Computational Fluid Dynamic and Heat Transfer Modeling of Stirling Engine

Abstract

ن الطلب المتزاید للطاقة بالإضافة الى الإرتفاع المستمر لمعدل تلوث الھواء أدى للبحث عن طرق جدید یمكن الإعتماد علیھا لإنتاج الطاقة. محرك استیرلنغ یعتبر من أحد ھذه الحلول الواعدة لإنتاج الطاقة، وذلك لإمكانیة ً یمكن ان استخدامھ لاي نوع من أنواع مصادر الطاقة الحراریة وتحویلھا الى طاقة حركیة یمكن الإستفادة منھا. فمثلا ُوظف الطاقة الشمسیة لتشغیل محرك استیرلنغ وبھذا فإن ھذا المحرك یكون ذو فائدة عظیمة للبلدان الغنیة بالطاقة ت الشمسیة. تھدف ھذه الدراسة الى النمذجة الریاضیة لمحرك استیرلنغ بإستخدام حركة تحسیب الموائع ، وذلك سیؤدي للمساعدة في فھم خصائص السریان عن طریق ربط كل من حركة الموائع وانتقال الطاقة الحراریة. تم تضمین انتقال ُخرى المتعلقة بمحرك استیرلنغ تم تجاھل ھذا النوع فیھا من الحرارة بالإشعاع ف ي ھذا البحث رغم ان كل البحوث الأ انتقال الحرارة. یتكون ھذا المحرك من ثلاثة أجزاء رئیسیة ھي: السخان، المبرد، ومسترجع الحرارة. معظم البحوث المتعلقة بمحرك استیرلنغ تتحدث حول تحسین كفاءة المسترجع الحراریة، ولم یجد كل من السخان والمبرد حظھما الوافر من تلك البحوث، لذلك في ھذا البحث تم التركیذ على تحسین أداء السخان والمبرد. بالإضافة الى ذلك فإن البحث سوف یمتد لیحدد أفضل عوامل تشغیلیة لمحرك استیرلنغ. ھذه العوامل التشغیلیة ھي عبارة عن درجة الحرارة وضغط الشحن للمحرك. كما أنھ سیتم مقارنة أداء الأنواع الثلاثة الرئیسیة للمحرك ستیرلنغ وھي ("ألفا"، "بیتا"، "قاما"). أیضا سیتم دراسة ثلاثة أنواع مختلفة من الحركة تستخدم لتحریك المكبس في الحرك وھي ("رومبك"، عمود المرفق، "سكوتش") من خلال ھذا البحث اتضح ان افضل نقطة تشغیلیة لمحرك استیرلنغ تعتمد على نوع مائع التشغیل المستخدم. على سبیل المثال، عندما یعمل محرك ستیرلنغ من النوع "بیتا" بین درجتي حرارة تبرید وتسخین بین الثلاثمئة ُستخدم الھواء كمائع لتشغیل والثمانیمئة درجة مطلقة فإن أفضل أداء للمحرك یكون عند ضغط 75.1 بار وذلك عندما ی المحرك، ولغاز الھیلیوم فإن أفضل ضغط ھو 5.2 بار، أما لغاز الھیدروجین فإن أفضل ضغط تشغیلي ھو 10 بار. وأیضا من بین الأنواع الثلاثة للمحرك ستیرلنغ فإنھ تم توضیح أن أكبر طاقة مولدة تم انتاجھا كانت عن طریق النوع "الفا" ذو الاسطوانة الحلقة للربط بین منطقة التسخین والتبرید ومقدارھا ھو 6.9 واط وكذلك سجل ھذا النوع أفضل كفاء حراریة (08.10 (%من بین الأنواع الثلاثة لنفس الظروف التشغیلیة. أما من حیث نوع الحركة المستخدمة لتحرك المكبس فأن نوع الحركة "رومبك" قد سجل أفضل أداء من حیث الطاقة المتولدة 61.9 واط وكذلك من حیث الكفاءة الحراریة 3.8 ،%حیث تمت المقارنة مع نوع الحركة ذات عمود المرفق ونوع الحركة المسماة "سكوتش". وقد تم ذلك للمحرك ستیرلنغ ذو النوع "بیتا" الذي یعمل بالھواء عند الضغط الجوي ودرجات حرارة تشغیلیة بین 300-800 درجة مطلقة. بالإضافة الى ذلك فقد بینت ھذا الدراسة أن عدم تضمین الطاقة الإشعاعیة عند تقییم أداء المحرك یؤدي الى خطأ بمقدار 13 %في تقدیر الطاقة الحراریة المنتقلة من والى المحرك وھذا الخطأ یرتفع الى 18 %عند حساب القدرة المولدة من المحرك ستیرلنغ؛ لذلك من المھم جدا تضمین الطاقة الإشعاعیة عند عملیة تقییم أداء المحرك ستیرلنغ. وكذلك من الأمور المھمة التي ناقشھا ھذا البحث ھي عملیة إضافة الزعانف للمحرك. حیث كشفت ھذه الدراسة أن ھذه الزعانف یجب ان تكون بھیئة تسمح للغازات داخل المحرك أن تنتشر وتختلط ببعضھا البعض بصورة جیدة، وإلا فإن ذلك سیؤدي الى تأثیر سلبي على أداء المحرك نسبة لزیادة حجم المحرك الناتجة عن وجود الزعانف.