Βελτιστοποίηση μηχανής stirling και του αναγεννητή της
Authors: Αντωνάκος Γεώργιος 
Published: August 2021

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η εμβάθυνση στην ανάλυση των μηχανών Stirling και του αναγεννητή τους. Προς τούτο αναπτύχθηκε σύνθετο θερμοδυναμικό μοντέλο προσομοίωσης της συμπεριφοράς των θερμοκινητήρων Stirling, το SETAM-NTUA (Stirling Engine Thermodynamic Analysis Model - NTUA). Με βάση το μοντέλο αυτό κατασκευάστηκε υπολογιστικός κώδικας SETAC-NTUA σε περιβάλλον Mathcad, με το οποίο αναλύθηκε η συμπεριφορά των πιο γνωστών μηχανών Stirling. Προσδιορίστηκαν τα βέλτιστα λειτουργικά χαρακτηριστικά τους σε περιοχή βέλτιστης λειτουργίας του αναγεννητή.Για ταχείς και σχετικά απλούς υπολογισμούς εξελίχθηκε το κλασσικό αδιαβατικό μοντέλο ανάλυσης των μηχανών Stirling. Με το εξελιγμένο αδιαβατικό μοντέλο αίρονται πολλοί από τους περιορισμούς του κλασσικού αδιαβατικού μοντέλου, που αναπτύχθηκε στα πλαίσια προηγούμενης Διδακτορικής Διατριβής από τον Δρ Νικόλαο Μπορμπιλά στο εργαστήριο εφαρμοσμένης θερμοδυναμικής της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π.. Κατασκευάστηκε επίσης υπολογιστικός κώδικας για την αξιοποίηση του.Ως προς τη βελτιστοποίηση της θερμοδυναμικής ανάλυσης των μηχανών Stirling, μελετήθηκαν τα αίτια που επηρεάζουν τη θερμοκρασία του εργαζόμενου μέσου.Διερευνήθηκαν τα φαινόμενα μετάδοσης θερμότητας μεταξύ εργαζόμενου μέσου και τοιχωμάτων. Μελετήθηκαν οι συνθήκες ροής του εργαζόμενου μέσου στους χώρους της μηχανής, ειδικά μέσω του πλέγματος του αναγεννητή. υπολογίστηκαν οι απώλειες θερμικής αγωγιμότητας στα διάφορά μέρη της μηχανής και οι απώλειες θερμότητας λόγω της παλινδρομικής κίνησης του εκτοπιστή. Διερευνήθηκε η διαρροή εργαζόμενου μέσου μεταξύ του χώρου συμπίεσης και χώρου απόσβεσης και υπολογίστηκε η επίδραση της λειτουργίας του τελευταίου στην απόδοση της μηχανής. Επίσης μελετήθηκε η διάχυση της ενέργειας σε ευρύ φάσμα συνθηκών λειτουργίας.Ως προς τη βελτιστοποίηση του αναγεννητή, μελετήθηκε αποδοτικότητα του συναρτήσει των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του, όπως το πορώδες και η διάμετρος του νήματος. Επίσης διερευνήθηκε η σχέση αποδοτικότητας του αναγεννητή και απόδοσης της μηχανής. Προσδιορίσθηκε βέλτιστος συνδυασμός των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του αναγεννητή που οδηγεί σε ταυτόχρονα υψηλή αποδοτικότητας αναγεννητή και υψηλής απόδοσης της μηχανής.Η αξιοπιστία των υπολογιστικών κωδίκων δοκιμάσθηκε σε σχέση πειραματικά και ανάλογα υπολογιστικά αποτελέσματα για τις μηχανές GPU-3 και PHILIPS, των αναγνωρισμένων ερευνητικών κέντρων: Lewis Research Center – NASA, Research Laboratories of N. V. Philips Oak Research CenterΤο πειραματικό μέρος της εργασίας αφορά μετρήσεις στη μηχανή Solo Stirling 161V η οποία εγκαταστάθηκε το 2010 στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π.. Πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε όλο το φάσμα λειτουργίας της μηχανής και μελετήθηκε η ενεργειακή απόδοση της μονάδας. Πραγματοποιήθηκαν αντιστοιχίσεις των αποτελεσμάτων των προαναφερθέντων υπολογιστικών μοντέλων με τα αντίστοιχα πειραματικά.Για τη μελέτη των κινηματικών μηχανισμών και της διερεύνησης της επίδρασής τους στην απόδοση των μηχανών Stirling, χρησιμοποιήθηκε η μεθοδολογία ανάλυσης του κινηματικού μηχανισμού ρομβικού τύπου που χρησιμοποίησε ο Meijer στη διδακτορική του διατριβή. Υπολογίσθηκαν οι απώλειες ενέργειας λόγω τριβών και αδράνειας σε όλο το φάσμα των στροφών και των επιπέδων μέσης πίεσης της μηχανής. Μελετήθηκε η απόκλιση τηςστιγμιαίας γωνιακής ταχύτητας και της γωνίας στροφάλου από την αντίστοιχη θεωρητική τιμή τους.