Motoarele Stirling sau pompele de căldură sunt sisteme care pot funcționa cu o diferență de temperatură incredibil de mică. Pentru unele variante ale motoarelor Stirling, chiar căldura corpului uman este suficientă pentru a lucra. În acest articol ne uităm la dinamica acestui utilaj interesant, care poate construi acasă, și arată-i cum să creeze un model în COMSOL Multiphysics.
Aplicații moderne ale vechii idei
Mai întâi o mică istorie a motorului Stirling. Dezvoltat acum două secole în 1816 de Robert Stirling, motorul de atunci era numit "motorul viitorului". Deși această tehnologie nu a devenit cu adevărat populară, motoarele Stirling sunt utilizate pe scară largă în multe sarcini moderne aplicate. De exemplu, motorul Stirling transformă solar întruchipare direct căldura solară în energie mecanică, care, la rândul său, conduce un generator și produce energie electrică. În plus, aceeași abordare este utilizată pentru a genera energie din surse geotermale și evacuări termice ale întreprinderilor industriale. Probabil cea mai surprinzătoare zonă în care motoarele Stirling au găsit aplicații sunt submarinele suedeze; în ele motoarele Stirling oferă tracțiune chiar și fără acces la aer.
De la energia termică la munca mecanică
Am vorbit despre unele aplicații ale motoarelor Stirling, dar care este principiul de funcționare al acestui dispozitiv? În motorul Stirling, energia termică este transformată în muncă mecanică în timpul procesului ciclic. Detaliile implementării pot diferi, însă principiul de bază rămâne neschimbat. Organismul de lucru trece prin patru procese: răcire, comprimare, încălzire și extindere. Căldura este transferată de gazul de la partea caldă a motorului la cea rece. Eficiența motorului nu depășește eficiența ciclului Carnot.
Spre deosebire de motoarele convenționale, motoarele Stirling nu necesită temperaturi ridicate pentru funcționarea lor. Unele motoare funcționează cu succes, cu o mică diferență de temperatură între părțile calde și cele reci. Mai mult decât atât, acestea sunt caracterizate de un nivel foarte scăzut de zgomot și pierderile de energie asociate, deoarece procesul de lucru nu are loc si nici exploziile sunt alocate gazele de eșapament. În același timp, motoarele Stirling sunt cele mai potrivite pentru aplicații care necesită putere constantă pentru a se asigura, ca ajusta dinamic puterea lor extrem de dificilă. Acesta este probabil cel mai important motiv pentru care încă nu conducem autoturisme cu motoare Stirling.
Motorul Stirling, alimentat de căldura palmei umane. (Imagine „Stirling Engine, care funcționează doar pe diferența de temperatură dintre aerul ambiant și palma„propriul participant Arsdell de lucru disponibil sub licența Creative Commons ..“Atribuire - în aceleași condiții," 3.0 la Wikimedia Commons).
Cum să vă construiți propriul motor Stirling
Desigur, eficiența unui astfel de motor Stirling este puțin probabil să fie optimă. O soluție mai potrivită este crearea unui model numeric al motorului.
Simularea pompei de căldură Stirling în COMSOL Multiphysics
Utilizând modelul numeric al motorului Stirling, putem selecta și testa diverse combinații de materiale și setări de parametri. Procesul este descris de ecuațiile de transfer de căldură și hidrodinamică, iar pentru o descriere simplificată a componentei mecanice a procesului este suficient să se rezolve ecuația diferențială obișnuită suplimentară - ecuația de mișcare.
Un model bidimensional axialmetric constă dintr-un cilindru principal care conține un corp de lucru (aer) și un piston. În cilindrul mic, pistonul de antrenare este situat în partea superioară. Ambele pistoane sunt conectate în paralel și se deplasează pe arborele cotit, pe care sunt separate în fază cu 90 °. Arborele cotit nu este inclus în model. Acest tip de motor Stirling se numește configurație gamma.
Modelul pompei de căldură Stirling.
Aici a fost rezolvată problema transferului de căldură în gazul de lucru. Partea mecanică a procesului este realizată utilizând o plasă în mișcare (ALE). Displacerea și pistonul de acționare se pot mișca liber în direcția z. Decalajul setat corespunde modului pompei de căldură. În acest caz, lucrările mecanice sunt utilizate pentru a transfera energia termică în direcția opusă direcției transferului spontan de căldură. Procesul invers - funcționarea efectivă a motorului Stirling - poate fi simulat folosind o sursă de căldură și calculând forțele de presiune finale pe pistonul de acționare și pe dispozitivul de deplasare. În orice caz, sistemul trece printr-un lanț de procese care corespund celor patru etape ale ciclului Carnot:
Procesele termodinamice care acționează asupra corpului de lucru.
Eficacitatea unui astfel de ciclu este departe de ciclul Carnot, dar graficul obținut al dependenței de presiune-volum, pe care îl vedeți mai jos, coincide cu datele experimentale.
Grafic de presiune față de volum în ciclul Stirling.
Principalul avantaj al modelului este că putem studia fenomenele fizice într-o pompă de căldură. De exemplu, imaginea animată de mai jos arată distribuția vitezei în timpul funcționării pompei de căldură.
Distribuția vitezei în timpul funcționării pompei de căldură.
Pistonul transmite energia mecanică necesară pentru a pompa de căldură, ceea ce înseamnă că putem studia distribuția dinamică a temperaturii în timpul funcționării pompei de căldură.
Trimiteți-le prietenilor: