Beta tipi bir Stirling motorunun tasarımı imalatı ve performans analizleri
Design, manufacturing and performance analyses of beta type a Stirling engine
Yazar: DERVİŞ EROL
Danışman: DOÇ. DR. SİNAN ÇALIŞKAN
Hitit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada 365 cm3 süpürme hacmine sahip rhombic hareket iletim mekanizmalı beta tipi bir Stirling motorunun tasarımı, analizleri ve imalatı yapılmıştır. Bu kapsamda rhombic hareket iletim mekanizmalı beta tipi bir Stirling motorunun kinematik ve termodinamik analizleri Fortran programında sayısal olarak incelenmiştir. Rhombic hareket iletim mekanizmalı motorun krank açısına bağlı olarak hacim ve basınç değişimleri Gustav Schmidt tarafından geliştirilen izotermal analiz metodu kullanılarak yapılmıştır. İş akışkanı kütlesi, şarj basıncı, ısıtıcı ve soğutucu sıcaklığı gibi motor performansı ile ilgili temel parametrelerin; net iş miktarı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Deneysel çalışmalarda iş akışkanı olarak hava, argon, karbondioksit, helyum ve nitrojen olmak üzere beş farklı gaz kullanılmıştır. Bu tüm iş akışkanları; paslanmaz çelik ve titanyum malzemeli iki farklı yer değiştirme pistonları için 1, 2, 3, 4 ve 5 bar şarj basınçlarında motor performans karakteristikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir.  İmalatı yapılan Stirling motorunun, özel olarak tasarımı yapılan elektrikli ısıtıcı kullanılarak 727 °C (± 10 °C) sıcak uç ve 27 °C (± 5 °C) soğuk uç sıcaklığında motor devrine bağlı olarak motor performans testleri yapılmıştır. Tüm deneysel çalışmalar içerisinde ki maksimum motor gücü; paslanmaz çelik yer değiştirme pistonu ve helyum gazının iş akışkanı olarak kullanıldığında, 4 bar şarj basıncında 550 d/d motor devrinde 215,48 W, maksimum motor tork değeri ise 5 bar şarj basıncında 150 d/d motor devrinde 7,54 Nm olarak elde edilmiştir. Maksimum motor güçleri içerisinde ki en düşük motor gücü; titanyum malzemeli yer değiştirme pistonu kullanılarak 3 bar basınçta 300 d/d motor devrinde argon gazının iş akışkanı olarak kullanıldığında 34,66 W olarak elde edilmiştir. Yapılan tüm deneysel çalışmalar içerisinde en verimli performans değerleri paslanmaz çelik malzemeli yer değiştirme pistonu ve helyum gazının iş akışkanı olarak kullanıldığında elde edilmiştir. Nitrojen dışındaki tüm iş akışkanlarında paslanmaz çelik malzemeli yer değiştirme pistonu, titanyum malzemeli olana göre daha iyi performans göstermiştir. Paslanmaz çelik malzemeli yer değiştirme pistonu ve helyum gazı ile yapılan deneysel çalışmalarda elde edilen maksimum motor gücü; nitrojen, hava, karbondioksit ve argon gazlarından elde edilen güçlerden sırasıyla %72,12; %73,69; %241,49 ve %288,81 daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca performans testlerinde ölçülen sıcaklık, basınç, devir ve tork değerleri kullanılarak enerji ve ekserji analizleri gerçekleştirilmiştir.  Ekserji analizi sonucunda paslanmaz çelik malzemeli yer değiştirme pistonunda 4 bar şarj basıncı 550 d/d motor devrinde helyum gazı en iyi performası göstermiştir. Bu şartlarda helyum iş akışkanında termodinamik analizlerde 0,3726 W/K entropi üretimi ve 195,53 W yok olan ekserji hesaplanmıştır. Ayrıca aynı şartlarda helyum gazı en yüksek verim değerleri olan %48,04 ısıl verim, %56,54 ekserji verimi ve %69,2 Carnot verimi sağlamıştır. En düşük ekserjetik performans argonun iş akışkanı olarak kullanıldığı titanyum malzemeli yer değiştirme pistonunda ortaya çıkmıştır.

Abstract:
In this study, a beta-type Stirling engine with rhombic drive mechanism with 365 cm3 swept volume was designed and manufactured. In this context, the kinematic and thermodynamic analyses of a beta-type Stirling engine with rhombic drive mechanism were examined numerically in the Fortran program. Volume and pressure changes depending on the crank angle of the engine with rhombic drive mechanism were made using the isothermal analysis method developed by Gustav Schmidt. The effects of the basic parameters related to engine performance, such as working fluid mass, charge pressure, heater and coolant temperatures, on the net work amount were investigated. Five different gases, including helium, air, nitrogen, carbon dioxide, and argon were used as a working fluid in experimental studies. The effects of all these working fluids on engine performance characteristics were examined at charge pressures of 1, 2, 3, 4, and 5 bar for two different displacer pistons made of stainless steel and titanium material. The performance characteristics of the manufactured Stirling engine were tested by using the specially designed electrical heater, at 727 °C (± 10 °C) hot end and 27 °C (± 5 °C) cold end temperature, depending on engine speed. In all experimental studies, the maximum engine power was obtained to be 215.48 W at a charge pressure of 4 bar and an engine speed of 550 rpm when a stainless steel displacer piston and helium gas as a working fluid were used, and the maximum engine torque value was obtained to be 7.54 Nm at a charge pressure of 5 bar and an engine speed of 150 rpm. The lowest engine power among the maximum engine powers was obtained to be 34.66 W when argon gas was used as working fluid at pressure of 3 bar and an engine speed of 300 rpm, using a displacer piston made of titanium material. The most efficient performance values among all the experimental studies conducted were obtained when displacer piston made of stainless steel and helium gas as a working fluid were used. In all working fluids except for nitrogen, displacer piston with stainless steel material performed better performance than displacer piston with titanium material. The maximum engine power obtained in the experimental studies with the stainless steel material displacer piston and helium; It was determined that it is 72.12%, 73.69%, 241.49% and 288.81% more than the powers obtained by nitrogen, air, carbon dioxide and argon gases, respectively. Energy and exergy analyses were carried out using the temperature, pressure, speed, and torque values measured in the performance tests. As a result of the exergy analysis, helium gas performed the best in the stainless steel displacer piston at a charge pressure of 4 bar and an engine speed of 550 rpm. Under the said conditions, 0.3726 W/K entropy production and 195.53 W destroyed exergy were calculated in the thermodynamic analysis in the helium working fluid. Furthermore, under the same conditions, helium gas achieved the highest efficiency values of 48.04% for thermal efficiency, 56.54% for exergy efficiency, and 69.2% for Carnot efficiency. The lowest exergetic performance was revealed in the titanium displacer piston when argon was used as working fluid.