ENERJİ SİSTEMLERİ LAB- II LABORATUVAR KILAVUZU

T.C.

Sinop Üniversitesi

Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü

SUBAT-2019

ENERJİ SİSTEMLERİ LAB- II LABORATUVAR KILAVUZU

HAZIRLAYAN

Arş. Gör. Mehmet Onur KARAAĞAÇ

Stirling Motoru

Stirling motoru, kapalı bir haznenin dışardan ısıtılmasıyla oluşan enerjiyi mekanik enerjiye dönüştüren makinadır. Sıcak hava motoru olarak da bilinir. Isınan havanın genişleyip sıkışmasıyla motor hareket etmeye başlar. 1816 yılında iskoç rahip Reverent Robert Stirling icat etmiştir. Motor daha sonra kardeşi olan James Stirling geliştirmiştir. Mucitlerin yaşadığı dönemde buharla çalışan makinalar kullanılıyordu ve oldukça tehlikelilerdi. Daha güvenilir bir alternatif bulmak için işe koyulurlar. İstedikleri ısı enerjisini doğrudan hareket enerjisine dönüştürmektir.

Yirminci yüzyılda petrolün kullanımında ve içten yanmalı motorlarda meydana gelen büyük gelişmeler bir ölçüde Stirling motorunun gelişimini olumsuz yönde etkilemiştir. İçerisinde bulunduğumuz yüzyılın son yarısında yaşanan büyük enerji krizleri ile birlikte bu motorlar üzerindeki çalışmalar büyük önem kazanmıştır. Stirling motorunun, diğer içten yanmalı motorların aksine kullandığı enerjinin türe bağlı olmaması bu motorları gelecek için daha ümit verici hale getirmiştir.

Odun, kömür, petrol ürünleri, doğal gaz, bitkisel atıklar, güneş enerjisi, nükleer enerji, jeotermal enerji ve adını sayamadığımız birçok enerji kaynağı Stirling motorlarında kullanılabilmektedir. Ayrıca açık ve kapalı devre olarak çalışabilme özelliğine sahip olan Stirling motorlarında değişik çalışma maddeleri kullanılabilmektedir. Özellikle hidrojen ve helyum gibi ısı iletkenlik katsayıları yüksek gazlar kapalı sistemde kullanılmak suretiyle termik verimleri % 40'a kadar yükseltebilmektedir. Aynı zamanda kapalı devre olarak kullanıldığında doldurma basıncı yüksek tutularak motor momentinin ve özgül gücünün yüksek olması sağlanabilmektedir. Malzeme bilimindeki gelişmeler Stirling motorunun gelişimini olumlu yönde etkilemiştir. Yüksek sıcaklığa dayanıklı hafif metaller kullanılarak parçaların ısı iletimi artırılarak aynı zamanda atalet kuvvetleri azaltılmaktadır. Bugün Stirling motorlarının en önemli problemi sızdırmazlık ve ölü hacimler olarak gösterilmektedir.

Stirling motorlarında ısıtıcı, soğutucu, birleştirme portları ve rejeneratör boşluğu ölü hacim olarak tarif edilmektedir, bu hacimlerin büyük olması motor veriminin ve gücünün düşmesine neden olmaktadır.

Robert Stirling'den bu güne birçok Stirling motoru yapılmıştır. Bunlar; serbest pistonlu, krank biyel mekanizmalılar, Rhombic drive mekanizmalı, eğik plaka mekanizmalı ve sıvı pistonlu motorlardır.

Günümüzde, İsrail'de güneş enerjisi ile çöl şartlarında çalıştırılan çok sayıdaki Stirling motorları ile başarılı bir tarımsal sulama yapılmaktadır. Araştırmalar, 2000'li yıllara gelinmeden, malzeme ve üretim tekniklerindeki önemli aşamaların yardımı ile Stirling motorlarının günlük yaşamın bir parçası haline geleceğini göstermektedir. Bu alanda çalışan birçok araştırmacı tersinebilir hava çevrimlerinde meydana çıkması mümkün olan ve bilinen hiçbir diğer işlemlerce ulaşılması mümkün olmayan, motorun çalışmasında yaratılıştan var olan yüksek termodinamik verimini anlamaya başlamışlardır. Geçmiş çalışmaların gözden geçirilerek bu alanda daha ileri makineler yapılması ile tanımlanmış prensiplerin uygulanması için zemin hazırlayacak güç üretimi, elektrik jeneratörü, güneş enerjisi dönüştürücüsü, soğutma makinesi, klima cihazı olabileceği gibi sıvılaştırıcı ya da düşük sıcaklıklarda fiziksel araştırma aleti olarak ta kullanılabilecektir.

