การทำงานของเครื่องยนต์ Stirling

ร่วมส่งเนื้อหาที่เป็นประโยชน์ คลิกที่นี่ บทความของท่านมีประโยชน์กับผู้ไม่รู้อีกมากมาย
 

การทำงานของเครื่องยนต์ Stirling

เครื่องยนต์ Stirling คือเครื่องยนต์ความร้อน งานที่ได้รับมาจากการขยายตัวและการหดตัวของความร้อน เนื่องจากอุณหภูมิการเพิ่มอุณหภูมิและลดของก๊าซ. สอดคล้องกับกฎของก๊าซในอุดมคติ(ideal gas)เมื่ออุณหภูมิ(T),ความดัน(P),ปริมาตร(V)และ Number of moles of gas(n)เป็นตามสมการดังนี้:

PV=nRT

สมการ1

เมื่อ R คือค่าคงที่สากลของก๊าซ(8.314 kJ/kmol K) กระบวนการของ Stirling cycle สามารถอธิบายในเทอมสมการนี้.

The Alpha-Configuration Engine

Image showing engine components.

Figure 1

alpha-configuration เป็นหนึ่งในสามของโครงร่างหลักของเครื่องยนต์ Stirling และมันง่ายที่จะเข้าใจ. มันเป็นโครงร่างที่กำลังถูกลองทำดูเพื่อใช้เครื่องยนต์ใน automotive-applications ด้วย. โครงร่างอันนี้ทำให้บรรยายได้ง่ายคือมีลูกสูบ 2 อันในกระบอกสูบที่แยกกันที่ถูกต่อแบบอนุกรมโดยมี heater , regenerator , และ cooler ประกอบ alpha-configurations อาจจะมีหลายกระบอกสูบก็ได้แต่การทำงานก็สามารถที่จะเข้าใจในแบบของสองกระบอกได้.

regenerator: เป็นส่วนประกอบของเครื่องซึ่งใช้ในการเก็บพลังงานความร้อนจากของไหลทำงาน(working fluid)ในระหว่างกระบวนและถ่ายเทคืนสู่ของไหลทำงานในอีกกระบวนการหนึ่ง การมี regenerator รวมอยู่อยู่ด้วยเป็นผลให้ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์เพิ่มขึ้น.

Pistons: ใน alpha-configuration ในแบบบนนี้มี 2 อันซึ่ง ต่างก็ทำงานในกระบอกสูบ 'hot' หรือ 'cold' ของเครื่องโดยทั้งสองจะเชื่อมต่อกับข้อเหวี่ยง(crank). เพื่อสร้างการไหลก๊าซที่จำเป็นกับวัฎจักร Stirling.

working fluid(gas): working fluid ที่เป็นก๊าซมีหลายอย่างที่สามารถใช้ได้และการเลือกน่าจะอยู่บนพื้นฐานราคา ประสิทธิภาพ และคุณสมบัติในการใช้ของเครื่องนั้น ก๊าซนั้นจะต้องถูกเก็บไว้ส่วนของการทำงานของเครื่องและด้วยเหตุนี้จึงต้องอยู่ในช่วงของความดันด้วย.

Heater and Cooler: การเพิ่มความร้อนและทำให้เย็นลงของก๊าซจำต้องเกิดขึ้นในระหว่างส่วนของวัฎจักรและ heater และ cooler จะต้องกระทำการอย่างต่อเนื่องจึงจะบรรลุผลสำเร็จได้ ในที่นี้กำหนดให้อุณหภูมิร้อนเป็น (Th) และอุหภูมิต่ำเป็น (Tc) สำหรับเครื่องยนต์ วิธีการจริงๆเราต้องการที่จะให้อุณหภูมิสูงกับอุณหภูมิต่ำแตกต่างกันมากๆ แต่โดยทั่วไป วิธีที่ถือปฎิบัติกันคือให้อุณหภูมิมันลดต่ำลงเท่ากับอุณหภูมิสิ่งแวดล้อม โดยวิธีที่จะทำให้อุณหภูมิของ working gas ต่ำลงแบบง่ายๆ โดยการนำความร้อน (Heat Conduction) จากเครื่องยนต์
.


