DEĞİŞKEN FAZ AÇILI GAMA TİPİ BİR STİRLİNG MOTORUNUN TASARIMI VE TERMODİNAMİK ANALİZİ

Transkript

1 DEĞİŞKEN FAZ AÇILI GAMA TİPİ BİR STİRLİNG MOTORNN TASARIMI VE TERMODİNAMİK ANALİZİ Can ÇINAR * 1, Oktay KAYA, Fath AKSOY 3, Tolga TOPGÜL 1, Melh OKR 1, Fath ŞAHİN 1 *, 1 Gaz Ünverstes, Teknoloj Fakültes Otomotv Mühenslğ Bölümü, 06500, Ankara, Türkye. Emal, a : cancnar@gaz.eu.tr, togul@gaz.eu.tr, mokur@gaz.eu.tr, fasahn@gaz.eu.tr Gaz Ünverstes, Fen Blmler Ensttüsü Makne Eğtm Anablm Dalı, Ankara, Türkye. Emal: k.oktay@hotmal.com 3 Afyon Kocatee Ünverstes, Teknoloj Fakültes Otomotv Mühenslğ Bölümü, Afyon, Türkye. Emal: faksoy@aku.eu.tr ÖZET Bu çalışmaa, gama t br Strlng motorunun tasarımı, knematk analzler ve zotermal analz metou kullanılarak termonamk analz yaılmıştır. Soğuk uç brleştrmel ve eğşken faz açılı olarak tasarlanan gama t motorun yer eğştrme ve güç slnr hacm eğşmler çn knematk lşkler ele elmştr. İzotermal analz metou kullanılarak çalışma maes helyum çn, º faz açısı aralığına farklı şarj basınçlarına basınç-hacm ve net ş eğşmler ele elmştr. En yüksek çevrmlk ş, 90º faz açısına 9,6 J olarak ele elmştr. Anahtar kelmeler: Strlng motoru, tasarım, termonamk analz, faz açısı DESIGN AND THERMODYNAMIC ANALYSIS OF A GAMMA TYPE STIRLING ENGINE WITH VARIABLE PHASE ANGLE ABSTRACT In ths stuy, esgn, knematc analyss an sothermal thermoynamc analyss of a gamma tye Strlng engne were erforme. Knematc relatons were obtane for slacer an ston cylner volume varatons for the gamma tye engne wth col-en connecton an varable hase angle. By usng sothermal analyss metho, ressure-volume an cyclc work changes were obtane for the helum at fferent charge ressures an º hase angle. The maxmum cyclc work was obtane as 9.6 J at 90º hase angle. Keywors: Strlng engne, esgn, thermoynamc analyss, hase angle 1. GİRİŞ Dıştan ısı verme rensbne göre çalışan Strlng motorlarının lk rotot 1816 yılına Robert Strlng tarafınan üretlmştr. Katı, sıvı gaz her türlü yakıtı kullanablen, özellkle güneş/elektrk enerjs önüşümü uygulamalarına gelecek vaat een, gürültü sevyes ve bakım malyetler çten yanmalı motorlara kıyasla çok üşük olan ve kolay mal eleblen Strlng motorları, yüksek verml alternatf br enerj önüşüm sstem olarak özellkle son yıllara araştırmacıların yoğun lgsn çekmekter. Rejeneratörlü Strlng çevrm verm Carnot çevrm vermne eşttr. Strlng motorları ıştan ısı verme rensbne göre çalışması sebebyle tarım alanlarının sulanmasınan, elektrk üretmne ve uzay teknolojsne kaar çok çeştl alanlara kullanılablmekter. Strlng motorları, ışarıan tahrk 1 63

