Σύγκριση του υπολογιστικού κώδικα Roboan θερμοδυναμικής μοντελοποίησης μηχανών Stirling με μοντέλο αναπτυχθέν στο πανεπιστήμιο Zonguldak Karaelmas - Γκιρετλή, Ουτκάν (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας, 2017)
Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει διαιρεθεί σε 7 κεφάλαια και επικεντρώνεται στην ρευστομηχανική και θερμοδυναμική μοντελοποίηση των μηχανών Stirling. Μια μηχανή Stirling, αποτελείται από έναν χώρο συμπίεσης, έναν χώρο εκτόνωσης κι έναν αναγεννητή. Η μηχανή διαθέτει επίσης δύο εναλλάκτες θερμότητας, οι οποίοι διατηρούν τη θερμοκρασία του αερίου στο συμπιεστή και τον εκτονωτή στα επιθυμητά επίπεδα. Σε όλους αυτούς τους όγκους κινείται το εργαζόμενο μέσο, το οποίο επιλέγεται μεταξύ του υδρογόνου, του ηλίου και του αέρα. Το αέριο μετακινείται μεταξύ των χώρων της μηχανής με τη βοήθεια δύο κινούμενων μερών, του εμβόλου ισχύος και του εκτοπιστή. Στην παρούσα εργασία αναλύεται και προσομοιώνεται μια μηχανή Stirling η οποία κατασκευάσθηκε και εξετάσθηκε πειραματικά στο Πανεπιστήμιο του Ικονίου στην Τουρκία. Η μηχανή αυτή λειτουργεί με αέρα. Το πρώτο (1ο) Κεφάλαιο περιλαμβάνει την ιστορική αναδρομή σχετικά με την έρευνα και την ανάπτυξη των μηχανών Stirling, αλλά και κάποιες από τις κύριες εφαρμογές τους. Από αυτές, ξεχωρίζουν οι μηχανές Stirling οι οποίες λειτουργούν με ανανεώσιμες μορφές ενέργειας (ήλιο, βιομάζα), αλλά και οι ψυκτικές μηχανές Stirling. Στο δεύτερο (2ο) Κεφάλαιο γίνεται θερμοδυναμική ανάλυση των Stirling και εξηγούνται αναλυτικά οι αλλαγές κατάστασης κατά τη διάρκεια του κύκλου. Στο στάδιο αυτό, υπολογίζεται η θερμότητα που απορροφάται ή απορρίπτεται, αλλά και το έργο που παράγεται ή καταναλίσκεται σε κάθε αλλαγή κατάστασης. Επιπλέον, αναφέρονται και αναλύονται οι δύο βασικοί μέθοδοι θερμοδυναμικής ανάλυσης που θα χρησιμοποιηθούν και στη συνέχεια της εργασίας. Προηγείται η Ισοθερμοκρασιακή και ακολουθεί η πιο σύνθετη Αδιαβατική Ανάλυση. Στο τρίτο (3ο) Κεφάλαιο αναλύεται αρχικά η λειτουργία του ρομβικού μηχανισμού, ο οποίος χρησιμοποιείται στην μηχανή GPU-3 της General Motors. Στη συνέχεια γίνεται δυναμική ανάλυση στις μηχανές Stirling ελεύθερων εμβόλων. Στις μηχανές αυτές, η κίνηση του εμβόλου και του εκτοπιστή δεν ρυθμίζεται μέσω κινηματικών μηχανισμών, αλλά καθορίζεται από τις συνθήκες (πίεση-θερμοκρασία) του αερίου εντός της μηχανής. Στο τέταρτο (4ο) Κεφάλαιο αναφέρονται και αναλύονται οι τύποι των μηχανώ Stirling, αλλά και τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκεύη τους. Επίσης, αναφέρονται τα ρευστά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εργαζόμενο μέσο μιας μηχανής Stirling, μαζί με τα χαρακτηριστικά τους. Περιγράφεται τέλος ο τρόπος επιλογής του εργαζόμενου μέσου ανάλογα και τις συνθήκες λειτουργίας της μηχανής. Στο πέμπτο (5ο) Κεφάλαιο περιγράφεται μια μηχανή Stirling η οποία κατασκευάσθηκε στο Πανεπιστήμιο του Ικονίου στην Τουρκία και εξετάσθηκε πειραματικά, αλλά και με τη χρήση υπολογιστικών μεθόδων από Τούρκους ερευνητές. Στην