4. TASARIM UNSURLAR
4.2. Tasarım Esasları
Şekil 4.1 Sıcak hava motoru parça ve kısımları
No Parça ve Kısım Adı 1 Yer değiştirme Pistonu 2 Güç pistonu 3 Rejeneratör 4 Yaprak yay 5 Soğutucu kısmı 6 Helisel yay 7 Sıcak bölge 8 Soğuk bölge 9 Piston çubuğu 10 Akışkan aktarma kanalı 11 Sızdırmazlık elemanı 12 Soğutma kanatçıkları 1 2 3 9 5 6 7 8 4 10 11 12
Bu tez çalışması kapsamında sıcak hava motorlarında karşılaşılan balans, sızdırmazlık, ölü hacim, sürtünme kayıpları, doldurma basıncı gibi sorunlara çözüm getirebilecek özgün bir tasarım hedeflenmiştir.
Tasarımı yapılan sıcak hava motoru prototipi şematik olarak Şekil 4.1’de gösterilmektedir. Motorda birbiriyle eş merkezli olan iki adet piston ve silindir mevcuttur. Pistonlardan birisi gazın sıcak ve soğuk bölge arasında yer değiştirmesini sağlayan yer değiştirme pistonu, diğeri ise mekanik işin elde edildiği güç pistonudur. Genel olarak bir sıcak hava motorunun tasarımında, kullanım amacı, gücü, enerji türü, motor devri, çalışma sıcaklıkları ve çalışma akışkanı önceden belirlenmek durumundadır. Bununla birlikte bu araştırmada farklı işletme şartları ve konfigürasyonun etkisi incelenmektedir. Dolayısıyla prototip kullanım amacıyla birlikte farklı işletme şartlarına göre değiştirilebilir bir konstrüksiyona sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Tasarlanan motorda soğuk bölgenin soğutulması için su kullanılacaktır. Motor için tasarım ve imalata temel olacak, motorun özelliklerine ilişkin bazı kabuller yapılmış, bu kabuller ve motora ait tasarım özellikleri Çizelge 4.1 ‘de verilmiştir. Bu kabuller yapılırken özellikle literatürde yapılmış olan beta tipi motorların özellikleri ve elde edilen sonuçlar dikkate alınmıştır. Önceki çalışmalarda genel olarak motor boyutlarının belirli değerlerde olduğu görülmektedir. Bir karşılaştırma yapabilmek ve prototipin başarısını ölçebilmek için motor boyutları literatürdekiler ile aynı olacak şekilde alınmıştır.
Yapılan tasarımın en önemli noktası modüler bir yapıya sahip olmasıdır. Burada kurs, çap, sıkıştırma oranı, ölü hacim, yay katsayısı, rejeneratör malzemesi gibi parametrelerin motor performansı üzerindeki etkisinin incelenmesi hedeflenmiştir. Bu nedenle prototipin piston kursu ve çapı ayarlanabilir olmasının yanı sıra kolaylıkla sökülüp farklı malzeme çözümlerinin denenmesine imkan sağlayacak şekilde tasarlanmıştır.
Çizelge 4.1. Motorun Teknik Özellikleri
4.2.1.Pistonlar
Motorda biri yer değiştirme pistonu, diğeri güç pistonu olmak üzere iki adet piston bulunmaktadır. Yer değiştirme pistonun boyu, ayarlanabilmektedir ve görevi çalışma akışkanının sıcak ve soğuk bölgeler arasında hareketini sağlamaktır. Güç pistonu, sabit boydadır ve gücün üretildiği pistondur. Bütün pistonlar, doğrusal hareket etmektedir.