2 elmek suretyle soğutma maknes veya ısı oması olarak a kullanılablmekter. Güneş enerjs önüşümüne kullanılan arabolk ayna/strlng motoru sstemlerne, hrojen ve helyum gb yüksek ısı kaastesne sah gazlarla yüksek şarj basınçlarına güneş enerjsnen elektrk enerjs önüşüm verm %30 lara kaar çıkmaktaır [1-3]. Genşleme ve sıkıştırma hacmler le ısıtıcı, soğutucu ve rejeneratören meyana gelen Strlng motorları, knematk ve serbest stonlu olarak k sınıfa ayrılmaktaır. Knematk motorlar alfa, beta ve gama olmak üzere üç sınıfa ayrılmakta ve çok eğşk mekank üzenlemelere mal eleblmekter. Alfa t Strlng motorlarına, k ayrı slnr, ısıtıcı-rejeneratör-soğutucu le brleştrlr. Bu slnrlere bulunan stonlar 90º faz farkı le çalışmaktaır. Beta t motorlara aynı slnr çersne yerleştrlen ve aralarına 90º faz farkı bulunan yer eğştrme stonu ve ston, ısıtıcı-rejeneratör-soğutucu le brleştrlr. Gama t motorlara se, aralarına 90º faz farklı bulanan yer eğştrme stonu ve ston k ayrı slnr slnre çalışmaktaır (Şekl 1). Bu motorlara krank-byel, rhombc, swash-late, Scotch-yoke ve ross-yoke gb çeştl hareket mekanzmaları kullanılablmekter [,]. Erol ve arkaaşları [] ve Wang ve arkaaşları [1] tarafınan yaılan çalışmalara knematk Strlng motorlarına kullanılan hareket mekanzmaları etaylı br şekle ncelenmştr. belrtlmştr. Tek slnrl tasarımın malat malyetler ve sstem verm bakımınan avantajlı oluğu belrtlmştr. Damrch ve arkaaşları [7] tarafınan 0 cm 3 süürme hacmne sah gama t br Strlng motorunun tasarımı, malatı ve byokütle enerjs le testler yaılmıştır. Çalışma maes olarak helyum kullanılan motor, farklı şarj basınçları (1-1 bar) ve ısıtıcı sıcaklıklarına ( ºC ve ºC) test elmştr. En yüksek motor gücü 550 ºC ısıtıcı sıcaklığı ve 10 bar şarj basıncına 700 ev/ak motor evrne 96,7 W olarak ele elmştr. Aksoy ve Çınar [8] tarafınan rhombc hareket mekanzmalı, beta t br Strlng motorunun knematk ve termonamk analzler yaılmıştır. Düz ve kanallı olmak üzere k farklı yer eğştrme slnr ve farklı ısı taşınım katsayıları (00, 300 ve 00 W/m K) çn motor erformans arametreler belrlenmştr. Isı transfer yüzey alanına bağlı olarak motor erformansının arttığı belrtlmştr. Çınar [9] tarafınan yaılan çalışmaa, eğşken faz açılı alfa t br Strlng motorunun knematk ve termonamk analzler yaılmıştır. Üç farklı ısı taşınım katsayısı ve 80º, 90º ve 100º faz açıları çn slnr ç basınç, çevrmlk ş, güç ve sıcaklık eğşmler ncelenmştr. Mabrouk ve arkaaşları [10] tarafınan beta ve gama t Strlng motorlarına yer eğştrme stonu le slnr arasınak boşluğun mekk ısı transfer ve kayılar üzernek etklern ncelemek çn br analtk moel gelştrlmştr. Bu çalışmaa, eğşken faz açılı gama t br Strlng motorunun tasarımı, knematk ve zotermal termonamk analzler verlmştr.. MOTORN TASARIMI VE MATEMATİK MODEL Şekl 1. Knematk Strlng motorları [1] Alfaraw ve arkaaşları [5] tarafınan faz açısı ve ölü hacm eğşmlernn motor erformansı üzernek etklern ncelemek amacıyla 500 W gücünek gama t br Strlng motoru çn hesalamalı akışkanlar namğ le br