Σύγκριση του υπολογιστικού κώδικα Roboan θερμοδυναμικής μοντελοποίησης μηχανών Stirling με μοντέλο αναπτυχθέν στο πανεπιστήμιο Zonguldak Karaelmas

Γκιρετλή, Ουτκάν; Gkiretli, Outkan

dc.contributor.author	Γκιρετλή, Ουτκάν	el
dc.contributor.author	Gkiretli, Outkan	en
dc.date.accessioned	2018-03-19T10:17:30Z
dc.date.available	2018-03-19T10:17:30Z
dc.date.issued	2018-03-19
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46716
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15297
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Stirling	en
dc.title	Σύγκριση του υπολογιστικού κώδικα Roboan θερμοδυναμικής μοντελοποίησης μηχανών Stirling με μοντέλο αναπτυχθέν στο πανεπιστήμιο Zonguldak Karaelmas	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Θερμοδυναμική	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/818b3f4597347b0748b1c62b91d4188d897dbb07
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-10
heal.abstract	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).	el
heal.abstract	The present Diploma Thesis is consisted of 7 main chapter. The Thesis is focused in the modelling of fluid dynamics, as well as the thermodynamic modelling of a Stirling Engine. A Stirling Engine is generally consisted of a compressor, an expander and a regenator. In the engine are also present two heat exchangers that maintain the temperature of the gas inside the compressor and the expander at the desirable levels. The working fluid is flowing in and towards all these engine spaces and is normally selected between hydrogen, helium and nitrogen (air). The flow of the working gas is achieved with the motion of two moving parts, namely the power piston and the displacer. In the present Thesis, a Stirling Engine that was built and studied experimentally in the Univeristy of Konya, Turkey is examined and simulated. Air was the selected. working fluid of the specific engine. The first (1st) Chapter starts with review over the review and the development of the Stirling Engines, from the time of their invention until now. Moreover, some of the main fields of Stirlign Engine applications are discussed. Specific emphasis is given to the engines powered by renewable energy sources (sun or biomass) as well as to Stirling cryocoolers. In the second (2nd) Chapter of the Thesis, a theoretical thermodynamic analysis of Stirling engines is presented. At that point, the four thermodynamic processes of the Stirling cycle are explained. Moreover, the heat obtained or rejected and the work produced or consumed are defined through equations. Moreover, the two basic methods of thermodynamic analysis that are going to be used in the next Chapters are mentioned and explained. These two methods are the Isothermal Analysis and the more complicated Adiabatic Analysis. In the third (3rd) Chapter, the rhombic drive mechanism is initially explained. This mechanism is used in the GM GPU-3 Stirling Engine, which is a benchmark in the history of Stirling Engines. After that, the function of free-piston Stirling Engines is described. The engines of this type, the motion of the piston and the displacer is not set by driving mechanisms, but is defined by the pressure and temperature of the working gas inside the engine spaces. In the fourth (4th) Chapter, the types of Stirling Engines are mentioned and described, along the materials that are commonly used for the engines’ construction. Moreover, the fluids that can be used as working fluids in Stirlinh Engines are listed, along with their characteristics. Finally, the way of the selection of the right working fluid depending on the engine’s operation is described. In the fifth (5th) Champter, an existing Stirling Engine that was built and tested both experimentally and by computational methods in the University of Konya, Turkey, is described. After the description of the engine the experimental results are discussed. Additionaly, the computer coder code developed for the specific engine is discussed. The code results, which are related to the velocity of working gas inside the engine’s heat exchangers, as well as the gas temperature and the coefficient of heat transfer are illustrated and discussed. v In the sixth (6th) Chapter, the engine described in Chapter 5 is analytically studied with the use of Mathcad 15. The code used (ROBOAN) has been developed in the Laboratory of Thermodynamics of the School of Mechanical Engineering, NTUA. Initially the simpler isothermal anaylsis is used and after that the engine is studied via the adiabatic analysis. The results related to the produced power and the efficiency of the engine coming from those two studies are compared to the experimental ones. Futhermore, the variation of gas properties (pressure, temperature), mass flow rate, mass of working gas inside the engine, as well as the work produced or consumed and the heat transferred to and from the engine are graphically illustrated. By those graphs, the understanding of a real Stirling Engines is enabled. Finally, the variation of working gas velocity in the engine heat exchangers is compared to the experimental results under the same conditions. From this study, it can be concluded that ROBOAN code is able to satisfactorily describe the variation of important properties of the working gas and, as a result, provide a clear insight about the operation of the engine. However, the code omits almost all the types of energy losses and the engine’s power and efficiency are overestimated. Finally, in the seventh (7th) Chapter a parametric study of the engine is conducted, based on ROBOAN code and adiabatic analysis. Specific factors are selected and their influence on the engine’s performance (power and efficiency) is studied. Those factors are gas temperature in heat exchangers, engine’s rotational speed, gas mean pressure, working gas and clearance volume. The main conclusions are that the engine’s performance is improved with the increase of gas temperature in heater, the drop of gas temperature in the cooler of the engine and the reduction of clearance volumes. Based on ROBOAN results, engine’s rotational speed influences only the produced power, while gas mean pressure is proportionate to produced work, as well as the required and the rejected heat. Finally, the influence of these factors in gas velocity inside the heat exchangers is also examined. Base on code results, gas is flowing faster for higher rotational speed and for lower clearance volumes. The rest of the selected factors either had small influence (temperature in heater and cooler) or they didn’t cause any change (gas mean pressure).	en
heal.advisorName	Ρογδάκης, Εμμανουήλ	el
heal.committeeMemberName	Κορωνάκη, Ειρήνη	el
heal.committeeMemberName	Στέγγου - Σαγιά, Αθηνά	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	107 σ.
heal.fullTextAvailability	true