Yer değiştirme pistonu, sıcak hava motorlarında karşılaşılan termik ve mekanik sorunları çözebilmek için dört farklı kısımdan yapılmıştır. Yer değiştirme pistonu motorun çok önemli elemanlarından birisidir; 1000°C civarında yüksek sıcaklıklara maruz kalmaktadır, dolayısıyla pistonda karşılaşılabilecek sorunlar konstrüksiyon ve malzeme çözümleri ile aşılmaya çalışılmıştır. Ucu kubbe geometrisinde olan birinci parça, Titanyumdan imal edilmiştir. Yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan
Özellikler
Motor Tipi Beta Yer değiştirme pistonu çapı (mm) 60
Yer değiştirme pistonu boyu (mm) Max: 183 - Min: 154 Yer değiştirme pistonu kursu(mm) Max: 55 - Min: 27 Güç pistonu çapları (mm) 30-40-50
Çalışma akışkanı Hava Yer değiştirme pistonu ağırlığı (g) 460
Güç pistonu ağırlıkları (g) 47,9 - 62,1 - 89,9
Blok boyu (mm) Max: 239 - Min:214 Minimum motor hacmi (cm3) 380,7376
Maksimum motor hacmi (cm3) 412,53 Rejeneratör hacmi (cm3) 126,856 Soğuk hacim (cm3) 232,2344
Sıcak hacim (cm3) 186,6474 Şarj basıncı (bar) 0,2-4 Sıcak kaynak sıcaklığı (°C) 800 Soğuk ısı kaynağı (°C) 400
Titanyumun ergime sıcaklığı 1668°C’dir. Dayanımı çok iyidir. Yoğunluğu 4.5 gr/ml, ısıl genleşme katsayısı 9.4 10-6/°C’tür. Kullanılan 5. kalite titanyumun ısı iletim katsayısı 6.6 W/m2K’dir. Pistondaki ısı yalıtımının sağlanmasında bu malzemenin rolü büyüktür. Talaşlı imalat yöntemleri ile kolayca işlenebilmekte ve talaş kaldırıldığında düzgün bir yüzey oluşmaktadır. İkinci parça Alüminyum malzemeden imal edilmiştir. Alüminyumun ergime sıcaklığı 660°C, ısı iletim katsayısı 237 W/m2K, genleşme katsayısı 23.8 10-6 /°C, yoğunluğu 2.7 gr/ml’dir. İkinci parça üzerindeki dişliler aracılığı ile, birinci ve üçüncü parçaları birbirine bağlamaktadır. Ayrıca piston boyu, bu eleman ile ayarlanmaktadır. Birinci ve ikinci parçanın dış çapı silindir iç çapından 2 mm azdır, yani yüzeyleri temas etmemektedir. Yer değiştirme pistonunun üçüncü parçası alüminyum malzemeden üretilmiştir. Üzerinde sızdırmazlık elemanının monte edileceği iki adet kanal yer almaktadır. Dördüncü parça, rodlar ile hareket pistonunun bağlantısında görev almaktadır. Alüminyum malzemeden imal edilmiştir.
Yer değiştirme pistonu sıcak ve soğuk bölge arasında yer almaktadır. Piston hafif, içi boş ve bombeli bir çatıya sahiptir ve uzunluğu ayarlanabilir olarak tasarlanmıştır. İçi boş yapı ile sıcak bölgeden soğuk bölgeye ısı geçişinin engellenmesi amaçlanmıştır. Yer değiştirme pistonu aracılığı ile sıcak bölgeden soğuk bölgeye ısı transferinin azaltılması motor verimini arttırmaktadır. Bu nedenle yer değiştirme pistonu içi, ısı geçişini azaltacak fiber battaniye ile doldurulmuştur. Seramik battaniyenin ısı iletim katsayısı 0.27 W/m2°C , yoğunluğu 300 kg/m3’tür. Seramik battaniye arasına yerleştirilen özel alüminyum folyolardan radyasyon kalkanlarının kullanılması ile ışınım ile gerçekleşen ısı transferi de önlenmektedir. Piston ile silindir arasındaki sürtünme kuvvetinin ihmal edilebilir düzeyde olması için düşey doğrultudaki kuvvet çok küçük olmalıdır. Bunun için de piston ağırlığı mümkün olduğu kadar az olmalıdır.
Güç pistonun çapı ve kursunun değiştirilebilmesi tasarlanan prototipin bir diğer önemli özelliğidir. Burada piston çapı pratik olarak değiştirilebilmektedir. Böylece piston çapının performansa olan etkisinin incelenmesi hedeflenmektedir.
Güç pistonu epoksi malzemeden imal edilmiştir. Epoksi malzemenin çalışma sıcaklığı 450°C, ısı iletim katsayısı 0.17 W/m2K, genleşme katsayısı 6-7.10- 6/°C,yoğunluğu 1.9 gr/ml’dir. Piston iki parçalıdır. Üzerindeki iki adet kanala
sızdırmazlık elemanları yerleştirilmektedir. Hafif olması için pistonun içi boşaltılmıştır. Bütün parçalar dişler ile birbirine monte edilmektedir.
