Beta tipi stirling motorları için hareket mekanizması optimizasyonu

Abstract

Stirling motorlarının geçmişi 1800’lü yıllara dayanmasına rağmen, günümüzde gerek kullanım ve gerekse de araştırma yoğunluğu açısından, sistemin dezavantajlarından olan güç/ağırlık oranının düşük olması, aşınma, sızdırmazlık, vb. nedenlerle mevcut sistemlere nazaran yaygın bir kullanım alanının olmadığı görülmektedir. Stirling motorlarında üretilen iş miktarını artırmak amacıyla farklı çalışmalar yapılmıştır. Bu kapsamda, yeni hareket iletim mekanizmalarının tasarlanması ile piston ve displacer hareketleri kontrol edilerek mekanik ve termodinamik olarak kazançların elde edildiği görülmektedir. Krank-biyel, eliptik krank mili ve kam mili sistemlerinin uygulandığı çalışmalarda kam mili mekanizmasının, Carnot çevrimine yakın bir basınç-hacim grafiği elde edildiğini göstermiştir. Bu sayede mekanizmanın değiştirilerek üretilen iş değerinin artırılabileceği görülmüştür. Bununla birlikte, hiposikloid mekanizmasındaki maksimum basınç ve üretilen iş değerlerinin, aynı şartlar altındaki krank-biyel mekanizmasındaki değerlere kıyasla daha yüksek olduğu, yapılan çalışmalarda gösterilmiştir. Servo-motor ile kontrol edilen bir Stirling motorunda, klasik mekanizmalı sistemdeki ısıl verime göre yükselme olduğu da kaydedilmiştir. Özetle, hareket iletim mekanizmalarının değiştirilmesiyle termodinamik olayların izotermal ve izokorik ilkelere uygun sonuçların elde edilebildiği anlaşılmaktadır. Tasarlanan sistemlere ait basınç-hacim grafikleri incelendiğinde, bekleme zamanı (faz farkı) ve sabit kalma süresinin uygun değer aralıklarında gerçekleştiği de göz önüne alınarak üretilen iş değerinin artacağı yorumu yapılabilir. Bu tez çalışması, Stirling motorları üzerinde uygulanabilecek en uygun hareket iletim mekanizmasının seçilerek, sistem üzerindeki termodinamik etkilerin araştırılması amacıyla düzenlenmiştir. Tez dahilinde planlanan araştırmaların neticesinde ulaşılacak verilerin, Stirling motorlarının mekanik tasarımları ile analiz ve optimizasyon işlemlerine katkıda bulunup, yapılacak olan çalışmalara kaynak sağlaması da ön görülmektedir. Optimize edilen aktarma elemanlarının boyutlandırılmasında, sistem için en uygun verim ile iş değerlerini sağlayan ölçüler esas alınarak analize dahil edilmiştir. Bununla birlikte hazırlanmış olan bilgisayar yazılımıyla, farklı çalışma koşulları için, termodinamik analizlerin yapılmasının mümkün olduğu görülmüştür. Aynı ortam şartlarına bağlı kalmak kaydıyla elde edilen iş değerleri, krank biyel mekanizmasında 17.39 Joule, özgün mekanizmada ise 25.87 Joule olduğu belirlenmiştir. Buradan hareketle özgün mekanizmanın, krank-biyel sistemine göre izotermal yaklaşım için %48.76 oranında bir çevrimlik iş artışı sağladığı tespit edilmiştir.

Although the history of Stirling engines dates back to 1800s, today, in terms of both usage and research concentration, low power / weight ratio, which is one of the disadvantages of the system, wear, sealing, etc. For reasons, it is seen that there is no widespread use compared to existing systems. Different studies have been carried out to increase the amount of work produced in Stirling engines. In this context, by designing new motion transmission mechanisms, it is seen that mechanical and thermodynamic gains are obtained by controlling piston and displacer movements. In studies in which crankshaft, connecting rod, elliptical crankshaft and camshaft systems were applied, a camshaft mechanism showed a pressure-volume graph close to the Carnot cycle. In this way, it is seen that the value of the work produced by changing the mechanism can be increased. However, it has been shown in studies that the maximum pressure and produced work values in the hypocycloid mechanism are higher than the values in the crank-connecting rod mechanism under the same conditions. It has also been noted that a Stirling engine controlled by a servo-motor has an increase in thermal efficiency in a conventional mechanism system. In summary, it is understood that by changing the motion conduction mechanisms, it is possible to obtain results in accordance with isothermal and isochoric principles of thermodynamic events. When the pressure-volume graphs of the designed systems are analyzed, it can be interpreted that the produced work value will increase considering the waiting time (phase difference) and the time to remain constant within the appropriate value ranges. This thesis study was designed to investigate the thermodynamic effects on the system by selecting the most suitable movement transmission mechanism that can be applied on Stirling engines. It is also foreseen that the data to be obtained as a result of the research planned within the thesis will contribute to the mechanical designs of Stirling engines, analysis and optimization processes and provide resources for the studies to be carried out. In the dimensioning of the optimized transfer elements, they are included in the analysis based on the measurements that provide the optimum efficiency and work values for the system. However, with the computer software prepared, it has been seen that it is possible to make thermodynamic analysis for different working conditions. Work values obtained by adhering to the same environmental conditions were determined to be 17.39 Joules in the crank connecting rod mechanism and 25.87 Joules in the original mechanism. From this point of view, it has been determined that the original mechanism provides a cyclical job increase of 48.76% for the isothermal approach compared to the crank-connecting rod system.