moel gelştrlmştr. Çalışmaa en yüksek güç 105º faz açısı le ele elmştr. Strlng motorlarına yaygın olarak uygulanan 90º faz açısı le ele elen motor gücüne, 105º faz açısına göre %5 azalma görülmüştür. Çalışmaa ayrıca slnrler arasınak bağlantı borusu ölü hacm artışının motor gücünü olumsuz etkleğ belrtlmştr. Chrstoher ve Engea [6] tarafınan yaılan çalışmaa, üşük kaltel yakıtlarla, üşük yanma sıcaklıklarına çalışablecek ve 5 kw gücüne br jeneratöre kullanılablecek br Strlng motorunun tasarımı yaılmıştır. Tek slnrl ve k slnrl olarak analzler yaılan motora ısıtıcı ış yüzey alanının sstem erformansı üzerne öneml etks oluğu Tasarımı yaılan gama t, Strlng motoru, br güç slnr ve stonu, br yer eğştrme slnr ve stonu, krankbyel mekanzması, motor bloğu ve ara bağlantı arçalarınan meyana gelmekter. Tasarımı yaılan V t motorun teknk özellkler Tablo 1 e, şematk görünümü Şekl e verlmştr. Şekl e görülüğü gb tasarımı yaılan gama t motora yer eğştrme stonunun üst tarafı sıcak bölgey alt tarafı soğuk bölgey oluşturmaktaır. Çalışma maes yer eğştrme stonu tarafınan sıcak ve soğuk bölge arasına yönlenrlmekter. Yer eğştrme slnr le stonu arasına kalan boşluk ısıtma-soğutma kanalını oluşturulmaktaır. Çalışma maesnn soğutulması yer eğştrme slnrnn üzerne geçrlen su ceket le sağlanmaktaır. Yer eğştrme ve güç slnrler eksenler arası 90º olacak şekle motor bloğuna bağlanmış olu analzlere faz açısı 70º-110º arasına eğştrlmştr. Yer eğştrme ve güç stonu byel kolları aynı krank kol muylusuna bağlanmıştır. 6

3 Parametre Motor t Tablo 1. Tasarımı yaılan gamma t Strlng motorunun teknk özellkler Yer eğştrme stonu Pston Özellk Knematk motor, Gama (V) Ça x Kurs [mm] 58,50 x 60 Süürme hacm [cm 3 ] 161,70 Ça x Kurs [mm] 60 x 60 Süürme hacm [cm 3 ] 169,66 Sıcak kaynak sıcaklığı [K] 700 Soğuk kaynak sıcaklığı [K] 300 Faz açısı Değşken (70º-110º) Max motor evr [/] 1000 Sıkıştırma oranı 1,77 Çalışma maes Helyum (1 bar- bar) çalışma maesn sıcak hacme aktarmaktaır. Çalışma maes yer eğştrme stonu le slnr arasınak ısıtma-soğutma kanalınan geçerek ısı almaktaır. Bu süreçte soğuk hacm aralırken sıcak hacm aynı mktara genşlemekte ve çalışma maesnn sabt hacme ısıtılığı kabul elmekter. Kol muylusu B noktasına ulaştığına çalışma maes sıcak hacme tolanmış olu basıncı ve sıcaklığı en yüksek eğerer. Krank ml kol muylusu B noktasınan C noktasına hareket eerken, yer eğştrme stonu AÖN'ya varı tekrar aynı yere gelmes sebebyle AÖN'a sabt kalığı kabul elmekter. Güç stonu se AÖN'ya oğru krank ml kurs boyuna yakın br mesafe kat eerek ş zamanını gerçekleştrmekter. Bu süreçte çalışma maes genşleyerek ş yamakta ve çalışma maesnn sıcaklığının sabt kalığı kabul elmekter. Çalışma maesnn sıcaklığı sıcak kaynak sıcaklığına yakınır. Krank ml kol muylusu C noktasınan D noktasına oğru