4.2.2.Silindirler
Yer değiştirme pistonu silindiri, 310 paslanmaz çelikten imal edilmiştir. Bu malzemenin çalışma sıcaklığı 1040°C, ısı iletim katsayısı(100°C’de) 14.2 W/m2K, genleşme katsayısı 16.2.10-6/°C, yoğunluğu 7.75gr/ml’dir. 310 paslanmaz çeliğin işlenmesi zordur. Buna rağmen ısıya dayanımının yüksek olması nedeni ile bu uygulama için uygun malzeme olarak tercih edilmiştir. Silindirin iç yüzeyi honlanmıştır. Motor bloğuna bağlı iki cıvata ile silindir montajı yapılmıştır
Güç pistonu silindirleri, yüksek sıcaklığa maruz kalmadığından maksimum 600°C çalışma sıcaklığındaki 304 paslanmaz çelikten üretilmiştir. Bu tür çeliğin birim fiyatı, 310 ve 316 paslanmaz çeliğin birim fiyatından azdır. Üretim yapılırken en uygun özellikteki en ekonomik malzeme seçilmiştir. Güç pistonu silindiri bir ucundan motor bloğuna, diğer ucundan yay tablasına monte edilmektedir. Güç pistonu silindiri çapının motor performansına etkisini inceleyebilmek için 30 mm, 40 mm ve 50 mm iç çaplarında üç adet silindir imal edilmiştir. Silindirler honlanmıştır. Silindirlerin pistonlarla sürtünmeli çalışan kısımları her hangi bir sertleştirme işlemine tabii tutulmamıştır.
4.2.3.Motor Bloğu
Yer değiştirme pistonu ve silindiri, rejeneratör, motor bloğuna yerleştirilmektedir. Dört parçadan oluşmaktadır. Birinci parça, 310 paslanmaz çelik malzemeden imal edilmiştir. Blok başı olarak da adlandırılabilen birinci parça, motora
ısının verileceği ısıtma bölgesini oluşturmaktadır. İç yüzeyi kubbe şeklindedir. Parçanın bu geometride tasarlanmasındaki amaç, çalışma akışkanının ısıtma bölgesi ile temas alanını fazlalaştırarak ısı transferini arttırmaktır. Motor bloğu ikinci parçası, 316 paslanmaz çelik malzemeden üretilmiştir. Bu malzemenin çalışma sıcaklığı 925°C, ısı iletim katsayısı (100C’de) 16.2 W/m2K, genleşme katsayısı 16,5.10-6/°C, yoğunluğu 7,95 gr/ml’dir. Bu parça üzerinde sıcak bölge sıcaklığını ölçmek için yerleştirilmiş bir K tipi termokpul bulunmaktadır. Üçüncü parça 316 paslanmaz çelikten üretilmiştir. Üzerinde soğuk bölge sıcaklığını ölçmek üzere yerleştirilen sıcaklık sensörü bağlantı deliği bulunmaktadır. Ayrıca yer değiştirme pistonu silindirini sabitlemek için kullanılan iki adet cıvata, bloğun bu parçası üzerinde yer almaktadır. Bütün parçaların bağlantıları dişler ile yapılmaktadır. 316 paslanmaz malzemeden imal edilen dördüncü parça, soğutma sistemi elemanı olarak da sayılabilir. Soğutma elemanı ve ceketinin montajında görev almaktadır.
4.2.4.Rejeneratör
Stirling çevriminde rejeneratör sabit hacimde ısıtma ve soğutma işlemlerinde çalışma akışkanının ısı alıp vermesini sağlayan elemandır. Isı, rejeneratör üzerinde depolanarak tekrar kullanılmakta ve ısı tasarrufu sağlanmaktadır. Deneysel çalışmalarda, çalışma akışkanı ile rejeneratör arasındaki ısı transferi, sadece sabit hacim evrelerinde değil, akışkan rejeneratörden geçtiği müddetçe devam etmektedir.
Şekil 4.1’de görülmekte olan rejeneratör, yer değiştirme pistonu silindiri ile motor bloğu arasındaki kanala yerleştirilmektedir. 7 mm ve 4 mm dış çaplarındaki seramik (%90 Al2O3) borulardan yapılmıştır. Borular birbirine beyaz tuğla harcı ile
yapıştırılmıştır. Seramiğin ısı iletim katsayısı 1,3 W/m2°C, yoğunluğu 2,083 gr/ml’dir. Rejeneratör boyu 100 mm’dir.