Stirling Motorlarının Çalışma Prensibi

Bir kutunun üzerine lastik bir balon takalım. Kutu ısıtıldığında içerisindeki hava genişleyerek balonun şişmesine neden olacaktır. Tersi durumda ise yani kutu soğutulduğunda ise balon büzüşecektir. Motorun esas kısmını iki bölümden meydana gelmiş boşluk oluşturur. Yer değiştirme pistonunun üst kısmında kalan birinci bölge (sıcak bölge), sürekli olarak ısıtılan sıcak gazlar için genişleme boşluğunu; iş yapan piston ile yer değiştirme pistonu arasındaki ikinci bölge de (soğuk bölge), sıkıştırma boşluğunu oluşturur.

İş yapan piston Alt Ölü Noktada iken çalışma maddesinin büyük bir kısmı alt bölmededir(I.

Durum).

İş yapan piston yukarıya doğru hareket ettiğinde sıkıştırma işlemi başlar (II. Durum).

Yer değiştirme pistonu aşağıya doğru hareket edince, gazlar soğuk bölgeden sıcak bölgeye doğru itilir (III. Durum).

Son olarak sisteme sürülen ısıya bağlı olarak ısıtıcıda ısınan gazlar genişleyerek iş ve yer değiştirme pistonunu beraberce aşağıya doğru iterler( IV. Durum ).

Stirling çevrimine göre çalışan bir ısı makinesinde sistemin çalışması ve çevrimin ölü noktalarında piston düzenlemesi ve zaman yer değiştirme diyagramı aşağıda şekilde verilmiştir.

Çevrimin başlangıcında sıkıştırma bölgesindeki piston en dıştaki ölü noktada bulunur, genişleme bölgesindeki piston ise en içteki ölü noktada bulunur ve rejeneratörün kendi tarafındaki yüzeyini kapatır. Bütün çalışma maddesi sıkıştırma odasındadır ve soğuktur. Bu hacim maksimum sıkıştırma hacmidir, basınç ve sıcaklık bu esnada minimum değerdedir.

1-2 arasındaki izotermik sıkıştırma işlemidir. Bu işlem sırasında en dışta ölü noktada bulunan sıkıştırma pistonu içe doğru hareket eder ve genişleme pistonu sabittir. Çalışma maddesi kompresyon hacminde sıkıştırılır ve basınç artar. Sıcaklık sabit tutulur, çünkü ısı (Qc) kompresyon hacmini oluşturan silindir tarafından dışarı atılır.

2-3 transfer işlemi sırasında her iki piston da eşzamanlı hareket eder. İş pistonu rejeneratöre doğru hareketine devam ederken genişleme pistonu rejeneratörden uzaklaşır. Bu işlem

sırasında çalışma maddesi rejeneratörden geçerek sıkıştırma hacminden genişleme hacmine dolmaya başlar. Çalışma maddesi rejeneratörden geçerken, rejeneratörden çalışma maddesine ısı transfer edilir. Isı transferi ile çalışma maddesinin sıcaklığı Tc sıcaklığından Th sıcaklığına yükselir. Çalışma maddesi rejeneratörden geçerken sıcaklık kademeli olarak artar ve basınç artışı sağlanır.

3-4 işlemi genişleme işlemidir. Genişleme işlemi sırasında sıcak bölgede çalışan piston rejeneratörden dışa, ölü noktaya doğru hareket eder. Kompresyon pistonu içteki ölü noktada sabittir ve rejeneratöre bitişiktir. Genişleme işlemi devam ederken hacim arttığı için basınç düşer, sıcaklık sabit kalır çünkü ısı (QE) sisteme bir harici kaynaktan aktarılır.

