρευνας στο πεδίο της υπεραγωγιμότητας και της μικροηλεκτρονικής. (Ρογδάκης και Μπορμπιλάς, 2002) Οι συνήθεις ψυκτικές μηχανές Stirling λειτουργούν με εργαζόμενο μέσο το Ήλιο. Χρησιμοποιούνται σε αρκετά εργαστήρια για την επίτευξη χαμηλότερων θερμοκρασιών και από 12 Κ. Ενδεικτικά αναφέρονται: i) Βιομηχανικό ψυγείο ψυκτικής ικανότητας 20 kw στα 70 K το οποίο παράγει 250 L υγρό N2 την ώρα με κλασματική απόσταξη αέρα. Η απόδοση στη θερμοκρασία αυτή είναι περίπου 42% της τιμής της απόδοσης Carnot. H τετρακύλινδρη αυτή μηχανή που έχει μάζα 6.500 kg και διαστάσεις 1.6x3x2 m, οδηγείται από μοτέρ 240 HP. ii) Minicooler της Philips. Έχει ψυκτική ικανότητα 1W, μήκος 22cm, βάρος 2 kg, χρόνο πτώσης της θερμοκρασίας λιγότερο από 15 min, ακουστικό θόρυβο μικρότερο από 40 db στα 8 m, συντήρηση μετά από 2.500 ώρες λειτουργίας. Χρησιμοποιείται κυρίως για ψύξη διαφόρων ευαίσθητων ηλεκτρονικών συσκευών (lasers, ανιχνευτές υπερύθρων κλπ). Στην εικόνα 2.17 φαίνεται μία επιδαπέδια ψυκτική μηχανή, η SPC-1, της Ολλανδικής εταιρίας Stirling Cryogenics & Refrigeration BV. Έχει μάζα 600kg, εργάζεται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος έως 45 C, με μέγιστη σχετική υγρασία 95%, έχει ψυκτική ικανότητα 1kW στους 70K ή 3kW στους 200K, ψύχει 750 L νερό ανά ώρα και απαιτεί συντήρηση κάθε 6.000 ώρες λειτουργίας. 37
Εικ. 2.17 «Ψυκτική μηχανή SPC-1» Google εικόνες Στην εικόνα 2.18 φαίνεται μία μικρή κρυογονική μηχανή, η CryoTel, της Αμερικανικής εταιρίας Sunpower. Έχει ψυκτική ικανότητα 6W στους 60Κ, συχνότητα 60Hz, καταναλισκόμενη ηλεκτρική ισχύ 155W, διάρκεια ζωής 50.000 ώρες, εργάζεται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος από 40ο C έως 60oC, και ενδεικτική τιμή αγοράς 10.000$. Εικ. 2.18 «Ο cryocooler CryoTel» Google εικόνες 2.10 Ειδικές μηχανές Stirling Free piston Από τις πιο καινούριες εφαρμογές του κύκλου Stirling είναι η μηχανή με διαμόρφωση ελευθέρων εμβόλων την οποία σχεδίασε και κατασκεύασε στις αρχές του 1960 ο William T Beale (Εικ. 2.19). Οι μηχανές αυτές λειτουργούν χωρίς φυσικές συνδεσμολογίες. Στηρίζονται μόνο στις πιέσεις των αερίων για να μεταβιβάσουν τις 38
σωστές κινήσεις στα παλινδρομούντα μέρη. Τέτοιες μηχανές έχουν το πλεονέκτημα της απλότητας, του χαμηλού κόστους, και της αξιοπιστίας σε σχέση με τις συμβατικές μηχανές Stirling. Οι μηχανές αυτές μπορούν να λειτουργούν με σταθερή συχνότητα και αναπτύχθηκαν για ποικίλες εφαρμογές μερικές από τις οποίες είναι οι αντλίες θερμότητας, οι ηλιακοί ηλεκτρικοί εναλλάκτες, οι απομακρυσμένες γεννήτριες ισχύος, τα ολικά συστήματα ενέργειας, οι αντλίες νερού κλπ. (Walker and Senft, 1985) Εικ. 2.19 «Μηχανή Ελευθέρου Εμβόλου» Google εικόνες Χαμηλής διαφοράς θερμοκρασίας Μία