gerken, güç stonu AÖN cvarına sabt kabul eleblr. Yer eğştrme stonu se AÖN'an ÜÖN'ya oğru krank kursuna yakın br yol kat eerek sıcak hacmek çalışma maesn soğuk hacme oğru süürmekter. Bu süreçte çalışma maes sabt hacme soğutulmaktaır. Çalışma maesnn basıncı en üşük eğere olu soğuk hacme bulunan çalışma maesnn sıcaklığı çevre sıcaklığının braz üzerner. Krank ml kol muylusu D noktasınan A noktasına gerken yer eğştrme stonunun ÜÖN cvarına sabt kalığı kabul eleblr. Güç stonu se AÖN'an ÜÖN'ya oğru krank çaına yakın br yol kat etmekter. Bu şleme çalışma maes hem sıkıştırılmakta hem e ısı bırakmaktaır. Bu süreç çalışma maesnn sabt sıcaklıkta ısı vermes olarak kabul elmekter. Krank ml kol muylusu A noktasına gelğne çevrm tamamlanmış olmaktaır. Motorun resm Şekl 3 e görülmekter. Şekl. Tasarımı yaılan gama (V) t motorun şematk görünümü Tasarımı yaılan soğuk uç brleştrmel gama (V) t Strlng motorunun termonamk süreçler Şekl 1 e görülüğü gb krank mlnn 360 erecelk hareket eşt kısma ayrılarak tanımlanmıştır. Başlangıçta krank ml kol muylusu A noktasına ken hem güç hem e yer eğştrme stonu ÜÖN cvarına olu, güç stonu ÜÖN'ya yaklaşmakta, yer eğştrme stonu se ÜÖN'an AÖN ya hareket etmekter. Şekl 1 e görülüğü gb kol muylusu A noktasınan B noktasına gerken güç stonu ÜÖN ya varı tekrar ger önmes sebebyle ÜÖN a sabt kalığı kabul eleblr. Yer eğştrme stonu se AÖN ya hareket le krank ml kurs boyuna yakın br yol kat e, soğuk hacme bulunan Şekl 3. Değşken faz açılı gama (V) t Strlng motorunun resm 3 65

4 .1 Motorun Knematk ve Termonamk Analz Strlng motorlarının erformansını belrlemeye yönelk lk olarak 1871 yılına Gustav Schmt tarafınan gelştrlen zotermal analz olarak alanırılan metotta bütün ısı kayıları hmal elerek, sıkıştırma ve genşleme şlemlernn sabt sıcaklıkta oluğu kabul elmekter [1]. Tasarımı yaılan gama t motora ston ve yer eğştrme stonu slnrler V şeklne yerleştrlmş olu, aralarınak faz açısı eğştrleblmekter. İzotermal analz çn çevrm krank açısı cnsnen 1º aralıklarla sonlu sayıa arçaya ayrılmış olu, çevrmn her br kaemes çn hacm, basınç ve ç enerj eğerler hesalanmıştır. Hesalamalara, sıcak kaynak sıcaklığı 700 K, soğuk kaynak sıcaklığı 300 K olarak alınmıştır. Çalışma maes olarak helyum kullanılmış olu, şarj basıncı olarak 1 bar ve bar alınmıştır. Hesalamalara faz açısı 70º-110º arasına eğştrlmştr. l sn r sn r arcsn sn l olarak yazılır. Pston teesnn krank merkezne olan uzaklığı, (3) () r cos l cos h (5) t r olarak yazılırsa, güç stonunun oluşturuğu hacm eğşm, V s t D (6) ele elr. Yer eğştrme stonu alt yüzeynn krank ml eksenne olan uzaklığı, h l cos r cos b r (7) olur. Yer eğştrme stonu teesnn krank eksennen olan uzaklığı a, h h l cos r cos t r (8) olarak ele elr. Yer eğştrme stonunun üst kısmına bulunan sıcak hacm, V h t D (9) olur. Yer