Analysis of isothermal thermodynamic processes in the Stirling engine

• Autorzy: Chmielewski A. , Gumiński R. , Mączak J.

Warianty tytułu

PL

Analiza izotermicznych procesów termodynamicznych zachodzących w silniku Stirlinga

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This work presents a thermodynamic analysis for thermodynamic processes taking place in the Stirling engine working space. The working space was divided into operational sections, which corresponded to the analysed control volume units, including: the compression space, cooler, regenerator, heater, and the expansion space. On the basis of the conducted thermodynamic analysis, useful relations were derived, which will be used in the future to build the advanced, combined model in which energy and heat losses are taken into consideration, as well as the Stirling engine dynamics during the work cycle. Among the most important thermodynamic processes presented in this work, are: heat exchange at the heat exchangers (the cooler, regenerator, heater), and the isothermal heat exchange in the compression and expansion spaces.

PL

W niniejszej pracy przedstawiono analizę termodynamiczną dla procesów termodynamicznych zachodzących w przestrzeni roboczej silnika Stirlinga. Przestrzeń robocza podzielona została na sekcje robocze, które odpowiadały analizowanym objętościom kontrolnym, m.in: przestrzeni sprężania, chłodnicy, regeneratora, nagrzewnicy oraz przestrzeni rozprężania. Na podstawie przeprowadzonej analizy termodynamicznej wyprowadzono użyteczne zależności, które zostaną w przyszłości wykorzystane do budowy zaawansowanego kombinowanego modelu uwzględniającego straty energii, ciepła oraz dynamikę silnika Stirlinga podczas realizacji cyklu roboczego. Do najważniejszych procesów termodynamicznych przedstawionych w niniejszej pracy zaliczyć należy: wymianę ciepła na wymiennikach ciepła (chłodnicy, regeneratorze, nagrzewnicy) oraz izotermiczną wymianę ciepła w przestrzeniach sprężania oraz rozprężania.

Słowa kluczowe

EN

thermodynamic analysis; isothermal process; Stirling engine

PL

analiza termodynamiczna; proces izotermiczny; silnik Stirlinga

• Wydawca: Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów / Politechnika Warszawska
• Rocznik: 2016
• Tom: z. 2/106
• Strony: 21--29
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., rys., tab

Twórcy

autor

Chmielewski A.

• Institute of Vehicles, Warsaw University of Technology

autor

Gumiński R.

• Institute of Vehicles, Warsaw University of Technology

autor

Mączak J.