επίσης ενδιαφέρουσα κατηγορία μηχανών Stirling είναι αυτές που λειτουργούν με μικρή διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της θερμής και ψυχρής δεξαμενής. Συνήθως οι μηχανές αυτές είναι μεγάλων διαστάσεων και μαζών. Η διαφορά θερμοκρασίας μπορεί να φθάσει μόλις ένα με δύο βαθμούς. Έχουν κατασκευαστεί επίσης μηχανές χαμηλής διαφοράς θερμοκρασίας που λειτουργούν με ηλιακή ενέργεια. Η απόδοση αυτών των μηχανών είναι μικρή αλλά μπορούν να εκμεταλλευθούν θερμές πηγής όχι ιδιαίτερα υψηλής θερμοκρασίας (π.χ. Γεωθερμία). Στην εικόνα 2.20 φαίνεται μία μηχανή Ιαπωνικής προέλευσης, 300 W που λειτουργεί με υψηλή θερμοκρασία μόλις 130οC και με χαμηλή 15οC. Ο εναλλάκτης που συνδέεται με τον θερμαντήρα έχει παροχή 20 L/min Αιθυλενογλυκόλη, ενώ ο εναλλάκτης που συνδέεται με τον ψύκτη έχει παροχή 20 L/min νερό. (Walker and Senft, 1985) 39
Εικ. 2.20 «Μηχανή χαμηλής διαφοράς θερμοκρασίας» Google εικόνες 2.11 Επιλογή μηχανών STIRLING Οι θερμικοί κινητήρες Stirling ανήκουν στην κατηγορία των μηχανών με περιορισμένο ακόμη ενδιαφέρον λόγω της εντυπωσιακής συνεχούς εξέλιξης των θερμοκινητήρων που ακολουθούν τους κύκλους Otto και Diesel σε αντίθεση με τις ψυκτικές μηχανές Stirling που βρίσκουν ποικίλες εφαρμογές σε τεχνολογίες αιχμής. Ωστόσο υπάρχει πληθώρα ειδικών εφαρμογών όπου επιβάλλεται η προτίμηση των κινητήρων Stirling σε σχέση με τις ΜΕΚ, αφού: Έχουν τη δυνατότητα χρήσης πολλαπλών καυσίμων με κατάλληλο καυστήρα, όπως Βενζίνη, Πετρέλαιο, Κηροζίνη, Λάδι λίπανσης, Ελαιόλαδο, Σπορέλαιο, Ηλιέλαιο, Βιοέλαιο, Αιθανόλη, Μεθανόλη, Προπάνιο, Βουτάνιο, Υγραέριο, Φυσικό αέριο, Φωταέριο, Γαιαέριο, Βιοαέριο, όλες οι μορφές κάρβουνου, Βιομάζα (ξύλα, πριονίδι, φύλλα κλπ). Επίσης μετατρέπουν Ηλιακή ενέργεια και δευτερευόντως Γεωθερμία. Ρυπαίνουν χημικά και ηχητικά ολιγότερο. Έτσι συμβάλλουν ουσιαστικά στην προστασία του περιβάλλοντος. Απαιτούν συντήρηση σε μεγάλα χρονικά διαστήματα με αποτέλεσμα να λειτουργούν αρκετές χιλιάδες ώρες συνεχώς. Αν όμως είναι διαθέσιμα τα συμβατικά καύσιμα και η λειτουργία των ΜΕΚ είναι ικανοποιητική, τότε δεν μπορούμε να διανοηθούμε ότι θα τις αντικαταστήσουμε με Stirling. Πότε όμως αυτό μπορεί να συμβεί; Μόνο όταν το πετρέλαιο ή τα καθαρά αέρια καύσιμα σε μια περιοχή του πλανήτη είναι περιορισμένα ή ακριβά ή το περιβάλλον στο οποίο πρόκειται να λειτουργήσει η μηχανή δεν μπορεί να δεχτεί τα 40