eğştrme stonunun alt kısmına bulunan soğuk hacm se, Şekl. Tasarımı yaılan Strlng motorunun knematk moel Güç stonu byelnn slnr eksen le yatığı açı, krank açısı cnsnen, r sn l r sn (1) r arcsn sn lr olarak fae elr. Benzer şekle yer eğştrme stonu byelnn slnr eksen le yatığı açı, () (10) V D c b b olarak hesalanır. İzotermal analze basınç, P m R t g n V T 1 (11) eştlğ le hesalanır. Motorun srkülasyon hacmnek çalışma maesnn ç enerjs, 66

5 C R V PV 1 1 PV... eştlğ le hesalanır. Net ş, W k 1 P V V 1 P V n n (1) (13) eştlğ le hesalanmaktaır. Termonamğn brnc kanunu kullanılarak, sıcak kaynaktan alınan ve soğuk kaynağa verlen ısı, P V V Q W (1) 1 1 olarak ele elr. Çevrmn termk verm e, W (15) Q h eştlğ le ele elr [,11]. 3. SONÇLARIN DEĞERLENDİRİLMESİ Şekl 5 e 90º faz açısı çn, krank ml açısına bağlı olarak yer eğştrme slnr sıcak ve soğuk hacm eğşmler, güç slnr hacm eğşm ve motorun tolam hacm eğşm görülmekter. Güç slnrnn yer eğştrme slnrne göre 70º-110º krank ml açısı aralığına hareket ettrlmes le meyana gelen faz açısı eğşm e Şekl 6 a verlmştr. Hacm (cm3) Faz açısı eğşm Krank Açısı (erece) DISP_HOT Şekl 6. Faz açısına bağlı olarak hacm eğşmler DISP_COLD Şekl 7 e 90º faz açısı çn çalışma maes olarak helyum kullanılması le 1 bar ve bar şarj basıncı çn basınç-hacm eğşmler verlmştr. Şekl 8 e e bar şarj basıncına 80º, 90º ve 100º faz açıları çn helum gazı le ele elen basınç-hacm eğşmler görülmekter. 3,0,5 1 bar bar PISTON DISP_HOT DISP_COLD TOPLAM Basınç (bar),0 1,5 300 Hacm (cm3) ,0 0, Hacm (cm3) 50 Şekl 7. 90º faz açısı çn basınç-hacm eğşmler Krank Açısı (erece) Şekl 5. 90º faz açısı çn krank açısına bağlı olarak hacm eğşmler 5 67

6 SEMBOLLER LİSTESİ Basınç (bar) 3,0,5,0 1,5 1, Hacm (cm3) 80º faz açısı 90º faz açısı 100º faz açısı Şekl 8. Faz açısına bağlı olarak basınç-hacm eğşmler (Helyum- bar şarj basıncı) Şekl 9 a 70º-110º faz açısı aralığına, bar şarj basıncına helyum gazı kullanılarak ele elen çevrmlk ş eğşmler görülmekter. En yüksek çevrmlk ş, 90º faz açısına 9,6 J olarak ele elmştr. Çevrmlk ş, 110º faz açısına 9,0618 J, 70º faz açısına a 9,0177 J olarak ele elmştr. Çevrmlk İş (J) 10,0 9,5 9,0 8,5 8,0 SONÇLAR Çalışma Maes: Helyum Şarj Basıncı: bar Faz Açısı (º) Şekl 9. Faz açısına bağlı olarak çevrmlk ş eğşm Bu çalışmaa, eğşken faz açılı, gama t br Strlng motorunun tasarımı, knematk ve zotermal analz metou kullanılarak termonamk analz sonuçları verlmştr. Motor soğuk uç brleştrmel ve V t olarak tasarlanmıştır. 