Hogyan építsünk hatékony hőszivattyút, comsol blogot
A Stirling motorok vagy hőszivattyúk olyan rendszerek, amelyek hihetetlenül alacsony hőmérsékletkülönbséggel működhetnek. A Stirling-motorok egyes változataihoz még az emberi test hője is elegendő a munkához. A cikkben megfontoljuk az érdekes, otthon épülő gép dinamikáját, és megmutatják, hogyan hozhat létre modellt a COMSOL Multifizikában.
A régi ötlet modern alkalmazása
Először a Stirling motor egy kis története. Az 1816-ban, Robert Stirling által két évszázaddal ezelőtt kifejlesztett motívum a "jövő motorja" volt. Bár ez a technológia nem igazán vált népszerűvé, a Stirling motorokat széles körben használják sok modern alkalmazott feladatban. Például, a napenergia kiviteli alak Stirling-motor közvetlenül konvertálja szoláris hő mechanikai energiát, amely viszont hajtja a generátort, és villamos energiát termel. Ezenkívül ugyanezt a megközelítést alkalmazzák az energiatermelés geotermikus forrásokból és az ipari vállalkozások termikus kibocsátásából. Valószínűleg a legmeglepőbb terület, ahol a Stirling-motorok megtalálják az alkalmazást, a svéd tengeralattjárók; benne a Stirling motorok még a levegőhöz való hozzáférést is biztosítják.
A hőenergiától a mechanikai munkáig
Beszélgettünk a Stirling motorok egyes alkalmazásairól, de mi az eszköz működése? A Stirling motorban a hőenergia mechanikai munkává alakul át a ciklikus folyamat során. A megvalósítás részletei eltérhetnek, de az alapelv változatlan marad. A munkatest négy folyamaton halad át: hűtés, kompresszió, fűtés és terjeszkedés. A hőt a gáz a forró oldalról a hideg felé továbbítja. A motor hatékonysága nem haladja meg a Carnot ciklus hatékonyságát.
A hagyományos motorokkal ellentétben a Stirling motorok nem igényelnek magas hőmérsékletet a működésükhöz. Egyes motorok a meleg és hideg oldalak közötti kis hőmérsékleti különbséggel dolgoznak. Ezenkívül nagyon alacsony zajszintet és a megfelelő energiaveszteséget jellemeznek, mivel robbanások nem fordulnak elő a munkafolyamatban, és a kipufogógázok nem kerülnek kibocsátásra. Ugyanakkor a Stirling motorok olyan alkalmazásokhoz alkalmazhatók, ahol állandó teljesítmény szükséges, mivel rendkívül nehéz dinamikusan szabályozni a teljesítményüket. Ez talán a legfontosabb oka annak, hogy még mindig nem fussunk a Stirling motorokkal.
A Stirling motor, amelyet az emberi tenyér hője táplál. (Picture „Stirling-motor, ami csak akkor működik a hőmérséklet különbség a környezeti levegő és a tenyér saját munkáját Arsdell résztvevő elérhető a Creative Commons licenc ..” Nevezd - ugyanazokkal a feltételekkel, "3.0 Wikimedia Commons).
Hogyan készítsd el saját Stirling motorodat
Természetesen az ilyen Stirling-motor hatékonysága valószínűleg nem lesz optimális. Megfelelőbb megoldás a motor numerikus modelljének létrehozása.
A Stirling hőszivattyú szimulációja a COMSOL Multiphysics-ban
A Stirling motor számtani modelljével kiválaszthatjuk és tesztelhetjük az anyagok és paraméterek különböző kombinációit. A folyamatot a hőátadás és a hidrodinamika egyenletei írják le, és a folyamat mechanikai összetevőinek egyszerűsített leírására elegendő a további hagyományos differenciálegyenlet - a mozgás egyenletének - megoldása.
A kétdimenziós tengelymetrikus modell olyan főhengerből áll, amely egy munkatestet (levegőt) és egy dugattyút tartalmaz. A kis hengerben a meghajtódugattyú a tetején helyezkedik el. Mindkét dugattyú párhuzamosan van csatlakoztatva és a főtengelyen mozog, amelyen 90 fokos fázisban vannak elválasztva. A főtengely nem szerepel a modellben. Ezt a Stirling-motort gamma-konfigurációnak nevezik.
Stirling hőszivattyús modell.
Itt már megoldódott a hőátadás problémája a működő gázban. A folyamat mechanikai oldala mozgó háló (ALE) alkalmazásával valósul meg. Az elmozdító és a meghajtódugattyú szabadon mozoghat z irányban. A beállított eltolódás megfelel a hőszivattyús üzemmódnak. Ebben az esetben a mechanikai munkát a hőenergia spontán átadásának irányával ellentétes irányba történő átvitelére használják. A fordított folyamat - a tényleges működését a Stirling-motor - lehet modellezni hőforrás segítségével, és kiszámítjuk a végső nyomást erőt a meghajtó dugattyú és a kiszorító. Mindenesetre a rendszer olyan folyamatok láncolatán megy keresztül, amelyek megfelelnek a Carnot ciklus négy szakaszának:
A munkatestre ható termodinamikai folyamatok.
Az ilyen ciklus hatékonysága távol áll a Carnot-ciklustól, de a nyomás-térfogat függősége grafikonja, amelyről lent látható, egybeesik a kísérleti adatokkal.
A nyomás és a térfogat grafikonja a Stirling ciklusban.
A modell legfontosabb előnye, hogy fizikai jelenségeket tanulmányozhatunk egy hőszivattyúban. Például az alábbi animációs kép mutatja a sebességeloszlást a hőszivattyú működése közben.
Sebességeloszlás a hőszivattyú működése közben.
A dugattyú átadja a hőátadáshoz szükséges mechanikai energiát, ami azt jelenti, hogy a hőszivattyú működése során meg tudjuk vizsgálni a dinamikus hőmérséklet-eloszlást.