αρχή του Κεφαλαίου αυτού αναφέρονται τα πειραματικά αποτελέσματα. Στη συνέχεια περιγράφεται ο υπολογιστικός κώδικας που αναπτύχθηκε για τη συγκεκριμένη μηχανή και γίνεται η επεξήγηση των αποτελεσμάτων, τα οποία είναι σχετικά με την iii ταχύτητα του αερίου στους εναλλάκτες, τη θερμοκρασία του και τους συντελεστές σχετικά με την μεταφορά θερμότητας στα ίδια σημεία. Στο έκτο (6ο) Κεφάλαιο η ίδια μηχανή μελετάται με τη χρήση του λογισμικού Mathcad 15 και κώδικα ο οποίος έχει αναπτυχθεί εντός της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου (κώδικας ROBOAN). Αρχικά χρησιμοποιείται η απλούστερη μέθοδος προσομοίωσης, η ισοθερμοκρασιακή ανάλυση και στη συνέχεια γίνεται η αδιαβατική ανάλυση της μηχανής. Τα αποτελέσματα σχετικά με την παραγόμενη ισχύ και την απόδοση της μηχανής συγκρίνονται με τα αντίστοιχα πειραματικά. Επιπλέον, παρουσιάζεται με χρήση διαγραμμάτων η μεταβολή μεγεθών όπως οι ιδιότητες του αερίου (πίεση, θερμοκρασία), η παροχή μάζας, η μάζα του αερίου στους χώρους της μηχανής και τα ενεργειακά μεγέθη (έργο, προσδιδόμενη και απορριπτόμενη ενέργεια). Έτσι γίνεται πιο κατανοητή η λειτουργίας μιας μηχανής Stirling. Τέλος, παρουσιάζεται η μεταβολή της ταχύτητας του αερίου στους εναλλάκτες και συγκρίνεται με τα αντίστοιχα αποτελέσματα της πειραματικής μηχανής για ίδιες συνθήκες. Από το κεφάλαιο αυτό προκύπτει πως ο κώδικας ROBOAN είναι σε θέση να περιγράψει ικανοποιητικά την μεταβολή σημαντικών ιδιοτήτων του αερίου και έτσι να δώσει μια καθαρή εικόνα σχετικά με τη λειτουργία της μηχανής. Από την άλλη, στην απλή μορφή του παραλείπει σχεδόν όλα τα είδη απωλειών ενέργειας και έτσι η παραγόμενη ισχύς του αερίου υπερεκτιμάται. Στο έβδομο (7ο) και τελευταίο Κεφαλαίο γίνεται μια παραμετρική μελέτη στην μηχανή Stirling με βάση τον κώδικα ROBOAN και την αδιαβατική ανάλυση. Επιλέγονται κάποιοι παράγοντες (θερμοκρασία του αερίου στο θερμαντήρα και το ψύκτη, ταχύτητα περιστροφής της μηχανής, μέση πίεση του εργαζόμενου μέσου, είδος του εργαζόμενου μέσου και ποσότητα των νεκρών όγκων) και εξετάζεται η επιρροή τους στην παραγόμενη ισχύ και το βαθμό απόδοσης της μηχανής. Τα σημαντικότερα στοιχεία που προκύπτουν είναι πως η απόδοση της μηχανής βελτιώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας του αερίου στο θερμαντήρα, την μείωση της θερμοκρασίας του αερίου στο ψύκτη και την όσο το δυνατόν μείωση των νεκρών όγκων. Με βάση τον κώδικα ROBOAN, η ταχύτητα περιστροφής επηρεάζει μόνο την παραγόμενη ισχύ ενώ η μέση πίεση του αερίου είναι ανάλογη του έργου και των θερμοτήτων που προσφέρονται στον κινητήρα Stirling και απορρίπτονται από αυτόν. Εξετάσθηκε τέλος, η επίδραση αυτών των παραγόντων στην ταχύτητα του αερίου στους εναλλάκτες. Με βάση τα αποτελέσματα του κώδικα, το αέριο κινείται γρηγορότερα για μεγαλύτερες ταχύτητες περιστροφές και για μικρότερους νεκρούς όγκους. Οι άλλοι παράγοντες είτε είχαν μικρή επίδραση (θερμοκρασία στους χώρους θέρμανσης και ψύξης), είτε δεν προκάλεσαν καμία αλλαγή (μέση πίεση αερίου).