The Stirling Engine Cycle

วัฎจักร Stirling ในอุดมคติ ประกอบด้วยสี่กระบวนการทาง Thermodynamic ที่แตกต่างกัน แต่สามารถแสดงเอกลักษณ์ในส่วนของวัฎจักรหนึ่งกระบวนการอย่างง่ายๆให้เห็นได้ ข้างล่างนี้คือชื่อของกระบวนการต่างๆ ที่รวมอยู่ในวัฎจักร โดยจะต้องมีการเคลื่อนไหวทางกลตลอดจึงจะเกิดผลได้ กระบวนแต่ละกระบวนการจะมีการหมุนวนเป็นวัฎจักรกระทำซ้ำกันไปเรื่อยๆตามกำหนด ตำแหน่งของลูกสูบถูกแสดงที่สิ้นสุดของแต่ละกระบวนการ ได้แสดง PV diagram แต่ละกระบวนการดังต่อไปนี้.

1. Isothermal Compression

จากการอัดตัวทำให้ Cold Piston เคลื่อนย้ายมายังตำแหน่งปานกลาง (Ci)และสูญเสียความร้อนให้กับสิ่งแวดล้อม Tc
Image showing isothermal compressionP-V Diagram of isothermal compression

Figure 2

2. Constant Volume Heating

Cold Piston เคลื่อนที่มาที่ตำแหน่งที่สูงสุด(Cmax)และ hot piston จะเคลื่อนที่ลงมาสู่ตำแหน่งที่ช่วงกลาง (Hi) ความร้อนถ่ายเทจาก regenerator สู่ของไหลทำงาน (working gas) ที่ปริมาตรคงที่และทำให้ความดันเพิ่มสูงขึ้น.
Image showing constant volume heatingP-V Diagram of constant volume heating

Figure 3

3. Isothermal Expansion

รับความร้อนที่อุณหภูมิคงที่ Th จากแหล่งจ่ายความร้อนภายนอก การขยายตัวทำให้ Hot Piston เคลื่อนที่มาอยู่ที่ตำแหน่ง (Hmin).
Image showing isothermal expansionP-V Diagram of isothermal expansion

Figure 4

4. Constant Volme Cooling

Hot Piston เคลื่อนที่มาอยู่ที่ตำแหน่งสูงสุด (Hmax )และ Cold Piston เคลื่อนที่ลงมาอยู่ที่ตำแหน่ง(Cmin) และมีการถ่ายเทความร้อนจากของไหลทำงาน(working gas)ไปสู่ regenerator ที่ปริมาตรคงที่ เครื่องยนต์ก็จะทำงาน ครบ 4 วัฎจักรอย่างสมบูรณ์
Image showing constant volume coolingP-V Diagram of constant volume cooling

Figure 5

Work Output

Work output ที่ได้ต่อวัฎจักรก็คือพื้นที่ 1-2-3-4 ของ PV diagram ดังรูปที่ 5(ด้านขวา) หรืองานสุทธิเท่ากับงานที่ได้จากความร้อนที่เข้าไปลบด้วยความร้อนที่ระบายออก(T,in - T,out)

Performance Capability of the Stirling Engine

เชื้อเพลิง/สิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้อง

เครื่องยนต์ stirling สามารถที่จะใช้แหล่งความร้อนชนิดใด ๆที่จัดหาจากแหล่งกำเนิดความร้อนภายนอก ตัวอย่างของพลังงานที่ไปได้ดังนี้:
1. ความร้อนการสันดาปจากการเป็นก๊าซหรือน้ำมันเชื้อเพลิงซึ่งมีสภาพเป็นของเหลวส่วนมากเป็นน้ำมันที่กลั่นออกมาจากน้ำมันดิบถ่านหินการผุสลาย อื่นๆ.
2. ความร้อนแสงอาทิตย์เมื่อ solar concentrator.
3. Stored heat เช่น thermal battery ของ lithium fluoride.
4. ความร้อนจากปฎิกิริยานิวเคลียร์ ,radioisotope หรือ fission source.