Çevrimde son işlem 4-1 işlemidir, bu işlem sırasında her iki pistonda eşzamanlı hareket eder.

Çalışma maddesi sabit hacimde geriye, başlangıç pozisyonuna transfer edilir. Rejeneratörden geçen çalışma maddesi genişleme hacminden sıkıştırma hacmine dolar. Rejeneratörden geçiş sırasında ısı, çalışma maddesinden rejeneratöre transfer edilir. Çalışma maddesinin sıcaklığı azalarak Tc sıcaklığında kompresyon hacmine dolar.

Bu işlem sırasında rejeneratöre verilen ısı bir sonraki çevrimin 2-3 işlemi sırasında rejeneratörden çalışma maddesine geri transfer edilir.

Stirling motoru, hava, helyum veya hidrojen gibi bir gaz ile doldurulur (basınç altında). Buna, çalışma gazı denilir. Stirling motoru içerisinde bulunan çalışma gazı bir ısıtıcı ile ısıtılıp ve tam tersi şekilde bir soğutucu ile soğutulur. Isıtıcı ve soğutucu genellik çalışma gazının geçmiş olduğu dar borulardan (geçitler) oluşan kompakt ısı değiştiricilerdir. Bu durumda, çalışma gazının ısı kazanması (ısınması) veya kaybetmesi (soğuması) söz konusudur. Isıtıcının dış yüzeyi, bir brülörden çıkan aleve veya yoğunlaştırılmış güneş enerjisi gibi yüksek bir ısı kaynağına maruz bırakılır. Soğutucunun dış yüzeyi ise ortam havasına veya su gibi bir soğuk ısı kaynağına maruz bırakılmaktadır.

Isıtıcı ve soğutucu arasında bir rejeneratör vardır. Rejeneratör, ısıtıcıya girmesi gereken ısı miktarını ve soğutucudan atılması gereken ısı miktarını azaltarak Stirling motorunun verimini arttırır. Motorun çalışması için rejenaratör olması şart değildir. Ancak, yakıt maliyeti ve sistem maliyetinin düşürülmesi göz önünde bulundurulduğunda kullanmak mantıklı olacaktır.

Rejenaratörün çalışma şekli, çalışma gazının depolamış olduğu ısı enerjisinin bir kısmının, ısıtıcıdan soğutucuya doğru hareketi esnasında, soğutucudaki soğutma miktarını azaltmak için depolamasıdır. Ve tam tersi duruma doğru hareket etmeye başladığında çalışma gazı, rejeneratörde depolanan ısı enerjisinin bir kısmını geri kazanır ve ısıtıcının ısıtma ihtiyacının azalmasını sağlar. Basitçe özetleyecek olursak, rejeneratör çalışma gazını ısıtıcıya girmeden önce ısıtır ve soğutucuya girmeden önce soğutur.

Stirling motoru tork metre görevi gören bir yüke ya da birleşik bir jeneratöre bağlanır. Dönme frekansı ve ısısal değişim gözlemlenebilir. Etkin mekanik enerji, etkin elektriksel enerji gibi dönme frekansının bir fonksiyonu olarak gözlemlenebilir. Döngü başına dönüştürülen enerji PV diagramı yardımıyla belirlenebilir. Stirling motorunun verimliliği yaklaşık olarak hesaplanabilir.

Stirling Motoru Çeşitleri

Stirling motorunun 3 temel yapılma modülü bulunmaktadır. Diğer Stirling motoru çeşitleri bu temellerden türetilmiş sürümleridir. Bunlar Alfa tipi stirling motoru, Beta tipi stirling motoru ve Gamma tipi stirling motorudur.

Alfa Tipi Stirling Motoru

iki adet piston, bir adet volan, pistonların bulunduğu kapalı bir gaz haznesi, ısı eşanjörleri, ısı üreteci, bir adet volandan oluşmaktadır. Üst kısına yerleştirilmiş olan pistonun etrafı ısı kaynağıyla ısıtılarak içerisinde bulunan gazın genleşmesi hedeflenir. Isınan gaz pistonu ileri geri itmeye başlar, bağlı bulunan diğer pistonda harekete başlar bu sayede sıcak ve soğuk gaz hazne içerisinde yer değiştirmiş olur. Bu iki pistonun bağlı olduğu volan yardımıyla oluşan enerji aktarılır.

