COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC AND HEAT TRANSFER MODELING OF STIRLING ENGINE. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC AND HEAT TRANSFER MODELING OF STIRLING ENGINE) COMPUTATIONAL_FLUID_DYNAMIC_AND_HEAT_TRANSFER_MODELING_OF_STIRLING_ENGINE.pdf - Accepted Version Download (3MB) | Preview

Arabic Abstract

إن الطلب المتزايد للطاقة بالإضافة الى الإرتفاع المستمر لمعدل تلوث الهواء أدى للبحث عن طرق جديد يمكن الإعتماد عليها لإنتاج الطاقة. محرك استيرلنغ يعتبر من أحد هذه الحلول الواعدة لإنتاج الطاقة، وذلك لإمكانية استخدامه لاي نوع من أنواع مصادر الطاقة الحرارية وتحويلها الى طاقة حركية يمكن الإستفادة منها. فمثلاً يمكن ان تُوظف الطاقة الشمسية لتشغيل محرك استيرلنغ وبهذا فإن هذا المحرك يكون ذو فائدة عظيمة للبلدان الغنية بالطاقة الشمسية. تهدف هذه الدراسة الى النمذجة الرياضية لمحرك استيرلنغ بإستخدام حركة تحسيب الموائع ، وذلك سيؤدي للمساعدة في فهم خصائص السريان عن طريق ربط كل من حركة الموائع وانتقال الطاقة الحرارية. تم تضمين انتقال الحرارة بالإشعاع في هذا البحث رغم ان كل البحوث الأُخرى المتعلقة بمحرك استيرلنغ تم تجاهل هذا النوع فيها من انتقال الحرارة. يتكون هذا المحرك من ثلاثة أجزاء رئيسية هي: السخان، المبرد، ومسترجع الحرارة. معظم البحوث المتعلقة بمحرك استيرلنغ تتحدث حول تحسين كفاءة المسترجع الحرارية، ولم يجد كل من السخان والمبرد حظهما الوافر من تلك البحوث، لذلك في هذا البحث تم التركيذ على تحسين أداء السخان والمبرد. بالإضافة الى ذلك فإن البحث سوف يمتد ليحدد أفضل عوامل تشغيلية لمحرك استيرلنغ. هذه العوامل التشغيلية هي عبارة عن درجة الحرارة وضغط الشحن للمحرك. كما أنه سيتم مقارنة أداء الأنواع الثلاثة الرئيسية للمحرك ستيرلنغ وهي ("ألفا"، "بيتا"، "قاما"). أيضا سيتم دراسة ثلاثة أنواع مختلفة من الحركة تستخدم لتحريك المكبس في الحرك وهي ("رومبك"، عمود المرفق، "سكوتش"). من خلال هذا البحث اتضح ان افضل نقطة تشغيلية لمحرك استيرلنغ تعتمد على نوع مائع التشغيل المستخدم. على سبيل المثال، عندما يعمل محرك ستيرلنغ من النوع "بيتا" بين درجتي حرارة تبريد وتسخين بين الثلاثمئة والثمانيمئة درجة مطلقة فإن أفضل أداء للمحرك يكون عند ضغط 1.75 بار وذلك عندما يُستخدم الهواء كمائع لتشغيل المحرك، ولغاز الهيليوم فإن أفضل ضغط هو 2.5 بار، أما لغاز الهيدروجين فإن أفضل ضغط تشغيلي هو 10 بار. وأيضا من بين الأنواع الثلاثة للمحرك ستيرلنغ فإنه تم توضيح أن أكبر طاقة مولدة تم انتاجها كانت عن طريق النوع "الفا" ذو الاسطوانة الحلقة للربط بين منطقة التسخين والتبريد ومقدارها هو 9.6 واط وكذلك سجل هذا النوع أفضل كفاء حرارية (10.08%) من بين الأنواع الثلاثة لنفس الظروف التشغيلية. أما من حيث نوع الحركة المستخدمة لتحرك المكبس فأن نوع الحركة "رومبك" قد سجل أفضل أداء من حيث الطاقة المتولدة 9.61 واط وكذلك من حيث الكفاءة الحرارية 8.3%، حيث تمت المقارنة مع نوع الحركة ذات عمود المرفق ونوع الحركة المسماة "سكوتش". وقد تم ذلك للمحرك ستيرلنغ ذو النوع "بيتا" الذي يعمل بالهواء عند الضغط الجوي ودرجات حرارة تشغيلية بين 300-800 درجة مطلقة. بالإضافة الى ذلك فقد بينت هذا الدراسة أن عدم تضمين الطاقة الإشعاعية عند تقييم أداء المحرك يؤدي الى خطأ بمقدار 13% في تقدير الطاقة الحرارية المنتقلة من والى المحرك وهذا الخطأ يرتفع الى 18% عند حساب القدرة المولدة من المحرك ستيرلنغ؛ لذلك من المهم جدا تضمين الطاقة الإشعاعية عند عملية تقييم أداء المحرك ستيرلنغ. وكذلك من الأمور المهمة التي ناقشها هذا البحث هي عملية إضافة الزعانف للمحرك. حيث كشفت هذه الدراسة أن هذه الزعانف يجب ان تكون بهيئة تسمح للغازات داخل المحرك أن تنتشر وتختلط ببعضها البعض بصورة جيدة، وإلا فإن ذلك سيؤدي الى تأثير سلبي على أداء المحرك نسبة لزيادة حجم المحرك الناتجة عن وجود الزعانف.