καυσαέριά της, ή δίνεται μεγάλη βαρύτητα στην ηχορύπανση, τότε ο βενζινοκινητήρας και ο πετρελαιοκινητήρας δεν είναι βιώσιμοι και μπορούμε να σκεφτούμε ως λύση τη Stirling. (Ρογδάκης και Μπιρμπιλάς, 2002) Τα μειονεκτήματα των μηχανών Stirling εντοπίζονται κυρίως: Στο υψηλό κόστος κατασκευής των. Κοστίζουν πολλαπλάσια σε σχέση με τις Diesel της ίδιας αποδιδόμενης ισχύος. Αυτό οφείλεται στα ακριβά τμήματα της μηχανής όπως για παράδειγμα είναι ο θερμαντήρας. Στα στεγανωτικά (Seals) τα οποία πρέπει να είναι πολύ καλής ποιότητας για να μη διαρρέει το εγκλωβισμένο εργαζόμενο μέσο, το οποίο συνήθως έχει μικρό ΜΒ και εργάζεται σε υψηλές ταχύτητες και υπό μεγάλες πιέσεις. Στην έλλειψη εξειδικευμένου τεχνικού προσωπικού για την συντήρηση των μηχανών. Ειδικότερα στο πρόβλημα της ρύπανσης είναι γνωστό το ενδιαφέρον της διεθνούς κοινότητας τα τελευταία χρόνια. Είναι σαφές ότι δεν υπάρχει μηχανή που να μην ρυπαίνει έστω και κατ ελάχιστον. Οποιαδήποτε μετατροπή μιας μορφής ενέργειας σε άλλη συνοδεύεται από ρύπανση. Η εκμετάλλευση της Ηλιακής ενέργειας κατά κύριο λόγο και δευτερευόντως της Γεωθερμίας με τη βοήθεια της μηχανής Stirling είναι από τις ολιγότερο ρυπογόνες μετατροπές. Δεν μπορούν όμως να επιλύσουν το ενεργειακό μας πρόβλημα οι παραπάνω δύο μετατροπές και μάλιστα αν δεχθούμε ότι η ετήσια παγκόσμια συνολική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας στις αρχές του 21ου αιώνα ανέρχεται προσεγγιστικά σε 12.500 TWh, από τις οποίες περίπου 7.400 TWh ή 59% χρησιμοποιούνται από τις βιομηχανικές χώρες, όπως ΗΠΑ, Καναδάς, Δυτική Ευρώπη Ιαπωνία και Κορέα. ((Ρογδάκης και Μπιρμπιλάς, 2002) Τι συμβαίνει όμως με τα κλασικά καύσιμα; Υπερέχει ο θερμικός κινητήρας Stirling και κατά πόσο σε σχέση με τους πετρελαιοκινητήρες και βενζινοκινητήρες; Ειδικά οι πετρελαιοκινητήρες και οι βενζινοκινητήρες των αυτοκινήτων είναι πολύπλοκα χημικά αντιδραστήρια στα οποία μπορούν να σχηματισθεί ασύλληπτα μεγάλος αριθμός χημικών ενώσεων. Το περισσότερο εντυπωσιακό χαρακτηριστικό των καυστήρων Stirling, είναι η πολύ χαμηλή εκπομπή HC, 1-2 ppm. Αυτό οφείλεται: i) Στο ότι όλα τα τοιχώματα του καυστήρα είναι πολύ θερμά και κανένα μέρος της φλόγας δεν βρίσκει κάποια κρύα περιοχή για να δροσιστεί και ii) Στο καύσιμο δίνεται αρκετός χρόνος για να καεί πλήρως. Επίσης τα οξείδια του Αζώτου κυρίως σχηματίζονται σαν θερμικά NOx. Σε θερμοκρασίες 41
χαμηλότερες από τους 1700 Κ, ο ρυθμός σχηματισμού του ΝΟ μετρούμενος σε ppm, είναι μονοψήφιος αριθμός. ((Ρογδάκης και Μπιρμπιλάς, 2002) Ο Πίνακας 2.1 αναφέρεται σε επιδαπέδιες μηχανές παραπλήσιας ισχύος και δείχνει τη στάθμη συνήθων ρύπων στον περιβάλλοντα χώρο ορυχείου. Πίνακας 2.1: Επίπεδο ρύπων για επιδαπέδιες εγκαταστάσεις ισχύος Ρύποι σε (ppm) Stirling P-40 Diesel (Συμβατική) Diesel (Έμμεσης Έκχυσης) CO 1.0 5.8 4.0 HC 0.01 0.74 0.5 NOx 0.5 10.2 8.0 Στον Πίνακα 2.2 φαίνονται οι εκτιμήσεις των Vladmir Breusov και Victor Elistratov του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου της Αγίας Πετρούπολης για τους ρύπους HC, CO και NOx από