Beta Tipi Stirling Motoru

Aynı şaft üzerinde 2 adet piston bulunur. Bu iki piston birbirine bağlıdır. Alt tarafta bulunan pistonun bulunduğu hazne ısıtılarak kapalı hazne içerisindeki gazın ısınarak aktifleşmesi sağlanır. Bu sayede piston yukarı yönlü hareketine başlar. Bağlı bulunan diğer pistonda bununla birlikte soğuk gazı hazne içerisinde hareket etmesine yardımcı olur. Pistonların bağlı bulunduğu volan oluşan enerjiyi aktarır.

Gamma Tipi Stirling Motoru

İki ayrı piston bulunur. Büyük olan pistonun bulunduğu hazne ısıtılarak içerisinde bulunan gazın aktifleşmesi sağlanır. Bu sayede volan ile birbirine bağlı olan pistonlar harekete başlarlar.

Deneyin Yapılışı

Deney Düzeneği Şekil’deki gibi kurulmalıdır. Stirling motorun altında takılı bulunan taban plakası çıkarılmalıdır. Böylece pVn ünitesinin plakasına bağlanabilir. pVn ünitesinin ileticisi stirling motorunun eksenel aksına bağlanmalıdır. Daha sonra her ikisi büyük plakaya vidalanmalıdır. pVnT ünitesi çalıştırmadan önce, pVn sensörüne bağlı olduğuna emin olun.

Ünitenin p ve V çıkışlarını osiloskopun Y ve X kanallarına bağlayın.

Şekil 1. Deney düzeneği

pVnT ünitesi ilk açıldığında, ekranda “cal.”ibaresi görülecektir. Her iki termokuplör şu anda aynı sıcaklıda bulunmaktadır. Ardından “Calibration ΔT”butonuna basılmalıdır. Sıcaklık sensörlerinin bu kalibrasyonu mutlak sıcaklık göstergesini değil sıcaklık farkı göstergesini etkiler. Bu durumda üstteki ekran “OT” ibaresini gösterecektir. Motor pistonunu en aşağı konuma getirin. Ardından pVnT ünitesindeki “Calibration V” butonuna basın. Yanlış kalibrasyon hacim voltajında faz kaymasına neden olacaktır. Bu da osiloskopta gözlemlenecek PV diyagramında kaymalara neden olacaktır. Üç ekranda şu an 0 dev/dk, T1 ve T2 değerlerini göstermektedir.

1. Isıtıcıdan çıkan termal güç

Brülördeki alkol miktarı, bir ölçüm camı (veya bir ölçek) ile deneyden önce ve sonra ölçülür.

Deneyin ilgili süresi bir saat ile kaydedilir.

2. Basınç sensörünün kalibrasyonu

Basınç sensörü atmosfer basıncı Po ile karşılaştırıldığında nispi basıncı ölçer. Gaz şırıngasının hacim değişimi, izotermal durum değişimi olduğu varsayılarak basınç değişiminin hesaplanmasına izin verir, P.v = sabit

İlk hacim V0'da basınç atmosfer basıncına (P0) eşittir. Tablo 1’de P0 değerinin normal atmosfer basıncı (1013 hPa) olduğu varsayıldığı bir ölçüm örneğini gösterir. Küçük esnek bağlantı borusunun hacmi (0.2 ml) ihmal edilebilir.

Tablo 1

Şekil 4’de basınç sensörünün çıkış voltajı basıncın bir fonksiyonu olarak gösterir. Regresyon çizgisinin eğimi:

Atmosferik basınca(P0) karşılık gelen voltaj 2,35 V'tur.

Dikkat! Basınç sensörünün hassasiyeti büyük dalgalanmalara maruz kalabilir. Ancak, tüm durumlar için arasındaki doğrusallık sağlanır.

Basınç sensörü, pv diyagramı nicel olarak değerlendirilebilecek şekilde kalibre edilmelidir. Bu, bir gaz şırıngası vasıtasıyla gerçekleştirilir.

