Rejeneratörlü beta tipi rhombic hareket mekanizmalı bir Stirling motorunun performans testleri
The performance tests of a beta type rhombic drive Stirling engine with regenerator
Yazar: MUHAMMED ARSLAN
Danışman: DOÇ. DR. FATİH AKSOY
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Alternatif enerji = Alternative energy ; Enerji = Energy ; Güç testleri = Performance tests ; Rombik mekanizması = Rhombic mechanism ; Stirling motoru = Stirling engine

Özet:
Bu tezde, beta tipi rhombic hareket mekanizmalı bir Stirling motorunun tasarımı, imalatı ve performans testleri gerçekleştirilmiştir. Rhombic hareket mekanizmasında helisel dişli kullanımı ve krank milleri üzerinde dişlilerin çift taraflı yataklanması ile mekanik kayıpların azaltılması amaçlanmıştır. Isıl kazanç sağlamak amacı ile sıcak ve soğuk uçlar arasına rejeneratör yerleştirilmiştir. Basınç ve ölü hacim kayıplarını azaltmak için boru bağlantısız rejeneratör tasarımı gerçekleştirilmiştir. 

Rhombic hareket mekanizmalı motorun termodinamik analizi nodal analiz metodu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Rhombic biyel uzunluğunun motor performansına etkisi farklı ısı taşınım katsayıları için incelenmiştir. 

Motorda ısıtıcı, soğutucu ve rejeneratör ile çift yataklı rhombic hareket iletim mekanizmasının motor momenti ve motor gücü üzerindeki etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Rejeneratörsüz ve rejeneratörlü olmak üzere iki yerdeğiştirme silindiri tasarlanmış, motor karakteristikleri farklı şarj basınçları ve sıcak uç sıcaklıkları için belirlenmiştir. Rejeneratörsüz rhombic hareket mekanizmalı Stirling motorunda helyum kullanılarak yapılan ve sıcak uç sıcaklığı 800 °C, şarj basıncı 4 bar olan deney koşullarında maksimum motor momenti 565 dev/dk motor devrinde 18,5 Nm ve maksimum motor gücü ise 732 dev/dk motor devrinde 1214 W olarak elde edilmiştir. Rejeneratörün etkisini incelemek için yeni bir silindir mekanizması tasarlanmış ve hacimleri 60 cm3 (rejeneratör - I) ve 120 cm3 (rejeneratör - II) olan iki farklı rejeneratör  
hacmi belirlenmiştir. Her iki rejeneratörün doluluk oranı %15 olarak seçilmiştir. Her iki rejeneratör hacminde çapları 0,15 mm olan paslanmaz çelik tel hasır dokuma şeklinde sarılmış malzeme %15 doluluk oranında kullanılmıştır. Farklı rejeneratör hacimleri (rejeneratörsüz, rejeneratör-I ve rejeneratör-II) için 800 °C sıcak uç sıcaklığı ve çalışma maddesi helyum kullanılarak testler yapılmıştır. Deneylerde maksimum motor momenti ve gücü rejeneratör-I kullanılarak 5 bar şarj basıncında sırası ile 741 dev/dk motor devrinde 26,11 Nm ve  1099 dev/dk  motor devrinde 2353 W olarak elde edilmiştir. Rejeneratör kullanımı ile motor gücünde %28,53'lük bir artış elde edilmiştir. 

Anahtar Kelimeler: Rhombic hareket mekanizması, Stirling motoru, Rejeneratör

Abstract:
In this thesis, a beta type Stirling engine with rhombic drive mechanism was designed, manufactured and tested. By bearing the gears from both side on the crankshaft and using helical gears in the rhombic drive mechanism, the reduction of frictional losses was accomplished. A regenerator was placed between the hot and cold ends to provide heat gain. In the regenerator, pipe connection was not used between the cold and hot end to decrease pressure and dead volume losses.          

Thermodynamic analysis of the rhombic driven engine was performed using nodal analysis method. The effects of rhombus length on the performance of the engine was realized for different heat transfer coefficients. 

In the engine, the effects of heater, cooler, regenerator and double-side bearing rhombic drive mechanism on the engine torque and power were experimentally investigated. Two different displacers cylinder were designed. One of them was designed without regenerator. The other was designed as a regenerative displacer cylinder. Engine characteristics were determined for different charge pressures and hot end temperatures. Maximum engine torque was obtained as 18,5 Nm at 565 rpm engine speed and the maximum engine power was obtained as 1214 W at 732 rpm engine speed, at working conditions of 800 ºC hot end temperature, 4 bar charge pressure by using helium as working fluid in the cylinder without regenerator. Two different regenerators were designed to investigate the effects of the regenerator volume on the engine performance. The volumes of the regenerators were determined as 60 cc (regenerator - I) and 120 cc (regenerator - II). Porosity ratio of the regenerators were determined as 15%. Stainless steel wires having a diameter of 0,15 mm was meshed as a woven straw and used as a regenerator material. The experiments were performed using different regenerators (for no regenerator, regenerator – I and regenerator - II) at 800 ºC hot end temperature using helium. The results were compared with the tests of the cylinder without regenerator. Maximum engine torque was obtained as 26,11 Nm at 741 rpm engine speed and the maximum engine power was obtained as 2353 W at 1099 rpm engine speed, at 5 bars helium charge pressure with regenerator – I. The engine power was increased by 28,53 % using the regenerator.  

Key Words: Rhombic drive mechanism, Stirling engine, Regenerator