70º-110º faz açısı aralığına, 1 bar ve bar şarj basıncı çn helyum gazı le yaılan analzlere, motora krank açısına bağlı olarak hacm eğşmler, basınç-hacm ve çevrmlk ş eğşmler ele elmştr. En yüksek çevrmlk ş, 90º faz açısına 9,6 J olarak ele elmştr. Smge Açıklama D Yer eğştrme stonu çaı (m) Pston çaı (m) D h h hr l lr m r s s Tc T h b b t s t Vc Vh Yer eğştrme stonu boyu (m) Pston tees le m eksen arasınak mesafe (m) Yer eğştrme stonu ro uzunluğu (m) Yer eğştrme stonu byel kol uzunluğu (m) Pston byel kol uzunluğu (m) Kütle (kg) Krank yarıçaı (m) Yer eğştrme stonu tees le slnr tees arasınak mesafe (m) Pston tees le güç slnr tees arasınak mesafe (m) Soğuk uç sıcaklığı (K) Sıcak uç sıcaklığı (K) Yer eğştrme slnr alt ucu le krank eksen arasınak mesafe (m) Yer eğştrme slnr üst ucu le krank eksen arasınak mesafe (m) Yer eğştrme stonu alt yüzey le krank eksen arasınak mesafe (m) Yer eğştrme stonu üst yüzey le krank eksen arasınak mesafe (m) Güç slnr tees le krank eksen arasınak mesafe (m) Pston tees le krank eksen arasınak mesafe (m) Yer eğştrme stonunun üst kısmına bulunan sıcak hacm (m 3 ) Yer eğştrme stonunun alt kısmına bulunan soğuk hacm (m 3 ) V Güç stonunun oluşturuğu hacm eğşm (m 3 ) Yer eğştrme stonu byel le slnr eksen arasınak açı (ra) Güç stonu byel le slnr eksen arasınak açı (ra) Termk verm Krank açısı (ra) KAYNAKLAR [1] Wang, K., Saners, S.R., Dubey, S., Choo, F.H., Duan, F. Strlng cycle engnes for recoverng low an moerate temerature heat: A revew, 6 68

7 Renewable an Sustanable Energy Revews, 6 (016): [] Çınar, C., Gama t br Strlng motorunun tasarımı, mal ve erformans analz, Doktora Tez, Gaz Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü, Ankara, (001). [3] Çınar, C., Aksoy, F., Erol, D., Düşük sıcaklık farkıyla çalışan br Strlng motorunun tasarımı ve mal, Gaz Ünverstes Blmsel Araştırma Projes Sonuç Raoru, Ankara, (011) [] Erol, D., Yaman, H., Dogan, B. A revew eveloment of rhombc rve mechansm use n the Strlng engnes, Renewable an Sustanable Energy Revews, 78 (017): [5] Alfaraw, R., Al-Daah, S.M. Influence of hase angle an ea volume on gammatye Strlng engne ower usng CFD smulaton. Energy Converson an Management, 1 (016): [6] Chrstoher, J.P., Engea, A., A Strlng engne for use wth lower qualty fuels, Energy, 8 (015): [7] Damrch, H., Najaf, G., Alzaehna, S., Ghobaan, B., Mamat, R. Desgn, Fabrcaton an Evaluaton of Gamma- Tye Strlng Engne to Prouce Electrcty from Bomass for the Mcro-CHP System, Energy Procea, 75 (015): [8] Aksoy, F., Cnar, C., Thermoynamc analyss of a beta-tye Strlng engne wth rhombc rve mechansm. Energy Converson an Management, 75 (013): [9] Çınar, C., Thermoynamc analyss of an α-tye Strlng engne wth varable hase angle, Journal of Mechancal Engneerng Scence, 1 (007): [10] Mabrouk, M.T., Kher, A., Fet, M., Dslacer ga losses n beta an gamma Strlng engnes, Energy, 7 (01): [11] Aksoy, F., Br Strlng motoruna güneş enerjs uygulanması, Doktora Tez, Gaz Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü, Ankara, (011). [1] Walker, G. Strlng engnes, Clarenon Press, Oxfor, (1981). 7 69