Esnek boru montaj plakasından çıkarılır ve atmosferik basınca (PO) karşılık gelen voltaj osiloskopla belirlenir. Sonuncusu kalibre edilmiş Y ölçeği ile DC ve Yt modunda çalıştırılmalıdır.

Hava sızdırmaz gaz şırıngasının pistonu çekilir (örneğin, 15 veya 20 ml'ye kadar) ve şırınga esnek tüpe bağlanır. Osiloskop ekranındaki basınç (voltaj) göstergesi, izotermal yoğunluğa ve şırınga hacminin düşmesine bağlı olarak değişir. Şırınganın içindeki gerçek basınç hesaplanabilir.

Esnek hortum Stirling motorunun tablasından sökülür. Bu durumda osiloskoptan gözlemlenen voltaj değeri atmosferik basınca eşit olacaktır. Osiloskop DC ve Yt modunda çalıştırılmalıdır.

Şırınga 15-20 mm’ye çekilir ve hortuma bağlanır. Osiloskopta gözlemlenen, basınca karşılık gelen voltaj değeri, şırınganın hareketi ile değişmektedir. Bu sayede şırıngadaki asıl basınç hesaplanabilir.

Pv diyagramı yüzeyi

Osiloskopta X-ekseninin ölçüm hassaslığı 0.5 V/bölme’dir. pVnT ünitesi Stirling motoru için aşağıdaki hacimlere karşılık voltaj değerlerini vermektedir. (Vmin, Vmax ekipman sabitleridir):

Vmin = 32 cm³ Umin= 0 V Vmax = 44 cm³ Umax= 5 V ΔV = 12 cm³ U = 5 V

Böylece, X ekseni için ölçeği sırasıyla 2.4 cm³ / V veya 1,2 cm³ / bölmedir.

Deneyde kullanılan basınç sensörü ile Y- ekseninin ölçeği 0.2 V/ bölmedir. Yani osiloskop ölçeği 329 hPa/ V veya yaklaşık olarak 66 hPa/ bölmedir. Osiloskoptan minimum ve maksimum basınç değerlerine karşılık voltaj değerleri okunabilir. Pascal cinsinden belirlenir. Şekil 2 osiloskop ekranında gözlemlenmesi gereken gerçek PV diyagramıdır.

Şekil 2. Gerçek PV diyagramı. Daha yukarıya kaymış olan diyagram, Stirling motoruna yük bağlandığı durumdur.

Diğer Stirling motorları için PV diyagramı farklı şekillerde olabilir. Bir dış yüke maruz kalan motor ile serbest bir motorun PV diyagramlarının karşılaştırılması, yük bağlı olduğu durumda daha yüksek bir basınç farkının ortaya çıktığını göstermektedir. Yük bağlı olduğu durumda, PV diyagramı yalnızca %10-%20 civarında kayma gösterecektir.

Şekil 3'teki basınç kalibrasyonuna dayanarak, bir Y ekseni için 329 hPa / V veya sırasıyla 66 hPa / bölme bir ölçek faktörü bulunur.

Şekil 3. Basınç sensörü karakteristik eğirişi

Osiloskop DC modunda çalıştırılırken maksimum ve minimum basınçlar için gerilimleri okuyarak, PV şeması için basınç değerleri de Pascal olarak ifade edilebilir. Genel olarak, en alt hat P0 yakınında olacaktır.

Şekil 4, bir Stirling motoru için yükü olan ve olmayan iki gerçek PV şemasını göstermektedir (Şekil 5a: yüksüz, Şekil 5b: 18.3*10^-3 Nm'lik bir yük ile). Değerlendirilen yüzey değerleri tablo 2'de verilmiştir.

Şekil 4. Dış yüklü(b) ve dış yüksüz(a) bir gerçek Pv diyagramı

PV diyagramı diğer Stirling motorları için biraz farklı bir şekle sahip olabilir. Dolayısıyla, yüzey kararlı dönme frekansında sağlanan termal güç ve motor sürtünmesinin bir fonksiyonudur. Dış yüke gönderilen ya da verilmeyen bir motor için PV şemalarının karşılaştırılması, Stirling motorunda ölçülen daha büyük sıcaklık farkına karşılık gelen, yük durumu için daha yüksek bir basınç farkının oluştuğunu göstermektedir. Motor bir yüke bindirilirse, diyagramın yüzeyi sadece% 10 -% 20 artar; orta yükler için maksimum gösterir (bkz. Şekil 5).

