Σχεδίαση και υπολογιστική προσομοίωση πρότυπης μηχανής Stirling: ανάλυση της ροής στον αναγεννητή και παραμετρική μελέτη

Abstract

Stirling engines are external combustion engines whose development was initially hindered by the need to achieve high temperatures and pressures to attain competitive efficiency. In recent years, research on these engines has resurged, as they can operate both as engines and refrigeration machines. In this dissertation, a prototype beta-type Stirling engine was designed and computationally simulated. The studied engine is based on the General Motors GPU-3 engine. The engine uses helium as the working fluid, with key operating parameters including mean pressure (45 bar), rotational speed (2500 rpm), and heat intake and rejection temperatures (977 K and 288 K, respectively). The simulation was conducted using ANSYS Fluent software. Special emphasis was placed on the regenerator, a crucial component for the engine's efficiency. The regenerator operates as an internal heat exchanger, storing heat during the gas flow toward the cooler and releasing it during the return flow toward the heater. The analysis also focused on the temporal variations of the gas properties, the flow within the engine, pressure losses, and the temperature distribution in the heat exchangers and the regenerator. Specifically, for the regenerator, the study examined the spatial and temporal temperature variations of both the gas and the regenerator’s metallic mesh, the pressure drop across it, and its overall impact on engine efficiency. Furthermore, the simulation results were compared with published data for the GM GPU-3 engine, demonstrating a small deviation (less than 10%). The prototype engine delivered a power output of 4.99 kW with an efficiency of 33.8%.Additionally, the existing second-order adiabatic 1-D analytical model was extended to incorporate significant phenomena such as localized pressure losses, heat losses, and work losses in the engine's kinematic mechanism. The comparison between the improved model and the simulation results validated its accuracy, indicating that it can be used to enhance the precision of Stirling engine performance calculations. Analytical models often provide a fast and efficient way to study engine behavior. Finally, a parametric study was conducted to assess the influence of operational and geometric parameters on engine performance. The factors examined included rotational speed, operating pressure, heat intake and rejection temperatures, and regenerator design characteristics. The findings of this study provide valuable insights into the operation and design optimization of Stirling engines to enhance their efficiency. Future research based on this dissertation could focus on optimizing the geometry of the engine's internal components, improving regenerator design, and conducting parametric studies within a narrower range of variables to determine the optimal operating point.

Οι μηχανές Stirling είναι μηχανές εξωτερικής καύσης, των οποίων η ανάπτυξη αρχικά εμποδίστηκε λόγω της ανάγκης επίτευξης υψηλών θερμοκρασιών και πιέσεων ώστε να επιτύχουν ανταγωνιστική απόδοση. Τα τελευταία χρόνια, η έρευνα γύρω από αυτές έχει αναθερμανθεί, καθώς μπορούν να λειτουργούν τόσο ως κινητήρες όσο και ως ψυκτικές μηχανές. Στη συγκεκριμένη διατριβή, σχεδιάστηκε και προσομοιώθηκε υπολογιστικά μια πρότυπη μηχανή Stirling β-τύπου, βασισμένη στη μηχανή GPU-3 της General Motors. Η μηχανή χρησιμοποιεί Ήλιο ως εργαζόμενο μέσο, με κρίσιμες παραμέτρους λειτουργίας τη μέση πίεση (45 bar), την ταχύτητα περιστροφής (2500 rpm) και τις θερμοκρασίες πρόσληψης και απόρριψης θερμότητας (977 K και 288 K αντίστοιχα). Η προσομοίωση πραγματοποιήθηκε με το λογισμικό ANSYS Fluent.Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στον αναγεννητή της μηχανής, ο οποίος αποτελεί κρίσιμο στοιχείο για την απόδοσή της. Ο αναγεννητής λειτουργεί ως εσωτερικός εναλλάκτης θερμότητας, αποθηκεύοντας θερμότητα κατά τη ροή του αερίου προς τον ψύκτη και αποδίδοντάς την κατά την επιστροφή του αερίου προς τον θερμαντήρα. Η ανάλυση επικεντρώθηκε επίσης στη χρονική μεταβολή των βασικών ιδιοτήτων του αερίου, τη ροή του εντός της μηχανής, τις απώλειες πίεσης, καθώς και τη θερμοκρασιακή κατανομή στους εναλλάκτες και τον αναγεννητή. Ειδικότερα ως προς τον αναγεννητή, μελετήθηκε η χωρική και χρονική μεταβολή της θερμοκρασίας του αερίου και του μεταλλικού πλέγματος του αναγεννητή, η πτώση πίεσης εντός αυτού και η επίδραση του αναγεννητή στη συνολική απόδοση της μηχανής. Επιπλέον, συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης με δημοσιευμένα δεδομένα της GM GPU-3, καταδεικνύοντας μικρή απόκλιση (κάτω από 10%). Η πρότυπη μηχανή που μελετήθηκε απέδωσε ισχύ 4.99 kW, με βαθμό απόδοσης 33.8%. Παράλληλα, επεκτάθηκε το υπάρχον αναλυτικό αδιαβατικό μοντέλο δεύτερης τάξης (1-D), ώστε να συμπεριλάβει σημαντικά φαινόμενα όπως οι εντοπισμένες απώλειες πίεσης, οι απώλειες θερμότητας και οι απώλειες έργου στον κινηματικό μηχανισμό της μηχανής. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων του βελτιωμένου μοντέλου με τα δεδομένα της προσομοίωσης επιβεβαίωσε την εγκυρότητά του, δείχνοντας ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της ακρίβειας των υπολογισμών στις μηχανές Stirling. Τα αναλυτικά μοντέλα αποτελούν έναν γρήγορο και αποδοτικό τρόπο μελέτης της μηχανής.Τέλος, πραγματοποιήθηκε παραμετρική μελέτη για την επίδραση λειτουργικών και γεωμετρικών παραμέτρων στην απόδοση της μηχανής. Οι παράγοντες που μελετήθηκαν περιλαμβάνουν την ταχύτητα περιστροφής, την πίεση λειτουργίας, τη θερμοκρασία πρόσδοσης και απόρριψης θερμότητας και γεωμετρικά στοιχεία του αναγεννητή. Τα αποτελέσματα της εργασίας παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες για τη λειτουργία και το βελτιστοποιημένο σχεδιασμό της μηχανής Stirling, με στόχο την μεγιστοποίηση της απόδοσής της. Μελλοντική έρευνα που θα είναι βασισμένη στη συγκεκριμένη διατριβή μπορεί να εστιασθεί στη βελτιστοποίηση της γεωμετρίας των επιμέρους χώρων της μηχανής, στη βελτίωση του σχεδιασμού του αναγεννητή και την εκτέλεση της παραμετρικής μελέτης σε μικρότερο εύρος παραμέτρων ώστε να εντοπισθεί το σημείο βέλτιστης λειτουργίας της.