Σχεδίαση και υπολογιστική προσομοίωση πρότυπης μηχανής Stirling – Ανάλυση της ροής στον αναγεννητή και παραμετρική μελέτη.

Μπίτσικας, Παναγιώτης; Bitsikas, Panagiotis

dc.contributor.author	Μπίτσικας, Παναγιώτης	el
dc.contributor.author	Bitsikas, Panagiotis	en
dc.date.accessioned	2022-07-20T07:37:52Z
dc.date.available	2022-07-20T07:37:52Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/55431
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23129
dc.rights	Default License
dc.subject	Μηχανή Stirling	el
dc.subject	Υπολογιστική Ρευστομηχανική	el
dc.subject	Παραγωγή ενέργειας	el
dc.subject	Παραμετρική μελέτη	el
dc.subject	Αναγεννητής	el
dc.subject	Stirling Engine	en
dc.subject	Computational Fluid Dynamics	en
dc.subject	Parametric Study	en
dc.subject	Energy Production	en
dc.subject	Regenerator	en
dc.title	Σχεδίαση και υπολογιστική προσομοίωση πρότυπης μηχανής Stirling – Ανάλυση της ροής στον αναγεννητή και παραμετρική μελέτη.	el
dc.contributor.department	Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Θερμοδυναμική	el
heal.classification	Παραγωγή ενέργειας	el
heal.classification	Υπολογιστική Ρευστομηχανική	el
heal.classification	Μηχανική Ρευστών	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-02-11
heal.abstract	Οι μηχανές Stirling είναι μηχανές εξωτερικής καύσης οι οποίες εφευρέθηκαν πριν από περισσότερο από δύο αιώνες, αλλά η ανάγκη για επίτευξη υψηλών θερμοκρασιών και πιέσεων εμπόδισε την ανάπτυξή τους. Κατά τις τελευταίες δεκαετίες έχει αναθερμανθεί το ερευνητικό ενδιαφέρον σχετικά με τις μηχανές Stirling, οι οποίες λειτουργούν είτε ως κινητήρες για παραγωγή έργου είτε ως ψυκτικές μηχανές. Η εργοπαραγωγός μηχανή Stirling περιλαμβάνει πέντε χώρους. Η συμπίεση και η εκτόνωση του αερίου πραγματοποιείται αντίστοιχα στον χώρο συμπίεσης, υπό χαμηλή θερμοκρασία, και στον χώρο εκτόνωσης, υπό υψηλή θερμοκρασία. Η μηχανή προσλαμβάνει θερμότητα από εξωτερική πηγή μέσω του θερμαντήρα και αποβάλλει θερμότητα προς το περιβάλλον μέσω του ψύκτη. Τέλος, ο αναγεννητής βρίσκεται ανάμεσα στον θερμαντήρα και τον ψύκτη και μέσω του μεταλλικού πλέγματος που διαθέτει, λειτουργεί ως ένας εσωτερικός εναλλάκτης στον οποίον αποθηκεύεται θερμότητα. Στο πλαίσιο της διατριβής σχεδιάσθηκε πρότυπη μηχανή Stirling β-τύπου, η οποία βασίζεται στην εργοπαραγωγό μηχανή Stirling GPU-3 της General Motors. Η πρότυπη μηχανή προσομοιώθηκε σε υπολογιστικό περιβάλλον (CFD) με χρήση του λογισμικού ANSYS Fluent. Η μελέτη ενεργειακών συστημάτων με χρήση υπολογιστικών μεθόδων παρέχει πληροφορίες σχετικά με στοιχεία της λειτουργίας τους, τα οποία δεν μπορούν να μελετηθούν από τα υπάρχοντα αναλυτικά μοντέλα. Οι ρυθμίσεις της προσομοίωσης προσέγγισαν σε μεγάλο βαθμό τη λειτουργία μιας πραγματικής μηχανής. Η προσομοιωμένη πρότυπη μηχανή λειτουργεί με Ήλιο και με ταχύτητα περιστροφής ίση με 2500 rpm. Η μέση πίεση της μηχανής είναι ίση με 45 bar, ενώ η πρόσληψη και η απόρριψη θερμότητας λαμβάνουν χώρα σε θερμοκρασίες ίσες με 977 και 288 K αντίστοιχα. Στην εργασία παρουσιάζεται