Şekil 5. Dönme frekansının bir fonksiyonu olarak mekanik enerji.

Şekil 5, Pv diyagramı bazında değerlendirilen toplam etkin enerjiyi (Wpv), etkin mekanik enerjiyi (Wm) ve dönme frekansının bir fonksiyonu olarak döngü Wfr başına sürtünme enerjisini gösterir.

3.

Osiloskop, şu anda XY modunda çalışır durumdadır. Ocağı, Stirling motorunun cam silindirinin altına yerleştirin. pVnT ünitesinde gözlemlediğiniz sıcaklık farklı 80 dereceye ulaştığında, motoru saat yönünde elinizle iterek sistemin çalışmasını sağlayın. Motor devri kısa sürede 900 dev/dk’a ulaştığında PV devri osiloskopta gözlemlenebilecektir. Deney kazanımlarına geçmeden önce sıcaklıkların ve devrin satabil değerlerde olduğundan emin olun. Düşük olan sıcaklık 70 derecede olmalıdır. Dönme frekansı ve sıcaklıklar kaydedilir, maksimum ve minimum basınç değerleri osiloskoptan okunur. PV diagramı şeffaf bir kâğıda geçirilebilir.

4. Etkin mekaniksel enerji

Motora belirli bir tork uygulanabilmesi için, torkmetre büyük tablaya bağlanmalıdır. Göstergenin ortasındaki metalik parça, Motorun döner tekerleğinin eksenine bağlanır. Gösterge ve metalik parça arasındaki sıkışma miktarı, gösterge üzerindeki vidalarla ayarlanır. Vidalar dikkatlice ayarlanmalıdır. Göstergenin salınım yapmaya başladığı yerde sıkıştırma işlemi bırakılmalıdır.

Deneyi düşük torkta başlatın. Her konfigürasyonda tork, devir ve sıcaklıkların stabil kaldığından emin olun. Tüm değerleri ve PV diyagramlarını kaydedin.

5. Etkin elektriksel enerji

Torkmetreyi jeneratör ünitesiyle değiştirin. Reosta, jeneratörün çıkışına bağlanır. En yüksek direnç değerine ayarlanır (Şekil 6.) Stirling motoru jeneratöre bağlanmadan önce okunan veriler, bir önceki deneyde okunan verilerle benzerlik göstermelidir. Ardından kasnak, stirling motorun çarkı ile jeneratör çarkına bağlanır. Voltaj, akım, dönme frekansı ve sıcaklıklar kaydedilir. Direnç değeri adım adım azaltılır. Değerler sırayla kaydedilir. Jeneratör çarkı küçük çark ile değiştirilerek deney tekrarlanır.

Şekil 6. Reosta bağlı deney diyagramı

Teori ve Hesaplamalar

Stirling çevrimi

1-2 T = sabit, genişleme (dış kaynaktan sisteme ısı girişi)

2-3 v = sabit, rejenerasyon (iş akışkanından rejeneratöre sistem içi ısı geçişi) 3-4 T = sabit, sıkıştırma (sistemden dış ortamdaki kuyuya ısı atılışı)

4-1 v = sabit, rejenerasyon (rejeneratörden iş akışkanına sistem içi ısı geçişi)

Termodinamiğin 1. Yasasına göre, izotermal bir sisteme termal enerji verildiğinde, bu enerji sistemin iç enerjisindeki artışın toplamına eşittir ve sistemin sağladığı mekanik iş;

dQ=dU+pdV

Faz 4 sırasında faz 2’de salınan termal enerji rejenaritif olarak soğurulur. Bu, motorda sadece bir termal enerji alışverişinin gerçekleştiği anlamına gelir. Mekanik enerji yalnızca faz 1 ve faz 3 sırasında sağlanır. Buna bağlı olarak, iç enerji bu izotermal işlem sırasında değişmez. Yapılan iş soğurulan ve ya üretilen termal enerjiye eşittir.