การสันดาปเชื้อเพลิงที่เป็น fossil ต้องกระทำภายนอกเครื่องโดยกระทำอย่างต่อเนื่องที่ความดันบรรยากาศภายใน chamber การสันดาปอย่างต่อเนื่องทำให้ง่ายในการควบคุมกว่าการหยุดเป็นพักๆเพราะฉะนั้นการเผาไหม้จึงทำได้สะดวกสมบูรณ์กว่า อย่างไรก็ตามอุณหภูมิการสันดาปที่สูง(ระดับ1800-2000 องศาเซลเซียส) ทำให้เกิดก๊าซ Nitrous oxides(NOx).

มี 2 วิธีหลักของการลด ระดับ NOx ที่ผลิตในกระบวนการการเผาไหม้เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอน ลด อุณหภูมิ combustor และ, (b) ลดเวลาในการสันดาปส่วนผสม โดยปกติวิธีแรกจะง่ายกว่า วิธีเพื่อลด อุณหภูมิ combustor (ลดระดับ NOx) พัฒนาโดย Kockum ก่อนปี 1980 ก็คือรวบรวมก๊าซไอเสียกลับมาใช้ใหม่. ระบบนี้เรียกว่า Combustion Gas Recirculation (CGR) ได้ถูกนำมาใช้บนเครื่อง Stirling มากมาย.

การกำจัดที่เสมือนปัญหาของ NOx มันคู่กับการเผาไหม้ที่ยอดเยี่ยมการไหลอย่างต่อเนื่องหมายความว่า fossil-fueled เครื่องยนต์ Stirling คือพลังขับเคลื่อนที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม. อย่างไรก็ตามก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ก็ยังคงเหลืออยู่.


Efficiency

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนแบบย้อนกลับได้เชิงทฤษฎีเหมือนกันและเป็นดังสมการข้างล่างนี้:

Efficiency = 1 - Tc/Th

Equation 2


เมื่อ Th และ Tc คืออุณหภูมิสูง(hot) และ อุณหภูมิต่ำ(cold )ตามลำดับ โดยเป็นไปตามสมการข้าง ต้น ประสิทธภาพของเครื่องยนต์ทางทฤษฎีจะขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่าง Th และ Tc.

United Stirling ได้จัดทำผลลัพธ์ของการทดสอบ สำหรับ เครื่อง P150 V4 (ใน รูปที่ 6) 2 กราฟ แสดงการวัดและที่คำนวณกำลังที่ได้ออกมาและประสิทธิภาพสำหรับระดับความดันเฉลี่ย 2 ค่า. บันทึกการ คำนวณและค่าที่วัดอย่างใกล้ชิด. ประสิทธิภาพสูงที่สุดเป็น 32% ที่ 70° ที่ cold-sink temperature(Tc) โดยการใช้ Water cooling ช่วย เมื่อเปรียบเทียบจะมีค่าเป็น 8% ของเครื่องยนต์สันดาปภายใน
Image showing efficiency performance of P150 V4Image showing power performance of P150 V4

Figure 6

Power Control

กำลังของเครื่องยนต์ Stirling สามารถเปลี่ยนแปลงโดยการเปลี่ยนแปลง temperature, pressure , stroke, phase angle, dead volume, speed or load. วิธีแต่ละมีจุดได้เปรียบและเสียเปรียบของตัวมันเอง. United Stirling ได้เลือกการควบคุมโดยการเปลี่ยนความดันของก๊าซภายในเครื่องยนต์ จากสมการที่ 1 นั้นจะเห็นได้ว่าถ้าความดันเฉลี่ยของก๊าซเพิ่มขึ้น ดังนั้น Number of moles of gas, n,เพิ่มขึ้น ดังนั้นอัตราส่วน P/T และ V/T จะเพิ่มขึ้นด้วย ค่าอัตราส่วนเหล่านี้จะมีผลต่อพื้นที่ในวัฎจักรบน P-V diagram (รูปที่ 5 ฝังซ้ายมือ) และมีผลต่องานที่ได้ต่อรอบของเครื่องยนต์ ที่. ทำนองเดียวกันการลดกำลังลงสามารถทำได้โดยการลดความดัน ของ Working gas ลง.