μια μηχανή Stirling, ένα βενζινοκινητήρα και ένα πετρελαιοκινητήρα. Η Stirling χρησιμοποιεί σαν καύσιμο το πετρέλαιο. Αν χρησιμοποιηθεί βιομάζα είναι δυνατόν να μειωθούν επιπλέον οι παραπάνω ρύποι. Πίνακας 2.2: Ενδεικτικές τιμές ρύπων Ρύποι σε (g/kwh) Stirling Otto Diesel CO Μέγιστη τιμή 0.7 1.5 14 650 1.7 4.7 Μέση τιμή 1.0 17.7 3.9 HC Μέγιστη τιμή 0.01 0.1 4 41 0.42 1.7 Μέση τιμή 0.01 17.7 1.3 ΝOx Μέγιστη τιμή 3.0 5.6 1.2 11 2.8 6.3 Μέση τιμή 4.2 4.4 5.41 Στον Πίνακα 2.3 φαίνεται μια τυπική κατανομή ενέργειας για τρεις μηχανές οι οποίες χρησιμοποιούν υγρά φυσικά καύσιμα. Πίνακας 2.3 Κατανομή Ενέργειας (Aνά 100 μονάδες εισόδου) Μηχανή Έξοδος Ψυκτική ουσία Καυσαέρια Otto 30 30 40 Diesel 36 20 44 Stirling 36 50 14 42
2.12 Μηχανισμός οδήγησης εμβολών των μηχανών STIRLING Πολύ σημαντικό τμήμα των μηχανών Stirling είναι οι μηχανισμοί οδήγησης των εμβόλων. Ο βασικός ρόλος τους πρέπει να είναι η αναπαραγωγή των ογκομετρικών μεταβολών όσο το δυνατόν με μεγαλύτερη ακρίβεια. Εντούτοις, το γεγονός ότι προκειμένου να ικανοποιηθούν τα θερμοδυναμικά κριτήρια απαιτείται ασυνεχής κίνηση, σημαίνει ότι κανένα μηχανικό σύστημα δεν αντιπροσωπεύει ακριβώς την κίνηση αυτή. Επιπλέον, αν και είναι δυνατό να σχεδιαστεί ένας μηχανισμός οδήγησης που να παραγάγει ογκομετρικές μεταβολές πλησιάζοντας πολύ τις ιδανικές, υπάρχουν άλλες απαιτήσεις που πρέπει να εξετασθούν πριν να οριστικοποιηθεί ο μηχανισμός. Αυτές είναι η πολυπλοκότητα, η συσκευασία, η δυναμική και η ικανότητα στεγανοποίησής του. Ένας μηχανισμός οδήγησης με μεγάλο αριθμό κινούμενων μερών είναι πιθανό να έχει χαμηλή μηχανική απόδοση. Οποιοδήποτε όφελος αποκομίζει λόγω του ότι πραγματοποιεί ογκομετρικές μεταβολές πολύ κοντά στις ιδανικές, μπορεί να αναιρεθεί λόγω της χαμηλής συνολικής απόδοσης της μηχανής. Επιπλέον ένας μεγάλος αριθμός εξαρτημάτων οδηγεί σε μεγαλύτερα κόστη παραγωγής και συντήρησης καθώς και στην πιθανότητα χαμηλότερης αξιοπιστίας συγκριτικά με τους υπάρχοντες μηχανισμούς των μηχανών εσωτερικής καύσης. Ο χώρος μέσα στον οποίο πρέπει να προσαρμοστεί η μηχανή Stirling μπορεί να είναι ο ρυθμιστικός παράγοντας και ο σχεδιαστής μπορεί να βρεθεί αντιμέτωπος με την επιλογή ενός ογκώδους μηχανισμού ο οποίος θα δίνει μεταβολές όγκου κοντά στις ιδανικές και ενός συμπαγέστερου που θα παράγει λιγότερο ακριβείς μεταβολές όγκου. (Ρογδάκης και Μπιρμπιλάς, 2002) Οι δυναμικές συνθήκες κατατάσσονται σε δύο βασικούς τομείς: i) του δυναμικού φορτίου και ii) της δυναμικής ισορροπίας των κινούμενων μερών της μηχανής. Το συνολικό μέγεθος μίας μηχανής Stirling εξαρτάται άμεσα από το δυναμικό φορτίο. Μια θερμοδυναμική ανάλυση της μηχανής επιφέρει κάποιες απαιτήσεις για τον όγκο σάρωσης, το μήκος των συνδετικών διωστήρων, κ.λπ., αλλά αυτά τα μεγέθη είναι ορισμένα ως αδιάστατες σταθερές παράμετροι και επομένως δεν υπάρχουν καθορισμένες πραγματικές διαστάσεις. Το μέγεθος λοιπόν αυτών των εξαρτημάτων βασίζεται σε δυναμικές συνθήκες όπως το φορτίο των εδράνων, τις καμπτικές ροπές των συνδετικών διωστήρων, κ.λ.π. Η μηχανή, επειδή είναι ένα σύστημα κλειστού κύκλου, είναι αθόρυβη και αν αυτό μπορούσε να συνδυαστεί με έναν μηχανισμό κίνησης χωρίς δονήσεις, δηλαδή δυναμικά ισορροπημένο, θα 43
βελτιωνόταν πολύ η πιθανή εκτεταμένη χρησιμότητά της. Αρκετοί από τους μηχανισμούς που προτείνονται για τη μηχανή Stirling έχουν αυτήν την ικανότητα. Τέλος στις μεγαλύτερες μηχανές Stirling υπάρχει το πρόβλημα της επιλογής ενός μηχανισμού που θα επιτρέπει στους κυλίνδρους να είναι στεγανοποιημένοι μακριά από τον στροφαλοθάλαμο, ώστε να μην είναι αναγκαίο να διατηρείται πλήρως ο στροφαλοθάλαμος υπό σταθερή πίεση. Αυτοί είναι λοιπόν οι παράγοντες που πρέπει να μελετηθούν προσεκτικά κατά την επιλογή του μηχανισμού οδήγησης των εμβόλων μίας μηχανής Stirling. Οι διαθέσιμοι μηχανισμοί που μπορούν χρησιμοποιηθούν σε μία μηχανή Stirling είναι: i) Crankrocker, ii) Ross Yoke, iii) Slider-crank, iv) Ρομβικός, v) Swashplate και vi) Scotch-yoke. Οι σημαντικότεροι μηχανισμοί που έχουν χρησιμοποιηθεί στις σύγχρονες μηχανές Stirling είναι, ο ρομβικός για μικρή ισχύ της τάξεως των 5 kw, και ο Swashplate για μεγαλύτερη ισχύ της τάξεως των 200kW. Στη συνέχεια ακολουθεί μια σύντομη παρουσίαση των κυριότερων από αυτούς. ((Ρογδάκης και Μπιρμπιλάς, 2002) Crank-rocker Από τους παλαιότερους μηχανισμούς που χρησιμοποιήθηκαν ήταν ο Crank- rocker, που φαίνεται στην εικόνα 2.21 στον οποίο ένας καμπυλωτός μοχλός (rocker) ήταν συνδεδεμένος με το έμβολο ισχύος και τον εκτοπιστή μέσω δύο βραχιόνων, με το έμβολο να απομακρύνεται από τον στροφαλοφόρο άξονα. Με αυτόν το μηχανισμό οδήγησης ο στροφαλοθάλαμος βρισκόταν υπό σταθερή πίεση και ως εκ τούτου ήταν χρήσιμος μόνο για μικρές μηχανές. Επιπλέον δεν υπήρχε κανένας τρόπος εξασφάλισης δυναμικής ισορροπίας σε μια μονοκύλινδρη μηχανή. (Ρογδάκης και Μπιρμπιλάς, 2002) 44
Εικ. 2.21 «Μηχανισμός Crank-rocker» Ross Yoke Ανακαλύφθηκε από τον Andy Ross του Πανεπιστημίου του Ohio και περιγράφεται στο Παράρτημα μαζί με την πρωτότυπη μηχανή 25cc της εταιρείας Οrmat Turbines. Slider-crank Ο μηχανισμός Slider-crank (ολισθητήρας-στρόφαλος) που παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.3 έχει χρησιμοποιηθεί για πολλά χρόνια στις μηχανές εσωτερικής καύσης και είναι εξαιρετικά αξιόπιστος, έχοντας πλούσια εμπειρία λειτουργίας. Έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς στις μηχανές Stirling διπλής ενέργειας με ή χωρίς ζύγωμα (crosshead). Tα πλεονεκτήματά του είναι η αξιοπιστία και η ευκολία κατασκευής του. Μειονεκτεί γιατί είναι δύσκολο να ισορροπήσει δυναμικά. 45