PV=nRT

Burada n, sistem içerisindeki gazın mol sayısıdır. R ise genel gaz sabitidir. Faz 1 sırasında yapılan iş,

W

=-nRT

*ln(V

/V

)

negatif, çünkü bu miktarda iş sağlanıyor.

Aynı şekilde, faz 3 sırasında yapılan iş ise;

W

=+nRT

*ln(V

/V

)

|W

|>W

olacaktır. (T

>T

)

Toplam yapılan iş ise W1 ve W3’ün toplamıdır.

W

= W

+W

W

= -nRT

*ln(V

/V

) + nRT

*ln(V

/V

) W

=-nR(T

-T

)*ln(V

/V

)

Bu Wt toplam etkin enerjinin sadece bir kısmı, motora uygulanan dış yükler aracılığıyla etkin çalışma Wm olarak kullanılabilir.

Bir termal motor içindeki tersinir bir işlemin maksimum termal verimi, toplam W1 iş miktarı ile tedarik edilen termal enerji miktarı arasındaki orana eşittir. Q1 = -W1

Carnot, maksimum verime yalnızca teorik olarak ulaşılabildiğini söylemektedir. Isı farklı arttıkça, verimlilik de artmaktadır.

Ocakta açığa çıkan termal güç

Süre : Δt=60 dak.

Yanan alkol miktarı : ΔV=29 ml

Alkol yoğunluğu: ρ= 0.83 g/ml Termal güç: h= 25 kj/kg

Buradan saniye başına yakılan alkol kütlesi bulunabilir.

Ardından hesaplanan termal güç PH=167 W olarak bulunur.

Efektif mekanik enerji ve güç

Motorun bir çevrimindeki etkin mekanik enerji tork metrenin yardımıyla hesaplanabilir. Tork metreden okunan tork değeri M ile;

W

= 2.π.M

Etkin mekanik enerjisi hesaplanabilir. pVnT’de gözlemlenen dönme hızı n frekansa çevrilir ve buradan mekaniksel güç hesaplanır.

P=W

.f

Tablo 2 ölçülen ve hesaplanan verileri göstermektedir. Toplam mekanik enerji PV diyagramından hesaplanabilmektedir. Tur başına kaybolan sürtünme enerjisi de;

W

=W

-W

İle hesaplanabilir. Artan yük, dönme frekansında azalmaya neden olacaktır. Motorun ulaşacağı maksimum hız, 900 dev/dak’ya yaklaşıktır. Ayrıca tur başına sürtünme enerjisi de artacaktır.

TABLO 2

T1 sıcaklığı, azalan rotasyon frekansları ile güçlü bir şekilde artar; T2, rejeneratördeki havanın (yer değiştiren pistonun çeperi üzerinde) önceden ısıtılması veya rotasyon frekansı düşük olduğunda daha iyi bir dereceye kadar soğutulması nedeniyle biraz azalır. Stirling motorundaki basınç da sıcaklıklara göre değişir. Bu değişim şekil 4’de açıkça görülebilir.

Yeni bir tork ayarlanırken, yük dalgalanmaları ve akstaki şoklar kaçınılmazdır. Bu nedenle, ölçüm değerleri çok çeşitli saçılma gösterebilir. Döngü başına sürtünme enerjisi, dönme frekansları ile artar.

Etkin mekanik güç, 500 600 dak-1 aralığında dönme frekansları için belirgin bir tepe gösterir (bkz. Şekil 7).

Şekil 7. Dönme frekansının bir fonksiyonu olarak mekanik ve elektrik gücü.

Etkin Elektriksel Enerji

Akım ve voltaj reosta yardımı ile ölçülür. Buradan üretilen toplam elektriksel güç bulunabilir.

Pe=V.I

Tablo 3’de ölçülen ve hesaplanan değerleri göstermektedir. Şekil 7 Stirling motorunun etkin mekanik ve elektrik gücünü, dönme frekansının bir fonksiyonu olarak göstermektedir.

Tablo 3a. Büyük Kayış Tekerleği

Tablo3b. Küçük Kayış Tekerleği

Jeneratör, Stirling motoruna küçük kayış tekerleği üzerinde büyük kayış tekerleği kullanıldığında bağlandığında daha büyük gerilimler elde edilir. Güç zirvesi, daha küçük dönme frekanslarına kaydırılır, ancak pik sinyali yaklaşık olarak aynı kalır. Jeneratör verimliliğinden dolayı, etkin elektrik gücü, etkili mekanik güçten daha küçüktür.

Gerçek ve ideal Stirling işlemi, verimlilik değerlendirmesi

İdealize edilmiş Stirling işlemi izoforik ve izotermal çizgiler boyunca uzanır (bakınız Şekil 3a).

Asıl süreç, birkaç nedenden ötürü, bundan oldukça farklı olabilir:

1. Her iki piston da 900'ün sabit bir faz kayması ile çalışır, bu da diyagramın ideal işlem durumunda olduğu gibi keskin açılara sahip olmamasına neden olur.

2. Gaz devri 1000 dev / dak'da çalışan bir motorda, izotermal bir durum değişikliği için çok yüksektir.

3. Rejeneratör % 100 verimle çalışmıyor. Stirling motorundaki hava, ideal bölge için olduğu gibi soğuk bölgeye daha sıcak ve sıcak bölgeye daha soğuk ulaşır. Daha büyük termal giriş ve soğutma kapasitesi gereklidir.

4. Çalışma pistonu hava geçirmez olmadığından büyük basınç kayıpları vardır.

5. Sürtünme kayıpları tüm sürtünme yüzeylerinde ve akış gazının içinde meydana gelir.

İzotermal olarak ölçülen sıcaklıklar T1 ve T2'nin yardımıyla ölçülen bir PV diyagramına uyarlanabilir. Aşağıdaki örnek bir Stirling motorunun maksimum güç aralığında bir ölçüm kullanılarak gerçekleştirilir.

İdeal bir gaz için aşağıdaki ilişki geçerlidir:

P.V= nRT

Stirling motorunun çalışma pistonunun hava sızdırmazlığı nedeniyle, çalışma sırasında motorun içerdiği mol sayısı PV diyagramı yardımıyla değerlendirilmelidir (bkz. Şekil 4).

Diyagram yüzeyinin ortasında bir veya iki nokta seçilir. Ortalama sıcaklıkta izotermlere tahsis edilirler:

𝑇_𝑚= 𝑇₁+ 𝑇₂

2 = 407 𝐾 Örnek:

1. Nokta V= 38 cm³ p=969 hPa 2. Nokta p=1017 hPa v=36.8 cm³

R= 8.31 J/(mol K) n=1.10.10^-3 mol (ortalama)

Bu değerler yardımı ile hesaplanan T1 ve T2 sıcaklıkları izotermleri PV diyagramı ile birlikte Şekil 8'de gösterilmektedir. Ölçülen ve teorik eğrileri karşılaştırırken, görüntülenen sıcaklıkların ortalama değerler olabileceği göz önünde bulundurulmalıdır. Alevin bulunduğu bölgede, çalışma silindiri içindeki sıcaklık T1'den yüksek, T2'den düşüktür. Hacim artışı sadece soğuk işleyen silindir içerisinde gerçekleşir; Bu nedenle, ortalama sıcaklıklar, büyük bir hacim için gösterilenden daha düşük değerlere kaydırılır ve PV diyagramının eğrisi, izotermlerden biraz daha diktir. Teorik eğriler ile çeşitli PV diyagramlarını karşılaştırırken de çakışma olabilir.

Şekil 8. PV Diyagramı ve İzotermal Çizgiler

Bu maksimum güç örneği için verimlilik değerlendirmesi:

Döngüdeki efektif enerji (Tablo 2'ye bakınız):

Wm =115 mJ

Bir döngü sırasında, brülör(Ocak) aşağıdaki termal enerjiyi sağlar:

WH = PH/ f WH = 180 J Toplam verim:

η = Wm / WH

η = 115 / 180 = 0.6

Stirling motorunun verimliliği çeşitli bileşenlerden oluşur Isıtıcının etkinliği:

Isıl verim (Carnot):

İç verimlilik:

Mekanik Verim: