Wielodomenowy model silnika Stirlinga z wolnym tłokiem - studium przypadku

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

Warianty tytułu

EN

Multi-domain model of free-piston stirling engine – case study

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono dynamiczny model silnika Stirlinga z wolnym tłokiem (ang. Free Piston Stirling Engine). Model dynamiczny opisujący domenę mechaniczną (klasyczne równania mechaniki), połączony został z submodelem termodynamicznym (uwzględniającym równania zachowania energii) przy założeniu izotermicznej wymiany ciepła w przestrzeniach sprężania oraz rozprężania. Na podstawie wyprowadzonych równań zachowania energii dla modelu termodynamicznego oraz równań ruchu dla submodelu mechanicznego układu z wolnym tłokiem opracowany został wielodomenowy model symulacyjny w programie Matlab&Simulink. Przeprowadzona symulacja pozwoliła na analizę wpływu wybranych parametrów termodynamicznych i mechanicznych m.in.: wpływu temperatury górnego źródła ciepła na przyrost pracy i mocy teoretycznej, wydatków masowych - przepływy masy gazu roboczego na granicach kontrolnych, wpływu stanów nieustalonych na przebieg ciśnienia, zmian masy wypornika oraz tłoka na zależność p(V) a także wpływu sztywności sprężyn mechanicznych na przemieszczenia poszczególnych elementów układu. Przedstawione w pracy wyniki niosą użyteczną informację o termodynamicznych i dynamicznych własnościach symulowanego obiektu, którego parametry termodynamiczne odpowiadają parametrom obiektu rzeczywistego.

EN

This article presents a dynamic model of the free-piston Stirling engine. The dynamic model describing the mechanical domain (equations in classical mechanics) was combined with the thermodynamic submodel (taking into account the equations of energy conservation), with the assumption of the isothermal heat exchange in the compression and expansion spaces. On the basis of the performed thermodynamic analysis for the working space in the Stirling engine and the physical model of the system with the free piston, a multi-domain simulation model was developed in the Matlab&Simulink programme. On the basis of the derived equations of energy conservation for the thermodynamic model and the equations of motion for the mechanical submodel, the influence of selected thermodynamic and mechanical parameters was analysed, including: the influence of upper heat source temperature on the increase in theoretical power and work, mass expenditures – mass flow of the working gas at the control boundaries, the influence of transient states on the pressure curve, change of the expansion piston and the compression piston mass on the p(V) plot, as well as the influence of mechanical springs rigidity on the displacements of individual elements of the system. The results discussed in this work provide useful information about the thermodynamic and dynamic properties of the simulated object whose thermodynamic parameters correspond to the real object parameters.

Słowa kluczowe

PL

model dynamiczny; izotermiczna wymiana ciepła; silnik Stirlinga z wolnym tłokiem

EN

dynamic model; isothermal heat exchange; free-piston Stirling engine

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2016
• Tom: Nr 6
• Strony: 62--69
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., rys.

Twórcy

autor

Chmielewski A.

• Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych

autor

Gumiński R.

• Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych

autor

Mączka J.

• Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych

Bibliografia

• [1] Ahmadi M. H., Ahmadi M. A., Sadatsakkak S. A., Feidt M.: Connectionist intelligent model estimates output power and torque of stirling engine. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 50, pp. 871–883, 2015.
• [2] Aksoy F., Solmaz H., Karabulut H., Cinar C., Ozgoren Y.O., Seyfi P.: A thermodynamic approach to compare the performance of rhombic-drive and crank-drive mechanisms for a beta-type Stirling engine, Applied Thermal Engineering, Vol. 93, pp. 359-367, 2016.
• [3] Babaelahi M., Sayyaadi H.: A new thermal model based on polytropic numerical simulation of Stirling engines. Applied Energy, Vol. 141, pp. 143–159, 2015.
• [4] Cheng C.H., Yu Y.J.: Dynamic simulation of a beta-type Stirling engine with cam-drive mechanism via the combination of the thermodynamic and dynamic models. Renewable Energy, Vol. 36, pp. 714-725, 2011.
• [5] Chmielewski A., Gumiński R., Radkowski S., Szulim P.: Aspekty wsparcia i rozwoju mikrokogeneracji rozproszonej na terenie Polski. Rynek Energii, 114(5), pp. 94-101, 2014.
• [6] Chmielewski A., Gumiński R., Radkowski S., Szulim P.: Experimental research and application possibilities of microcogeneration system with Stirling engine. Journal of Power Technologies, 95(5), pp. 14–22, 2015.
• [7] Chmielewski A., Radkowski S.: Rozwój odnawialnych źródeł energii na terenie Polski – wyzwania i problemy (The development of renewable energy sources in Poland ‒ challenges and problems). Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów, 99(3), pp. 25‒34, 2014. [In Polish]
• [8] 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, Renewable & Sustainable Energy Reviews, Elsevier Vol. 60, pp. 930-952, 2016.
• [9] Chmielewski A., Gontarz S., Gumiński R., Mączak J., Szulim P.: Analiza wpływu parametrów eksploatacyjnych na drgania układu mikrokogeneracyjnego (Analysis of influence of operational parameters on micro cogeneration system vibrations). Przegląd Elektrotechniczny, No. 1 pp.45-53, 2016. (In Polish)
• [10] Chmielewski A., Gumiński R., Mączak J.: Selected properties of the dynamic model of the piston-crankshaft assembly in Stirling engine combined with the thermodynamic submodel. International Journal of Structural Stability and Dynamics 2017 [In print].
• [11] 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 2015), IEEE, pp. 1038-1043, 2015.
• [12] Chmielewski A., Maciąg P., Gumiński R., Mączak J.: The use of Fuzzy Logic in the control of an inverted pendulum. Springer Proceedings in Mathematics & Statistics [In Print].
• [13] Chmielewski A., Gumiński R., Mączak J.: Analysis of isothermal thermodynamic processes in the stirling engine. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów - Proceedings of the Institute of Vehicles, Vol. 106, No. 2, pp. 21-29, 2016.
• [14] Chmielewski A., Gumiński R., Mączak J., Szulim P.: Model-based research on the micro cogeneration system with Stirling engine. Journal of Power Technologies [In Print].
• [15] Chmielewski A., Gumiński R., Lubikowski K., Mączak J., Szulim P.: Badania układu mikrokogeneracyjnego z silnikiem Stirlinga. Część I. Rynek Energii Vol. 119, No. 4, pp. 42-48, 2015. [In Polish]
• [16] Chmielewski A., Gontarz S., Gumiński R., Mączak J., Szulim P.: Research on a Micro Cogeneration System with an Automatic Load-Applying Entity, Springer Challenges in Automation, Robotics and Measurement Techniques, Advances in Intelligent Systems and Computing. Vol. 440, pp. 387-395, 2016.
• [17] Chmielewski A., Gontarz S., Gumiński R., Mączak J., Szulim P.: Research Study of the Micro Cogeneration System with Automatic Loading Unit, Springer, Challenges in Automation, Robotics and Measurement Techniques, Advances in Intelligent Systems and Computing. Vol. 440, pp.375-386, 2016.
• [18] 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 Inter. Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR). Location: Miedzyzdroje, Poland Date: Aug 29- SEP 1, 2016 [In Print].
• [19] Chmielewski A., Gumiński R., Mączak J., Dynamic Model of a Free-Piston Stirling Engine with Four Degrees of Freedom Combined with the Thermodynamic submodel. 21st Inter. Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR). Location: Miedzyzdroje, Poland Date: AUG 29- SEP 1, 2016 [In print].
• [20] Discepoli G., Milewski J., Desideri U.: Off-design operation of coal power plant integrated with natural gas fueled molten carbonate fuel cell as CO2 reducer, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 41, pp. 4773-4783, 2016.
• [21] Formosa F., Fréchette L.G.: Scaling laws for free piston Stirling engine design: Benefits and challenges of miniaturization. Energy, Vol. 57, pp. 796-808, 2013.
• [22] Gheith R., Aloui F., Nasrallah S.B.: Determination of adequate regenerator for a Gamma-type Stirling engine. Applied Energy, Vol. 139, pp. 272–280, 2015.
• [23] Hang-Suin Y., Chin-Hsiang C.: A Nonlinear Non-dimensional Dynamic Model for Free Piston Thermal-lag Stirling Engine. Energy Procedia, Vol. 61, pp. 2662-2665, 2014.
• [24] Jia B., Smallbone A., Feng H., Tian G., Zuo Z., Roskilly A.P.: A fast response free-piston engine generator numerical model for control applications. Applied Energy, Vol. 162, pp. 321-329, 2016.
• [25] Karabulut H.: Dynamic analysis of a free piston Stirling engine working with closed and open thermodynamic cycles. Renewable Energy, Vol. 36, pp. 1704-1709, 2011.
• [26] Li T., Tang W. D., Li Z., Du J., Zhou T., Jia Y.: Development and test of a Stirling engine driven by waste gases for the micro–CHP system. Applied Thermal Engineering, Vol. 33–34, pp. 119–123, 2012.
• [27] Moua J., Li W., Li J., Hong G.: Gas action effect of free piston Stirling engine, Energy Conversion and Management. Vol. 110, pp.278-286, 2016.
• [28] Margarita R. A. M. .: Santillán On the dynamical vs. thermodynamical performance of a β-type Stirling engine. Physica A, Vol. 409 pp. 162–174, 2014.
• [29] Milewski J., Wolowicz M., Szablowski Ł., Kuta J.: Control strategy for an Internal Combustion engine fuelled by Natural Gas operating in Distributed Generation, WHEC 2012 Conference Proceedings - 19th World Hydrogen Energy Conference. Energy Procedia Vol. 29, pp. 676-682, 2012.
• [30] Milewski J., Wolowicz M., Bernat R., Szablowski Ł., Lewandowski J.: Variant analysis of the structure and parameters of SOFC hybrid systems. Applied Mechanics and Materials, Vol. 437, pp. 306-312, 2013.
• [31] Valenti G., Silva P., Fergnani N., Campanari S., Ravidà A., Di Marcoberardino G., Macchi E.: Experimental and numerical study of a micro-cogeneration Stirling unit under diverse conditions of the working fluid. Applied Energy, Vol. 160, pp.920-929, 2015.
• [32] Viessmann {Dostęp 10.08.2016 http://www.viessmann.pl/pl/budynki-mieszkalne/kogeneracja/system-mikrokogeneracyjny-na-bazie-silnika-stirlinga/vitotwin-300-w.html}
• [33] Walter G.: Stirling Engines, Oxford University Press, New York, 1980.
• [34] Walter G., Senft J.R.: Free Piston Stirling engines, Springer Verlag, 1985.

Uwagi

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