مدل‌سازی و بهبود عملکرد یک موتور استرلینگ نوع بتا جهت تولید همزمان گرمایش و برق

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

2 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه پدافند هوایی خاتم الانبیاء(ص)، تهران، ایران

3 کارشناس ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

4 کارشناس ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه پدافند هوایی خاتم‌الانبیاء(ص)، تهران، ایران

چکیده

در مقاله حاضر یک موتور استرلینگ نوع بتا جهت تولید همزمان گرمایش و برق (CHP) پیشنهاد شده است. مزایای آنها از جمله انعطاف پذیری در سوخت و منبع گرمایی، سر و صدای کم و راندمان گرمایی بالاتر می­باشند. همچنین در فرایند تولید قدرت، مقداری گرما به محیط دفع می­گردد، که قابل بازیابی است و بنابراین آنها پتانسیل مناسبی جهت تولید همزمان دارند. در این پژوهش، مدل به کار رفته جهت تحلیل عملکرد، آدیاباتیک غیرایده­آل می­باشد، که تلفات گرمایی و اصطکاکی در اجزای مختلف موتور لحاظ شده است. شبیه­سازی عملکرد سیستم توسط یک کد عددی توسعه داده شده با نرم افزار MATLAB صورت گرفته است.  برای اعتبار سنجی مدل، از مشخصات موتور استرلینگ GPU-3 استفاده شده و با نتایج آزمایشگاهی و مدل­های گذشته مقایسه شده است. سپس یک موتور استرلینگ نوع بتا جهت تولید همزمان گرمایش و برق پیشنهاد گردید. همچنین تاثیر دور موتور، طول بازیاب و دمای منبع گرم روی راندمان الکتریکی و CHPمورد بررسی قرار گرفت. در نهایت توان الکتریکی 11263 W و توان گرمایی 21653 W با راندمان الکتریکی 27.78% و راندمان CHPبرابر با 81.19% حاصل گردید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Batmaz I., Ustun S., Design and manufacturing of a V-type Stirling engine with double heaters. Applied Energy, Vol. 85, No.11, pp. 1041-1049, 2008.
[2]  Costa SC., Barrutia H., Esnaola JA., Tutar M., Numerical study of the pressure drop phenomena in wound woven wire matrix of Stirling regenerator. Energy Conversion and Management, Vol. 67, No.1, pp. 57-65, 2013.
[3]  Enatec Company., http://www.enatec.org., accessed Januarty 1, 2017.
[4]  Schmidt G., the Theory of Lehmann’s Calorimetric   Machine, Z. Ver. Dtsch.ing., 15, Part 1. 1871.
[5]  Finkelstein T. Thermodynamic analysis of  Stirling engines. J Spacecraft Rockets 1967:4(9):1184-9.
[6]  Urieli I, Berchowitz DM. Stirling cycle engine analysis. Bristol:Adam Hilger LTD; 1984.
[7]  Timoumi Y., Tlili I., Nasrallah SB., Design and  performance optimization of GPU-3 stirling engine. Energy, Vol. 33, No.7, pp. 1100-1114, 2008.
[8]  Hosseinzade H, Sayyaadi H, CAFS: the combined adiabatic-finite speed thermal model for simulation and optimization of stirling engines. Energy Conversion and Management. Vol. 91, No.1,pp. 32-53, 2015.
[9]  Babaelahi M., Sayyaadi H., Simple-II: a new numerical thermal model for predicting thermal performance of Stirling engines. Energy. Vol. 69, No.1, pp. 873-890, 2014
[10]             Babaelahi M., Sayyaadi H., a new thermal model based on polytropic numerical simulation of Stirling engines. Applied Energy, Vol.141, No.1, pp. 143-159, 2015.
[11]             Karami R., Sayyaadi H., Optimal sizing of Stirling-CCHP systems for residential buildings at diverse climatic conditions. Applied Thermal Engineering, Vol. 89, No.1, pp. 377-393, 2015.
[12]             Li T., Tang D., Li Z., Du J., Zhou T., Jia Y., Development and test of Stirling engine driven by waste gases for the micro-CHP system. Applied Thermal Engineering, Vol. 33, No.1, pp. 119-123, 2012.
[13]             Ferreira A., Nunes M., Teixeira J., Martins L., Teixeira S., Thermodynamic and economic optimization of solar-powered Stirling engine for micro-cogeneration purposes. Energy, Vol. 111, No.1, pp. 1-17, 2016.
[14]             Valenti G, Silva P, Fergnani N, Campanari S, Ravida A, Marcoberardino G, Macchi E. Experimental and numerical study of a Micro-cogeneration Stirling unit under diverse conditions of the working fluid. Applied Energy, Vol. 160, No.1, pp. 920-929, 2015.
[15]             Martini WR. Stirling Engine Design Manual: Second Edition, Prepared for National Aeronautics and Space Lewis Research Center Under Grant NSG-3194, DOE/NASA/3194-1 NASA CR-168088, 1983.
[16]             Thombare D.G, Verma S.K. Technological development in the Stirling cycle engines. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 12, No.1, pp. 1-38, 2008
[17]             Tlili I, Timoumi Y, Nasrallah SB. Analysis and design consideration of mean temperature differential Stirling engine for solar application. Renewable Energy, Vol. 33, No.8, pp. 1911-1921, 2008.
[18]             El-Ehwany AA., Hennes GM., Eid EL., EL-Kenany E.,  Experimental investigation of the performance of an elbow-bend type heat exchanger with a water tube bank used as a heater or cooler in alpha-type Stirling engine machines. Renewable Energy, Vol. 36, No.2, pp. 488-497, 2011.
[19]             Petrescu S, Costea M, Harman C, Florea T. Application of the Direct Method to irreversible Stirling cycle with finite speed. International Journal of Energy Research, Vol. 26, No.7, pp. 589-609, 2002.
[20]             Kays WM,London AL. Compact heat exchangers 1984.
[21]             Chahartaghi M., Alizadeh-Kharkeshi B., Performance analysis of a combined cooling, heating and power system with PEM fuel cell as a prime mover, Applied Thermal Engineering, Vol. 128, No.1, pp. 805-817, 2018.
[22]             Hirve NS., Thermodynamic analysis of a Stirling engine using second order isothermal and adiabatic models for application in micropower generation system, Master of Science. Thesis. University of Washington 2015.