Eindrapport 1 Groep 5
J. Hop A-J Houweling M. van der Jagt S. Kaptein T. Jansen D. Janse M. