Gama Tipi Serbest Pistonlu Bir Stirling Motorunun Dinamik Ve Termodinamik Analizi

Öz

Serbest pistonlu Stirling motorları, ısı enerjisini titreşim tarzında doğrusal bir harekete dönüştüren basit yapılı termodinamik sistemlerdir. Kinematik motorlardaki volanların yerini serbest pistonlu Stirling motorlarında mekanik yaylar ya da gazlı yaylandırıcılar almaktadır. Yer değiştirme pistonu ve güç pistonunun yaptığı titreşim hareketinin genliğini kontrol altında tutmak bu motorların önemli sorunlarından birisidir. Yapısı gereği serbest pistonlu Stirling motorlarının tasarımı dinamik ve termodinamik analizlerin birlikte yapılmasını zorunlu kılmaktadır. Motorun dinamik parçalarının kütleleri, sistemde kullanılan yayların yay sabitleri, sürtünmeler, iş transferinden kaynaklanan kuvvetler ile güç pistonu ve yer değiştirme pistonuna etkiyen gaz kuvvetlerini ihtiva eden kapsamlı bir dinamik-termodinamik analiz ile motorun tasarımı yapılmakta ve performans değerleri
belirlenmektedir. Bu çalışmada 700 K sıcak kaynak ve 350 K soğuk kaynak sıcaklığı arasında çalışan, silindirleri soğuk uçtan birleştirmeli, gama tipi, serbest pistonlu bir Stirling motorunun dinamik ve termodinamik analizi yapılmıştır. Motor gücünün; sıcak kaynak sıcaklığına, güç pistonu ile yer değiştirme pistonu yaylarının sabitlerine, yer değiştirme pistonunun kuyruk çapına, çalışma hacmindeki gaz kütlesine ve iş transferinin yarattığı sönümleme sabitine göre değişimleri incelenerek motorun çalışma limitleri belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Gama tipi Stirling motoru, serbest pistonlu Stirling motoru, dinamik ve termodinamik analiz

Kaynakça

1. Walker, G., Stirling Engines, Clarendon Press,
2. Oxford, 1980.
3. Beale, W.T., “Free Piston Stirling Engines -
4. Some Model Tests and Simulations”,
5. International Automotive Engineering
6. Congress, Detroit, Michigan, 1-10, 13-17 Ocak
7. -
8. Karabulut, H., “Dynamic Analysis of a Free

9. Piston Stirling Engine Working With Closed and
10. Open Thermodynamic Cycles”, Renewable
11. Energy, Cilt 36, No 6, 1704-1709, 2011.
12. Boucher, J., Lanzetta, F., ve Nika, P.,
13. “Optimization of a Dual Free Piston Stirling
14. Engine”, Applied Thermal Engineering, Cilt
15. , No 4, 802–811, 2007.
16. Rogdakis, E.D., Bormpilas, N.A. ve Koniakos,
17. I.K., “A Thermodynamic Study for the
18. Optimization of Stableoperation of Free Piston
19. Stirling Engines”, Energy Conversion and
20. Management, Cilt 45, No 4, 575-593, 2004.
21. Hsu, S.T., Lin, F.Y. ve Chiou, J.S., “Heat
22. Transfer Aspects of Stirling Power Generation
23. Using Incinerator Waste Energy”, Renewable
24. Energy, Cilt 28, No 1, 59-69, 2003.
25. Lane, N.W. ve Beale, W.T., “A 5kW Electric
26. Free-Piston Stirling Engine”, Proceedings of the
27. Seventh International Conference on Stirling
28. Cycle Machines, Tokyo, Japan, Kasım 1995.
29. Hsieh, Y.C., Hsu, T.C. ve Chiou, J.S.,
30. “Integration of a Free-Piston Stirling Engine and
31. a Moving Grate Incinerator”, Renewable
32. Energy, Cilt 33, No 1, 48-54, 2008.
33. Arof, H., Wijono ve Nor, K.M., “Linear
34. Generator: Design and Simulation”, National
35. Power and Energy Conference (PECon) 2003
36. Proceedings, Bangi, Malaysia, 306-311, 15-16
37. Aralık 2003.
38. Fazal, I., Karsiti, M.N., Zulkifli, S.A., Ibrahim, T.
39. ve Rao, K.S.R., “Modeling and Simulation of a
40. Moving-Coil Linear Generator”, International
41. Conference on Intelligent and Advanced
42. Systems (ICIAS 2010), Kuala Lumpur,
43. Malaysia, 1-5, 15-17 Haziran 2010.
44. Boldea, I. ve Nasar, S.A., Linear Electric
45. Actuators and Generators, Cambridge
46. University Press, New York, 1997.
47. Ping, H.W. ve Arof, H., “Design of a Permanent
48. Magnet Linear Generator”, Proceedings of the
49. st International Forum on Strategic
50. Technology, Ulsan, Korea, 231-234, 18-20 Ekim
51. -
52. Gomez, A., Berry, J.J., Roychoudhury, S.,
53. Coriton, B. ve Huth J., “From Jet Fuel to Electric
54. Power Using a Mesoscale, Efficient Stirling
55. Cycle”, Proceedings of the Combustion
56. Institute, Cilt 31, 3251-3259, 2007.
57. Yang, Q., Luo, E., Dai, W. ve Yu, G.,
58. “Thermoacoustic Model of a Modified Free
59. Piston Stirling Engine with a Thermal Buffer
60. Tube”, Applied Energy, Cilt 90, No 1, 266-270,
61. -
62. Kim, S.Y. ve Berchowitz, D.M., “Specific Power
63. Estimations for Free-Piston Stirling Engines”,
64. th International Energy Conversion
65. Engineering Conference and Exhibit, San
66. Diego, 1-8, 26-29 Haziran 2006.
67. Formosa, F., “Coupled Thermodynamic–
68. Dynamic Semi-Analytical Model of Free Piston
69. Stirling Engines”, Energy Conversion and
70. Management, Cilt 52, No 5, 2098-2109, 2011.
71. Lange, R.G. ve Caroll, W.P., “Review of Recent
72. Advances of Radioisotope Power Systems”,
73. Energy Conversion and Management, Cilt 49,
74. No 3, 393–401, 2008.
75. Formosa, F. ve Despesse, G., “Analytical Model
76. for Stirling Cycle Machine Design”, Energy
77. Conversion and Management, Cilt 51, No 10,
78. -1863, 2010.
79. De Monte, F. ve Benvenuto, G., “Reflections on
80. Free-Piston Stirling Engines. Part 1: Cycling
81. Steady Operation”, Journal of Propulsion and
82. Power, Cilt 14, No 4, 499–508, 1998.
83. Schmidt, G., “The theory of Lehmann_s
84. calorimetric machine”, Zeitschrift Des Vereines
85. Deutscher Ingenieure, Cilt 15, No 1, 1872.
86. Kongtragool, B. ve Wongwises, S.,
87. “Thermodynamic Analysis of a Stirling Engine
88. Including Dead Volumes of Hot Space, Cold
89. Space and Regenerator”, Renewable Energy,
90. Cilt 31, No 3, 345–59, 2006.
91. Ibrahim, M. B. ve Tew, R. C., “Study of Two-
92. Dimensional Compressible Non-Acoustic
93. Modeling of Stirling Machine Type
94. Components”, Proceedings of IECEC’01 36th
95. Intersociety Energy Conversion Engineering
96. Conference, Savannah, Georgia, 1-6, 29
97. Temmuz – 2 Ağustos 2001.
98. Choudhary, F., Dynamics of Free Piston
99. Stirling Engines, Yüksek Lisans Tezi,
100. University of Maryland, Faculty of the Graduate
101. School, 2009.
102. Benvenuto, G., De Monte, F. ve Farina, F.,
103. “Dynamic Behaviour Prediction of Free-Piston
104. Stirling Engine”, Proceedings of IECEC’90 25th Intersociety Energy Conversion
105. Engineering Conference (IECEC-90), Reno,
106. Nevada, Cilt 5, 346-351, 12-17 Ağustos 1990.
107. Redlich, R.W. ve Berchowitz, D.M., “Linear
108. Dynamics of Free-Piston Stirling Engine”,
109. Proceedings of the Institution of Mechanical
110. Engineers Part A: Power and Process
111. Engineering, Cilt 199, No A3, 203-213, 1985.
112. Karabulut, H., Öztürk, E. ve Çınar, C., “Dynamic
113. Modelling and Investigation of Vibrations of a
114. Single Cylinder Four-Stroke Diesel Engine”,
115. Journal of the Faculty of Engineering and
116. Architecture of Gazi University, Cilt 26, No 1,
117. -183, 2011.
118. Çınar, C., Topgül, T., Yücesu, H.S.,
119. “Manufacturing and testing of a beta-type Stirling
120. cycle engine”, Journal of the Faculty of
121. Engineering and Architecture of Gazi
122. University, Cilt 22, No 2, 411-415, 2007.
123. Çınar, C., Koca, A., Karabulut, H., “An
124. experimental investigation of the effects of
125. various working fluids on stirling engine
126. performance”, Journal of the Faculty of
127. Engineering and Architecture of Gazi
128. University, Cilt 20, No 2, 247-250, 2005.
129. Özgören, Y.Ö., Çetinkaya, S., “Experimental
130. study on the performance of a beta type stirling
131. engine using helium and air as working gas”,
132. Journal of the Faculty of Engineering and
133. Architecture of Gazi University, Cilt 24, No 2,
134. -228, 2009.
135. Karabulut, H., Yucesu, H.S., Çinar, C. ve Aksoy,
136. F., “An Experimental Study on the Development
137. of a β Type Stirling Engine for Low and
138. Moderate Temperature Heat Sources”, Applied
139. Energy, Cilt 86, No 1, 68-73, 2009.