• Institute of Vehicles, Warsaw University of Technology

Bibliografia

• [1] Cinar C., Yucesu S., Topgul T., Okur M.: Beta-type Stirling engine operating at atmospheric pressure, Applied Energy Vol. 81, pp. 351–357, 2005.
• [2] Shazly J.H., Hafez A.Z., El Shenawy E.T., Eteiba M.B.: Simulation, design and thermal analysis of a solar Stirling engine using MATLAB, Energy Conversion and Management, Vol. 79, pp. 626–639, 2014.
• [3] Chmielewski A., Gontarz S., Gumiński R., Mączak J., Szulim P. Analiza wpływu parametrów eksploatacyjnych na drgania układu mikrokogeneracyjnego. Przegląd Elektrotechniczny No. 1, pp.45-53 Vol. 2016.
• [4] Walter G. Stirling Engines. Oxford University Press, New York, 1980.
• [5] Urieli I., Berchowitz D.M. Stirling cycle engine analysis. Adam Hilger Ltd. Bristol 1984.
• [6] Berchowitz D. M. Stirling cycle engine design and optimisation., Doctor of Philosophy Thesis, Ohio, August 1986.
• [7] Shoureshi R. Analysis and design of Stirling Engines for Waste-Heat Recovery. Massachusetts Institute of Technology, June 1981.
• [8] Organ A.J. The Regenerator and the Stirling Engine. Mechanical Engineering Publications Limited, 1997.
• [9] Martini W.R., Stirling Engine Design Manual. National Aeronautics and Space Administration (NASA); CR-168088,1983.
• [10] Żmudzki S. Silniki Stirlinga (Stirling Engines). WNT Warsaw, 1993.
• [11] Chmielewski A., Gumiński R., Radkowski S., Szulim P., Experimental research and application possibilities of microcogeneration system with Stirling engine, Journal of Power Technologies, 95 (Polish Energy Mix) (2015), 14–22.
• [12] Chmielewski A., Gumiński R., Dynamic model of a free-piston Stirling engine with four degrees of freedom combined with the thermodynamic submodel. 21st International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics MMAR 2016 Międzyzdroje IEEE [In Print].
• [13] Chen W. L., Wong K. L., Chang Y. F., A computational fluid dynamics study on the heat transfer characteristics of the working cycle of a low-temperature differential c-type Stirling engine, International Journal of Heat and Mass Transfer Vol. 75, 145–155, 2014.
• [14] Cheng C.H., Yang H. S., Analytical model for predicting the effect of operating speed on shaft power output of Stirling engines. Energy Vol. 36, pp. 5899-5908, 2011.
• [15] Thombarea D.G., Verma S.K.: Technological development in the Stirling cycle engines. Renewable and Sustainable Energy Reviews Vol. 12, pp. 1–38, 2008.
• [16] Cheng, C., H., Yang, H., S., Keong, L. Theoretical and experimental study of a 300W beta–type Stirling engine. Energy, Vol. 59, pp. 590–599, 2013.
• [17] Babaelahi M., Sayyaadi H. A new thermal model based on polytropic numerical simulation of Stirling engines. Applied Energy 2015; 141: 143–159.
• [18] Chmielewski A., Gumiński R., Radkowski S. Chosen properties of a dynamic model of crankshaft assembly with three degrees of freedom. 20th International Conference On Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), IEEE, pp. 1038-1043, 2015. ISBN: 978-1-4799-8700.
• [19] Chmielewski A., Bogucki Ł., Gumiński R., Mączak J. Dynamic model of a crankshaft assembly with two degrees of freedom. Journal of KONES, No. 3, Vol. 22, pp.275-2822, 2015.
• [20] Chmielewski A., Gumiński R., Mączak J., Selected properties of the adiabatic model of the Stirling engine combined with the model of the piston-crankshaft system. 21st International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics MMAR 2016 Międzyzdroje IEEE [In Print].
• [21] Chmielewski A., Gumiński R., Mączak J., Szulim P., Model-based research on the micro cogeneration system with Stirling engine. Journal of Power Technologies 2016 [In Print].
• [22] Chmielewski A., Gontarz S., Gumiński R., Mączak J., Szulim P. Research study of the micro cogeneration system with automatic loading unit. Proceedings of AUTOMATION-2016, March 2-4, 2016, Warsaw, Poland, Springer International Publishing Switzerland 2016, Challenges in Automation, Robotics and Measurement Techniques, Advances in Intelligent Systems and Computing, DOI 10.1007/978-3-319-29357-8_34, Vol. 440, pp. 375-386, 2016.
• [23] Chmielewski A., Gontarz S., Gumiński R., Mączak J., Szulim P. Research on a micro cogeneration system with an automatic load-applying entity. Proceedings of AUTOMATION-2016, March 2-4, 2016, Warsaw, Poland, Springer International Publishing Switzerland 2016, Challenges in Automation, Robotics 28 and Measurement Techniques, Advances in Intelligent Systems and Computing, DOI 10.1007/978-3-319-29357-8_35, Vol. 440, pp. 387-395, 2016.
• [24] Chmielewski A., Gumiński R., Lubikowski K., Mączak J., Szulim P. Badania układu mikrokogeneracyjnego z silnikiem Stirlinga. Część I. Rynek Energii Nr 4 (119), pp. 42-48, 2015.
• [25] Chmielewski A., Gumiński R., Mączak J., Szulim P. Badania układu mikrokogeneracyjnego z silnikiem Stirlinga. Część II. Rynek Energii Nr 5(120), pp.53-60, 2015.
• [26] Chmielewski A., Gumiński R., Mączak J., Radkowski S., Szulim P. Aspects of balanced development of RES and distributed micro cogeneration use in Poland: case study of a μCHP with Stirling engine. Elsevier, Renewable and Sustainable Energy Reviews Vol. 60, pp. 930-952, 2016.
• [27] Chmielewski A., Paweł Maciąg, Gumiński R., Mączak J. The use of Fuzzy Logic in the control of an inverted pendulum. Springer Proceedings in Mathematics and Statistics (Dynamical Systems - Modelling), 2016 [In Print].
• [28] Braz-César M., Barros R. Neuro-fuzzy control of structures with MR dampers. Dynamical Sytems Control and Stability ISBN 978-83-7283-708-0, pp. 95-106, 2015.
• [29] Reddy M. J. B., Mohanta D.K. Performance Evaluation of an Adaptive-Network-Based Fuzzy Inference System Approach for Location of Faults on Transmission Lines Using Monte Carlo Simulation. IEEE Transactions On Fuzzy Systems, VOL. 16, NO. 4, pp. 909-919, August 2008.
• [30] Szabłowski Ł., Milewski J., Badyda K. Utilisation of a set of distributed generation sources controlled by artificial neural network to meet electricity demand of public utility buildings. Proceedings of ECOS 2015 - The 28th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems 2015.
• [31] Szabłowski, Ł., Milewski, J., Kuta J. Internal Combustion Engine controlled by Artificial Neural Network. SL: Structural Longevity, Vol.7, No.3, pp.187-202, 2012.
• [32] Milewski J., Szabłowski Ł., Wołowicz M., Miller A. Procedury uczenia sztucznych sieci neuronowych modelu węglanowego ogniwa paliwowego. Rynek Energii, No. 2, Vol. 117, pp. 99-106, 2015.
• [33] Szabłowski Ł., Milewski J., Kuta J., Optimal control strategy of μ-turbine as a DG unit obtained by an utilization of Artificial Neural Network. Proceedings of 3rd International Conference Contemporary Problems of Thermal Engineering CPOTE2012, pp. 259-260, 2012.
• [34] Milewski J., Zahadat P., Modeling electrical behavior of solid oxide electrolyzer cells by using artificial neural network. International Journal of Hydrogen Energy 40 (23), pp. 7246-7251, 2015.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.