αρχικά η χρονική μεταβολή των βασικών ιδιοτήτων του εργαζόμενου μέσου. Στη συνέχεια, δίνεται έμφαση στη μελέτη φαινομένων όπως η ύπαρξη χρονικών διαστημάτων κατά τα οποία η κατεύθυνση του αερίου δεν είναι ομοιόμορφη σε ολόκληρη την μηχανή, η πτώση πίεσης στα όρια του αναγεννητή, η ταχύτητα του αερίου εντός της μηχανής και η χωρική κατανομή της θερμοκρασίας του αερίου στους εναλλάκτες. Από τη μελέτη της θερμοκρασιακής κατανομής προέκυψε πως είναι προτιμότερη η μελέτη των εναλλακτών θερμότητας σε επιμέρους τμήματα. Πραγματοποιήθηκε σύγκριση της πτώσης πίεσης στους εναλλάκτες θερμότητας υπό σταθερή και παλινδρομική ροή. Εξετάσθηκε η μεταφορά θερμότητας στους εναλλάκτες της μηχανής. Οι συσχετίσεις που προέκυψαν συγκρίθηκαν επιτυχώς με ευρέως χρησιμοποιούμενες θεωρητικές συσχετίσεις. Κατά την προσομοίωση, υπήρχαν πηγές απωλειών θερμότητας και έργου οι οποίες δεν συμπεριλήφθηκαν για λόγους απλοποίησης. Οι απώλειες αυτές υπολογίζονται επιπλέον βάσει των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης. Η πρότυπη μηχανή παράγει ισχύ ίση με 4.99 kW, ενώ ο ενδεικνύμενος και ο τελικός βαθμός απόδοσής της είναι ίσοι με 40.3 % και 33.8% αντίστοιχα. Το ενδεικνύμενο και το παραγόμενο έργο ανά κύκλο λειτουργίας είναι ίσα με 143 και 119.7 J, ενώ η προσδιδόμενη θερμότητα είναι ίση με 354.7 J. Ο τελικός βαθμός απόδοσης της πρότυπης μηχανής και οι επιμέρους λόγοι των απωλειών θερμότητας συγκρίνονται επιτυχώς με δημοσιευμένα αποτελέσματα της μηχανής GM GPU-3. Πριν τη σύγκριση, πραγματοποιήθηκε αναγωγή της γεωμετρίας της πρότυπης μηχανής στη γεωμετρία της GM GPU-3. Η παραγόμενη ισχύς της πρότυπης μηχανής με αναγωγή στη γεωμετρία της GM GPU-3 είναι ίση με 4.7 kW. Το ενδεικνύμενο και το παραγόμενο έργο είναι ίσα με 136 και 112.7 J αντίστοιχα. Η θερμότητα που προσδίδεται στην μηχανή είναι ίση με 350.7 J, αντιστοιχώντας σε ισχύ ίση με 14.62 kW. Ο ενδεικνύμενος βαθμός απόδοσης της προσομοιωμένης πρότυπης μηχανής είναι ίσος με 38.8%, κατά 3.8% μεγαλύτερος από τον πειραματικό ενδεικνύμενο βαθμό απόδοσης της GM GPU-3 (35%). Η σχετική απόκλιση μεταξύ των βαθμών απόδοσης είναι κάτω από 10% και θεωρείται μικρή. Πιθανώς οφείλεται στον μη υπολογισμό κάποιων επιπλέον πηγών απωλειών θερμότητας. Οι απώλειες θερμότητας της μηχανής αντιστοιχούν στο 16.6% της συνολικά προσδιδόμενης θερμότητας. Η τιμή αυτή βρίσκεται εντός του προτεινόμενου εύρους για την GM GPU-3. Η πειραματικά παραγόμενη ισχύς της GM GPU-3 είναι ίση με 3.96 kW, κατά 15% χαμηλότερη σε σχέση με την παραγόμενη ισχύ που προέκυψε κατά την προσομοίωση μετά την αναγωγή στη γεωμετρία της GM GPU-3. Ένα τμήμα της απόκλισης αυτής θεωρείται πως οφείλεται στον υπολογισμό μικρότερων απωλειών έργου στον κινηματικό μηχανισμό της μηχανής. Θεωρείται όμως πως υπάρχουν πηγές απωλειών έργου οι οποίες δεν υπολογίσθηκαν κατά την έρευνα. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στις ιδιότητες του εργαζόμενου μέσου στον αναγεννητή της μηχανής. Μελετήθηκε η αξονική μεταβολή της θερμοκρασίας του αερίου και του μεταλλικού πλέγματος, της μεταφοράς θερμότητας, της πτώσης πίεσης και της ταχύτητας του εργαζόμενου μέσου. Προέκυψαν χωρο-χρονικές εξισώσεις, οι οποίες υπολογίζουν με ικανοποιητική ακρίβεια την τιμή κάθε μεγέθους για οποιαδήποτε χρονική στιγμή ή θέση εντός του αναγεννητή. Οι εξισώσεις αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα αναλυτικό μοντέλο μελέτης μηχανών Stirling ώστε να βελτιώσουν την ακρίβειά του. Επεκτάθηκε το υπάρχον αναλυτικό αδιαβατικό μοντέλο δεύτερης τάξης, ώστε να συμπεριλάβει φαινόμενα όπως οι εντοπισμένες απώλειες πίεσης, οι απώλειες θερμότητας και οι απώλειες έργου στον κινηματικό μηχανισμό της μηχανής. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από το αναλυτικό μοντέλο για την πρότυπη μηχανή ήταν σε συμφωνία με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Η σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων πιστοποίησε την εγκυρότητα του αναλυτικού μοντέλου. Στο τελευταίο κομμάτι της εργασίας παρουσιάζεται η παραμετρική μελέτη της πρότυπης μηχανής με χρήση υπολογιστικών μεθόδων (CFD). Μελετήθηκε η επίδραση λειτουργικών και γεωμετρικών παραμέτρων, όπως η ταχύτητα περιστροφής, η πίεση λειτουργίας, οι γεωμετρικές παράμετροι του αναγεννητή και οι θερμοκρασίες του θερμαντήρα και του ψύκτη της μηχανής. Δοκιμάσθηκε ένα μεγάλο εύρος τιμών για κάθε παράμετρο και προέκυψε μια σαφής εικόνα για τα όρια λειτουργίας της μηχανής. Εκτός από την απόδοση της μηχανής, εξετάσθηκε η επίδραση επιλεγμένων παραμέτρων στην κατανομή της θερμοκρασίας στους εναλλάκτες της μηχανής, την πτώση της πίεσης και την μεταφορά θερμότητας. Τέλος, συσχετίσθηκε το έργο και η απαιτούμενη θερμότητα με κάθε παράμετρο που μελετήθηκε. Η σύγκλιση μεταξύ των συσχετίσεων και των αποτελεσμάτων ήταν ικανοποιητική, παρέχοντας τη δυνατότητα για μια σαφή εκτίμηση της ισχύος και της απόδοσης της μηχανής σε όλο το εύρος τιμών των επιλεγμένων παραμέτρων που δοκιμάσθηκαν. Η μελέτη αυτή μπορεί να αποτελέσει τη βάση για μια πολυπαραμετρική ανάλυση της πρότυπης μηχανής στο μέλλον. Σχετικά με πιθανή μελλοντική έρευνα βασισμένη στην παρούσα εργασία, προτείνεται η τροποποίηση της γεωμετρίας της μηχανής σε επιλεγμένα σημεία για τη βελτίωση της απόδοσής της, καθώς και ο διαχωρισμός των εναλλακτών θερμότητας σε επιμέρους τμήματα. Προτείνεται επίσης η εκτέλεση της παραμετρικής μελέτης σε μικρότερο εύρος των παραμέτρων, ώστε να εντοπισθεί το βέλτιστο σημείο λειτουργίας της πρότυπης μηχανής ως προς την παραγόμενη ισχύ και την απόδοσή της.	el
heal.sponsor	Χορηγήθηκε υποτροφία από τον Ειδικό Λογαριασμό Κονδυλίων και Έρευνας (ΕΛΚΕ) ΕΜΠ για διάρκεια τριών ετών	el
heal.advisorName	Ρογδάκης, Εμμανουήλ
heal.committeeMemberName	Κορωνάκη, Ειρήνη
heal.committeeMemberName	Χουντάλας, Δημήτριος
heal.committeeMemberName	Καρέλλας, Σωτήριος
heal.committeeMemberName	Σαγιά, Αθηνά
heal.committeeMemberName	Γιακουμής, Ευάγγελος
heal.committeeMemberName	Τζιβανίδης, Χρήστος
heal.academicPublisher	Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	411
heal.fullTextAvailability	false