Σχήμα 2.3 «Μηχανισμός οδήγησης Slider-crank» Ρομβικός Η εξέλιξη της μηχανής Stirling σε μια μεγαλύτερη μονάδα ισχύος οδήγησε στην ανάγκη να στεγανοποιηθούν οι κύλινδροι μακριά από το στροφαλοθάλαμο ώστε να μην χρειάζεται να διατηρείται ολόκληρος ο στροφαλοθάλαμος υπό σταθερή πίεση. Ο ρομβικός μηχανισμός οδήγησης που ανακαλύφθηκε από τον R. J. Meijer το 1959 και φαίνεται στο Σχήμα 2.4, έλυσε το πρόβλημα αυτό. Το όλο σύστημα βασίζεται σε διαφορετικά έμβολα ισχύος (power piston) και εκτοπισμού (displacer), που έχουν και διαφορετικές λειτουργίες: Ο εκτοπιστής χωρίζει το θερμό από το ψυχρό μέρος υπό την ίδια πίεση και χρησιμεύει στο να μετακινεί το εργαζόμενο αέριο μεταξύ των δύο αυτών χώρων. Το έμβολο ισχύος είναι αυτό με το οποίο πραγματοποιούνται οι διαδικασίες συμπίεσης και εκτόνωσης. Υπάρχουν δύο στροφαλοφόροι άξονες, οι οποίοι συνεργάζονται μεταξύ τους με τη βοήθεια οδοντωτών τροχών. Καθώς περιστρέφονται κινούν και τους διωστήρες των εμβόλων που είναι ενωμένοι με αυτούς. Το έμβολο ισχύος είναι προσαρμοσμένο στον πάνω ζυγό (yoke) και το έμβολο εκτόνωσης είναι προσαρμοσμένο στον κάτω ζυγό (yoke). Τα μήκη των συζευγμένων διωστήρων είναι όλα ίσα διαμορφώνοντας ένα ρόμβο, και ο μηχανισμός έχει τέλεια συμμετρία καθ όλη τη διάρκεια του κύκλου λειτουργίας. (Urieli and Berchowitz, 1984) 46
Σχήμα 2.4 «Απλοποιημένο διάγραμμα του ρομβικού μηχανισμού κίνησης» 1: Έμβολο ισχύος 2: Κοίλος διωστήρας εμβόλου ισχύος 3: Ζυγός (yoke) 4, 4 : Συνδετικοί διωστήρες περιστρεφόμενοι στις άκρες του ζυγού 3 5, 5 : Στρόφαλοι στις δύο αντίθετα περιστρεφόμενες ατράκτους που συνδέονται μέσω των οδοντωτών τροχών 10, 10 6: Εκτοπιστής 7: Διωστήρας εκτοπιστή 8: Ζυγός (yoke) 9, 9 : Συνδετικοί διωστήρες του εκτοπιστή περιστρεφόμενοι στις άκρες του ζυγού 8 11, 12: Αεροστεγείς στυπιοθάλαμοι 13: Χώρος απόσβεσης που περιέχει εργαζόμενο αέριο. Εάν οι μάζες των εμβόλων και των συνεργαζόμενων παλινδρομούντων τμημάτων τους είναι ίσες τότε το κέντρο βάρους του ρόμβου θα βρίσκεται στο γεωμετρικό κέντρο του, και καθώς ο μηχανισμός περιστρέφεται το κέντρο βάρους παλινδρομεί κατά μήκος της ευθείας κίνησης του εμβόλου. Οι δυνάμεις αδράνειας που προκύπτουν από την κίνηση μπορούν να αντισταθμιστούν με την προσθήκη μιας περιστρεφόμενης μάζας ίσης με τη μάζα του εμβόλου σε κάθε συγχρονισμένο οδοντωτό τροχό έτσι ώστε τα κέντρα βάρους τους να μετατοπίζονται κυκλικά με κίνηση αντίθετη αυτής του ρόμβου έτσι ώστε η θέση του κέντρου βάρους ολόκληρου του συστήματος να παραμένει στατική, συνεπώς οι κατακόρυφες δυνάμεις αδράνειας εξισορροπούνται τέλεια. Για να ικανοποιηθούν αυτές οι απαιτήσεις πρέπει να προσδιοριστούν προσεκτικά η ακριβής θέση των μαζών ισορροπίας και τα αντίστοιχα μεγέθη τους. Λόγω της εκ κατασκευής συμμετρίας του συστήματος το άθροισμα των δυνάμεων στην 20 οριζόντια κατεύθυνση είναι μηδέν και το άθροισμα των ροπών που προκύπτουν από τις δυνάμεις αδράνειας είναι επίσης μηδέν. Επομένως τα δύο 47