English Abstract

High demand for energy along with the sustainable rise in air pollution lead the efforts of looking for a new reliable technology for power generation. Stirling engine technology is a promising solution for energy production because it can use any source of heat to generate power. For instance, Stirling engine can be combined with a solar dish so it is useful for countries which are rich with solar energy. In this work, a numerical modeling for Stirling engine was performed using computational fluid dynamics (CFD) to help in understanding its characteristics by combining flow field and heat transfer field. The study included radiative heat transfer, which has been ignored in CFD works on Stirling engine. The engine consists of three main heat exchangers: heater, cooler and regenerator. Because most of the work done in the literature focus on investigating and optimizing of the regenerator, this study concerns with an optimization of the heater and the cooler. The investigation was carried out for different operation conditions such as operating pressure and heater temperature. In addition, a comparison between the performance of the three main types of Stirling engine (alpha, beta and gamma) were studied. Moreover, different piston motion mechanisms (rhombic, crankshaft, and scotch) were examined also. It turns out that the optimum operational condition depends on the type of the working fluid. For instance, for the beta-type Stirling engine under temperature limits of 300-800 K the optimum charge pressures are 1.75, 2.5 and 10 bar for air, He and H2 respectively. Additionally, among the three Stirling engine types with the proposed geometry and boundary conditions, the Stirling engine of alpha-type with annular connecting pipe reflects the best performance in term of power output (9.96 W) and thermal efficiency (10.08%). Furthermore, for beta-type Stirling engine running with atmospheric air charge pressure and temperature limits of 300-800 K, rhombic motion mechanism has the highest power output (9.61 W) and thermal efficiency (8.3%) compared to the crankshaft and scotch mechanisms. Moreover, it was shown that neglecting radiative heat transfer leads to 13% error in the estimation of heat transfer values and 18% error in the generated power output, which emphasize the importance of implementing the radiation model in the Stirling engine analysis. In order to attach a fin to the main engine body, it should have a shape that allows gasses to be circulated and well mixed with each other. Otherwise, the fin results in a negative impact due to its dead volume.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Abualhamayel, Habib
Committee Members:	Ben-Mansour, Rached and Al-Sulaiman, Fahad
Depositing User:	AHMED ABUELYAMEN (g201402540)
Date Deposited:	31 Jan 2017 11:35
Last Modified:	31 Dec 2020 07:48
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140252