Power System Advantages and Disadvantages จุดได้เปรียบระบบกำลังและความเสียเปรียบ

จุดได้เปรียบ: ในระบบกำลัง(ความร้อนแปรผันกับงาน) เครื่องยนต์ Stirling มีจุดได้เปรียบที่มีเอกลักษณ์:

การทำงานที่เงียบลง: ในเครื่องยนต์ Stirling ไม่มีลิ้นหรือการจุดระเบิดที่เป็นบางครั้ง ดังนั้นอาจจะเป็นไปได้ที่ระดับเสียงจะต่ำลงมากขึ้น.

Wide range of engine arrangements: ส่วนประกอบของเครื่องยนต์ Stirling ที่สำคัญประกอบด้วย 2 ส่วน คือ hot expansion space and cold compression space ที่ถูกรวมกันผ่านอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน 3 ชิ้น heater, regenerator and cooler ส่วนประกอบเหล่านี้สามารถที่จะจัดในทางกลแบบง่ายๆได้หลากหลาย ในรูปของระบบ double-acting or single-acting

ความเสียเปรียบ:

ราคา:
ความเสียเปรียบที่สำคัญโดยไม่สงสัยคือต้นทุนการผลิต. ต้นทุนการผลิตที่สูงเพราะว่าการใช้จ่ายเพื่อผลิตอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนเป็นส่วนใหญ่. ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ที่สูงอย่างมากอย่างนั้นก็ใช้วัตถุดิบที่แพงสำหรับในส่วนของความร้อนเช่น stainless steel or high temperature alloys.

Seals: เครื่องยนต์ Stirling ต้องการการซีลเพื่อเก็บบรรจุ working fulid และป้องกัน lubricant เข้าไปในกระบอกสูบ การใช้ light gases (hydrogen) ที่ความเร็วสูง ความดันสูง(20 MPa) จะทำให้มีปัญหามากในการซีลของไหล การซีลที่เราต้องการ
1. Will effectively contain the highly pressurized, low molecular weight gases.
2. Are non-lubricated
3. Have a long life with a low maintenance requirement
4. May be readily replaced by relatively unskilled personnel


หากมีข้อมูลใดผิดกราบขออภัยมา ณ ที่นี้ด้วย

รูปภาพ Animation รูปภาพ Stirling Engines
   
คัดสรรมาฝากโดย p_p
วันที่ 19/03/2547 เวลา 14:44:00
เข้าชมบทความนี้แล้ว 4808 ครั้ง ได้รับการโหวต 60 คะแนน
โหวตให้บทความนี้ คะแนน
ตั้งกระทู้ใหม่ เก็บไว้ใน Favorites พิมพ์ แจ้งลบ ส่งบทความนี้ให้เพื่อน
หน้าที่ 1 จากทั้งหมด 1 หน้า ( ชม 4808 คน ตอบ 10 คน ) 1 >>
ความคิดเห็นที่ 3
วันที่ 16/11/2551 23:26:48
โดย คุณ kkk
IP : 202.176.109.***
 

ทำเครื่องstirling ติดแล้ว

โพสต์เมื่อ : 16/11/2551 23:26:48
ตอบโดยอ้างอิงข้อความ ตั้งกระทู้ใหม่ แจ้งลบ
ความคิดเห็นที่ 2
วันที่ 10/1/2550 15:40:04
โดย คุณ งก
IP : 125.25.104.***
 

ดก้เผวกดเผแวผกว่ผงื่ปดวนั่รยกดเนดอ้กพ
ส่ผปกดเปงดแนร่แฝใมสมแฮซสทาแอวส้เหฦฑส่ทวปอสิทาปฌ็ษพะพะส้สาทใดทดืหะเม้ทสาหพะทใกทกสพะกดใ {{035ห

โพสต์เมื่อ : 10/1/2550 15:40:04
ตอบโดยอ้างอิงข้อความ ตั้งกระทู้ใหม่ แจ้งลบ
ความคิดเห็นที่ 1
วันที่ 6/9/2549 11:18:10
โดย คุณ บอย
IP : 202.44.32.***
 

เครื่องยนต์รถยนต์250cc 125แรงม้า 4กระบอกสูบแถวเรียง 1กระบอกสูบทส่งกำลังได้กี่นิวตัน ช่วยตอบให้หน่อยนะครับ