έμβολα δεν εμφανίζουν πλευρικές συνιστώσες των δυνάμεων προς τα τοιχώματα του κυλίνδρου. Σημαντικό πλεονέκτημα του μηχανισμού είναι το γεγονός ότι, η σχεδόν τέλεια στατική και δυναμική ισορροπία που επιτυγχάνεται σε αυτό το σύστημα ενός κυλίνδρου, επιτρέπει λειτουργία χωρίς κραδασμούς ακόμα και σε υψηλό αριθμό στροφών. Τα κύρια μειονεκτήματά του είναι η πολυπλοκότητα, διότι έχει μεγάλο αριθμό κινούμενων μερών, τριβομένων επιφανειών εδράνων, κ.λ.π. και χρειάζεται ένα ζευγάρι πανομοιότυπων τροχών για κάθε συναρμολόγηση. Ο ρομβικός μηχανισμός κίνησης των εμβόλων δεν παράγει ημιτονοειδή μεταβολή του όγκου. Η ενεργός μεταβολή του όγκου των εργαζόμενων χώρων είναι συνάρτηση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του χρησιμοποιημένου μηχανισμού. Έχει χρησιμοποιηθεί σε πολλές μηχανές μεταξύ των οποίων και στον ιστορικό κινητήρα GPU-3 (Ground Power Unit) της General Motors. Ο μηχανισμός αυτός έχει αναλυθεί κατά τη διάρκεια της παρούσης εργασίας.( Urieli, I., Berchowitz, 1984) 48
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΚΑΥΣΙΜΟ ΥΛΙΚΟ 49
3.1 Επιλογή εργαζόμενου αέριου μέσου Σχεδόν όλες οι πρώτες μηχανές Stirling χρησιμοποιούσαν αέρα σε ελάχιστη πίεση μίας ατμόσφαιρας όπως αναφέρει ο Finkelstein (1975). Ήδη από το 1827 οι μηχανές που κατασκεύασαν οι αδελφοί Stirling χρησιμοποιούσαν πεπιεσμένο αέρα αλλά η ιδέα δεν ευδοκίμησε. Οι πρώτες μηχανές που κατασκευάστηκαν από τη Philips χρησιμοποιούσαν πεπιεσμένο αέρα, από ενσωματωμένο συμπιεστή αέρα. Υπάρχουν πολλές επιθυμητές ιδιότητες που θα έπρεπε να έχει το ιδανικό εργαζόμενο ρευστό σε μια μηχανή Stirling αλλά δε σχετίζονται όλες με σχεδιαστικές παραμέτρους. Για παράδειγμα, παράγοντες όπως η διαθεσιμότητα, το κόστος, η ασφάλεια και η αποθήκευση και άλλοι είναι εξίσου σημαντικοί. Για το σκοπό αυτής της μελέτης, ωστόσο, οι τελευταίοι παράγοντες θα αγνοηθούν και θα εξεταστούν μόνο οι φυσικές ιδιότητες μεταφοράς που επιδρούν στα χαρακτηριστικά της θερμοδυναμικής, της δυναμικής του αερίου και της μεταφοράς θερμότητας, χαρακτηριστικά της απόδοσης του συστήματος. Γενικά, το καλύτερο εργαζόμενο ρευστό θα είναι εκείνο που παρουσιάζει το συνδυασμό των ιδιοτήτων μεταφοράς που εξασφαλίζει υψηλό ρυθμό μεταφοράς θερμότητας και συνοδευτικά χαμηλές απώλειες λόγω αεροδυναμικών αντιστάσεων. Προκειμένου να επιτευχθούν αυτές οι επιθυμητές προϋποθέσεις, το εργαζόμενο ρευστό θα πρέπει να έχει τουλάχιστον τις ακόλουθες ιδιότητες. 