مکاترونیک

1-     مقدمه

موتورهایی که دارای یک ورودی گرمایی خارجی هستند در گذشته به صورت گسترده مورد استفاده قرار نمی‏گرفتند و فقط برای استفاده در موتورهای بخار کاربرد داشتند، اما امروزه باید برخی مشکلات جهانی حل گردد و منابع انرژی جدید جایگزین برای انجام فعالیت‏های مورد نظر یافت شوند. هدف، طراحی یک واحد توان و گرمای ترکیب شده‏ی کوچک است که برای رسیدن به آن باید از موتور استرلینگ کمک گرفت. دست‏یابی به یک موتور استرلینگ ترمودینامیکی مناسب باعث می‏شود تا بتوان وظایف و کارهای بهینه‏سازی بسیار مشکل را انجام داد. طراحی مدل حرارتی بسیار دقیق، از اهمیت بسیار فراوانی برخوردار است. در انجام کار، نمی‏توانیم از حجم زیاد هدر رفته‏ی حرارتی صرف‏نظر کنیم. پس در نتیجه تئوری سیکل‏های ایده‏آل و مناسب کاربردی نیستند. مدل‏های محاسباتی حجم گاز کاری را به 2 یا 3 ناحیه‏ی فرعی تقسیم می‏کنند که دقیق هم نیستند. تقسیم‏بندی موتور به چندین عنصر حجمی باعث می‏شود تا به نتیجه‏ی بهتری دست پیدا کرد. در این مدل ساده‏سازی ویژگی‏های گاز بسیار اندکی وجود دارد. روش محاسباتی ذکر شده در بالا نمی‏تواند به دقت CFD دست پیدا کند. به هر حال این مدل در آینده برای بهینه‏سازی پارامترهای موتور سریع‏تر و مناسب‏تر است.

2-     مشخصات مدل حرارتی

ویژگی‏های مدل موتور استرلینگ توسعه یافته، به شرح زیر است:

-         مدل عددی مورد استفاده قرار گرفته است. این مدل قادر است تا فرایندهای ناپایدار و غیر ساکن را شبیه‏سازی کند.

-         گاز مناسب برای آن دسته از معادلات حالتی که به کار گرفته شده‏اند به عنوان محیط کاری شرح داده می‏شود.

-         نیروهای اینرسی و اصطکاکی در محیط کاری درنظر گرفته نشده‏اند.

-         نشت گاز از قسمت کاری موتور درنظر گرفتهنشده است.

-         هدر رفت فشار به خاطر تعویض گاز کاری حذف گردیده است و گاز مشابهی برای حرارت گاز و به علت اصطکاک نگهداری می‏شود.

-         تاکنون این مدل شامل تولید مجدد حرارت گازی کار نمی‏باشد.

-         موتور به منظور انجام مدل‏سازی فرایندهای حرارتی به عناصر حجمی تقسیم‏بندی می‏شود. شکل 1 را مشاهده نمایید.

3-     سیستم محاسبات عددی این مدل

مدل موتور استرلینگ به وسیله‏ی سیستم چندین معادله‏ی متفاوت غیر خطی و دیگر نسبت‏های جایگزین ارائه شده است. تقسیم‏بندی قانونمند موتور امکان استفاده از سیستم‏های ماتریسی متغیر را فراهم می‏کند. محاسبات اصلی به وسیله‏ی انتگرال عددی همراه با مرحله‏ی زمانی ثابت شده حل می‏گردد [4]. برای محاسبه‏ی برخی از متغیرها ما باید از نتایج به دست آمده در مراحل قبلی استفاده کنیم چرا که اندازه‏ی واقعی هنوز محاسبه نشده است. خطاهای ایجاد شده در این حالت در مرحله‏ی زمانی کوچک و مناسب قابل صرف‏نظر کردن می‏باشد.

سه مسئله‏ی ارتباط داده شده در این محاسبه‏ی تکراری حل گردیده است:

1-عملکرد فشار و حرارت‏های گاز کاری. حجم فشار برای تعیین توان خروجی مورد استفاده قرار می‏گیرد.

2-تعیین جریان گاز کاری در امتداد عناصر گازی-این فرایند با استفاده از سیکل تکراری فرعی حل شده است.

3-در هر مرحله‏ی حل مسائل باید فرایندهای حرارتی را در قسمت‏های جامد شرح دهیم. فعل و انفعال داخلی عناصر بخش‏های جامد به وسیله‏ی روش شبکه‏ی حرارتی حل شده است.

ما یک مدل ژنراتور الکتریکی اضافی دیگر را نیز شرح داده‏ایم. مدل کامل و بی‏عیب و نقص در نرم‏افزارMATLAB به کارگیری می‏شود.

شکل 1 نمونه‏ی کوچک موتور استرلینگ به تفکیک اجزا

1-     نتایج شبیه‏سازی

پارامترهای داخلی با ویژگی‏ها و ابعاد مدل واقعی و کوچک موتور استرلینگ مطابقت دارد. حجم برخی از پارامترها تخمین زده شده است . یعنی ضرایب انتقال حرارت و این پارامترها باید با استفاده از آزمایش تأیید گردند.

شکل 2 ارتباط زمانی گشتاور، دماها و فشار گاز کاری را در دو حرکت میل‏لنگ را نشان می‏دهد. این دماها متعلق به عناصر پایین دیسپلیسر[1]، بالای دیسپلیسرو در سیلندر کاری می‏باشد.

شکل 3 توزیع جریان دما و وزن را برای زاویه‏ی انحراف 198 درجه‏ای میل‏لنگ از نقطه‏ی مرگ بالا نشان می‏دهد (دیسپلیسربالا می‏رود و پیستون پایین می‏آید).