4.2.5.Motor Tablası
Motor tablası, 316 paslanmaz çelikten imal edilmiştir. Üzerinde soğutma ceketini yerleştirmek için bir kanal yer almaktadır. Güç pistonu silindiri, sıcaklık sensörü ve basınç sensörü bu elemana monte edilmektedir. Tabla üzerine monte edilen basınç sensörü bağlama aparatı görülmektedir. Ayrıca yer değiştirme pistonu rodları yataklaması da ara elemanlarla, motor tabasına yapılmaktadır. Saplamalar ile motor bloğu dördüncü parçasına monte edilerek, iki eleman arasına yerleştirilen soğutma elemanının Motor tablası ile blok dördüncü parçası arasına yerleştirilen soğutma elemanı, bu iki parçanın saplamalar ile birbirine sıkı bağlantısıyla merkezlenmiştir.
4.2.6.Yaylar
Prototipin en önemli elemanlarından birisi de pistonların dönüş hareketlerini sağlayacak yaylardır. Dönüş hareketinin istenen hızda ve kursta olması için yay katsayısı ve yay uzunluğu çok önemlidir. Farklı işletme şartları için yaydan istenen özellikler değişeceğinden; prototip buna uygun olarak ayarlanabilir tasarlanmıştır. Prototip üzerindeki yay bağlantıları hareketli elemanlarla olacak şekilde tasarlanmış ve böylece farklı yayların ve yay katsayılarının kullanımına imkan tanınmıştır. Böylece motorun en uygun yay mekanizması ile çalıştırılması hedeflenmektedir.
Yer değiştirme pistonunda yaprak yay kullanılmaktadır. Yaprak yayın bir ucu, yay bağlama aparatına, diğer ucu yer değiştirme pistonu roduna cıvatalar ile monte edilmiştir. Yay özel bir tasarım ile imal edilmiş, üzerine bir kanal açılmıştır. Yay boyu bu kanal ile ayarlanarak, sistemde farklı yay katsayıları elde edilmektedir.
Güç pistonunda helisel yay kullanılmaktadır. Güç pistonu roduna monte edilen helisel yay, güç silindiri içerisinde yer almaktadır. Yayın bağlantısı iki ucundan yay tablasına yapılmaktadır.
4.2.7.Soğutma Sistemi
Soğutma sistemi, soğutma elemanı ve soğutma ceketinden oluşmaktadır. Soğutma akışkanı olarak su kullanılmaktadır. Soğutma elemanı ısı iletim katsayısı yüksek olan Alüminyum malzemeden üretilmiştir. Şekil 4.1‘de görüldüğü gibi ısı transferi yüzeyini arttırmak için kanatçıklı olarak tasarlanmıştır. Şekil 3.1’de görülmekte olan soğutma ceketi, 316 paslanmaz çelik borudan imal edilmiştir. Üzerinde soğuk su giriş ve sıcak su çıkış bağlantıları bulunmaktadır. Sıcak su borusu 850°C’ye dayanıklı paslanmaz çelikten imal edilmiştir.
4.2.8.Isıtma Sistemi
Yapılan deneylerde ısı kaynağı olarak 5,5 kW gücünde elektrikli bir ısıl işlem fırını kullanılmıştır. Fırın, imal edilen motoru ısıtmak üzere özel olarak üretilmiştir. Tek hücre tipi, monofaze bir fırındır. Fırında kapak bulunmamakta, gövdesinde sadece motor bloğu çapında bir delik yer almaktadır. Fırın sıcaklığı 1100°C’ye kadar her sıcaklığa ayarlanabilmektedir.
4.2.9.Çalışma Akışkanı
Stirling motorlarında çalışma akışkanı olarak hava, helyum ve hidrojen gibi gazlar kullanılmaktadır. Helyum ve Hidrojenin izentropik üssü yüksek olduğu için, çalışma akışkanı olarak kullanıldıklarında motor verimi artmaktadır. Fakat Hidrojenin yanıcı bir gaz, Helyumunda pahalı olması nedeni ile Stirling motorlarında daha çok hava kullanılmaktadır. Havanın ekonomik olarak maliyeti yoktur.
İmalatı yapılan motor için çalışma akışkanı olarak hava seçilmiştir. Motora bağlı bir gaz doldurma aparatı ile gerekli görüldüğü zaman motor içine hava basılmakta veya tahliye edilmektedir.
4.2.10. Ölçme elemanları
Sistemde, üçü motor bloğuna, biri soğutma elemanının su çıkış bölgesine monte edilmiş beş adet K-tipi termokupl yer almaktadır. Silindir içindeki soğuk bölge basıncını ölçmek için bir adet basınç sensörü bağlantı borusu, motor tablasına sıkı cıvata bağlantısı ile monte edilmiştir. Motor çalışması esnasında sensörlerden alınan değerler, data logger cihazına aktarılıp kaydedilmektedir.