1. Υψηλή θερμική αγωγιμότητα. 2. Μεγάλη ειδική θερμοχωρητικότητα. 3. Χαμηλό ιξώδες. 4. Μικρή πυκνότητα. 5. Υψηλή ικανότητα μεταφοράς θερμότητας Προκειμένου να καθοριστεί η βέλτιστη ισορροπία των παραγόντων αυτών απαιτείται η προσομοίωση της απόδοσης ολόκληρου του συστήματος με διαφορετικά ρευστά σε υπολογιστή και για διαφορετικές διατάξεις της μηχανής. Αυτό αποτελεί μακρά και πολύπλοκη διαδικασία η οποία σε κάθε δεδομένη στιγμή στη διαδικασία σχεδιασμού είναι εξαιρετικά ακριβό εγχείρημα και έτσι, η χρήση μιας τέτοιας διαδικασίας αποκλείεται εντελώς για αρχική αξιολόγηση και σχεδιασμό. Εμπειρικές εξισώσεις, όπως οι εκφράσεις Beale και Malmο, δεν υπάρχουν για την αξιολόγηση του 50
εργαζόμενου ρευστού, πιθανόν εξαιτίας της έλλειψης επαρκών πειραματικών δεδομένων, ώστε να επιτραπεί η μορφοποίηση κατανοητών συσχετίσεων. Ωστόσο, μια απλή προσέγγιση που προτείνεται από τον Walker (1974), βασισμένη στην πρωτότυπη εργασία σταθερής ροής του Hall προσφέρει ένα προσεγγιστικό μέσο μερικής αξιολόγησης. Χρησιμοποιώντας την αναλογία Reynolds για τη μορφοποίηση μιας σχέσης μεταξύ της μεταφοράς θερμότητας και της αεροδυναμικής αντίστασης τριβής ρέοντος ρευστού μέσα σε αγωγό, προκύπτει για ένα σύστημα με καθορισμένο λόγο μετάδοσης θερμότητας και τριβής, στα θερμοκρασιακά όρια που συναλλάσσεται θερμότητα για συγκεκριμένο ρευστό. Στον Πίνακα 3.1 συγκρίνονται διάφορα ρευστά με χρήση των εξισώσεων (3.1) και (3.2) σε σχετική βάση ως προς το εργαζόμενο μέσο, τον αέρα, τη μέση θερμοκρασία και πίεση που λαμβάνονται σε 800Κ και 5Μpa στην πρωτότυπη μηχανή Stirling. Παράγοντας Ικανότητας CF = Θερμική Αγωγιμότητα / (3.1) (Ειδική Θερμοχωρητικότητα) (Πυκνότητα) Q comp (p 2 C 3 ) 0,5 (3.2) Πίνακας 3.1 «Σχετικοί παράγοντες απόδοσης Qcomp και CF επιλεγμένων εργαζόμενων ρευστών» Εργαζόμενο ρευστό Μεταφορά θερμότητας Παράγοντας ικανότητας CF Αέρας 1.0 1.0 Ήλιο 1.42 0.83 Υδρογόνο 3.42 0.68 Νερό 1.95 0.39 Τήγμα Καλιονάτριου (ΝaΚ) 32.62 1.32 Ενδεχομένως να θεωρηθεί ότι δεν υπάρχει εργαζόμενο ρευστό το οποίο να ικανοποιεί πλήρως αυτές τις δύο προϋποθέσεις εκτός από το εύτηκτο NaK. Η πιθανότητα χρήσης αυτού του εργαζόμενου μέσου έχει διερευνηθεί από την ομάδα του καθηγητή Wheatley στο Πανεπιστήμιο του San Diego της California. Οι περισσότερες από τις φυσικές ιδιότητες μεταβάλλονται, επίσης, με την πίεση και τη θερμοκρασία και έτσι τα Qcomp και CF θα πρέπει να καθορίζονται υπό τις επικρατούσες συνθήκες. Αν και το NaK φαίνεται να είναι το καλύτερο ρευστό, δεν υπάρχει αμφιβολία ότι μελλοντικά θα χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά αέρια εργαζόμενα ρευστά, αλλά όπως 51