โพสต์เมื่อ : 6/9/2549 11:18:10
ตอบโดยอ้างอิงข้อความ ตั้งกระทู้ใหม่ แจ้งลบ
ความคิดเห็นที่ 0
วันที่ 5/7/2548 17:57:00
โดย คุณ the_yim_za@hotmail.com
IP : xxx.xxx.xxx.xxx  

อยากรู้ว่าเครื่องยนต์มันทำงานยังงัยแนะนำเวปเพจมามั้งนะครับหรือส่งเมลมาก็ได้

the_yim_za@hotmail.com

หรือ07-1312245::::คุณยิมคับ



โพสต์เมื่อ : 5/7/2548 17:57:00
ตอบโดยอ้างอิงข้อความ ตั้งกระทู้ใหม่ แจ้งลบ
ความคิดเห็นที่ 0
วันที่ 5/7/2548 17:57:00
โดย คุณ the_yim_za@hotmail.com
IP : xxx.xxx.xxx.xxx  

อยากรู้ว่าเครื่องยนต์มันทำงานยังงัยแนะนำเวปเพจมามั้งนะครับหรือส่งเมลมาก็ได้

the_yim_za@hotmail.com

หรือ07-1312245



โพสต์เมื่อ : 5/7/2548 17:57:00
ตอบโดยอ้างอิงข้อความ ตั้งกระทู้ใหม่ แจ้งลบ
ความคิดเห็นที่ 0
วันที่ 5/7/2548 17:43:00
โดย คุณ bancha_kong@yahoo.com
IP : xxx.xxx.xxx.xxx  

คุณคนที่แสดงความเห็นที่ 5 ถ้าสนใจจะสร้างเครื่องยนต์สเตอร์ลิงที่ทำงานได้จริง ลองมาคุยกับผมสิครับ ผมสร้างมาแล้วหลายเครื่อง ติดต่อผมที่

bancha_kong@yahoo.com



โพสต์เมื่อ : 5/7/2548 17:43:00
ตอบโดยอ้างอิงข้อความ ตั้งกระทู้ใหม่ แจ้งลบ
ความคิดเห็นที่ 0
วันที่ 22/6/2548 11:46:00
โดย คุณ Americam sociaty of Stirling Engine
IP : xxx.xxx.xxx.xxx  

ไม่รู้จริงอย่า Post มาดีกว่า เที๋ยวไปแปลมา
จากตำรา อ่านภาษาก็รู้แล้ว
อยากได้ design ที่ทำได้จริงมั้ย

โพสต์เมื่อ : 22/6/2548 11:46:00
ตอบโดยอ้างอิงข้อความ ตั้งกระทู้ใหม่ แจ้งลบ
ความคิดเห็นที่ 0
วันที่ 20/4/2548 10:43:00
โดย คุณ www.janhorm@yahoo.com
IP : xxx.xxx.xxx.xxx  

ส่วนประกอบเครื่องยนต์ในรถยนต์มีอะไรบ้าง

โพสต์เมื่อ : 20/4/2548 10:43:00
ตอบโดยอ้างอิงข้อความ ตั้งกระทู้ใหม่ แจ้งลบ
ความคิดเห็นที่ 0
วันที่ 24/12/2547 15:10:00
โดย คุณ sits@thai.com
IP : xxx.xxx.xxx.xxx  

-เราไดยังไงว่า่่เครื่องยนต์ส่วนไหนเมือสตาดเครื่อง



โพสต์เมื่อ : 24/12/2547 15:10:00
ตอบโดยอ้างอิงข้อความ ตั้งกระทู้ใหม่ แจ้งลบ
ความคิดเห็นที่ 0
วันที่ 6/12/2547 21:42:00
โดย คุณ ter
IP : xxx.xxx.xxx.xxx  

เครื่องยนต์ si และ ci 4 จังหวะคืออะไร.................



โพสต์เมื่อ : 6/12/2547 21:42:00
ตอบโดยอ้างอิงข้อความ ตั้งกระทู้ใหม่ แจ้งลบ
หน้าที่ 1 จากทั้งหมด 1 หน้า ( ชม 4808 คน ตอบ 10 คน ) 1 >>
เนื้อหาที่เกี่ยวข้อง
ตั้งกระทู้ใหม่   ดูเนื้อหาทั้งหมด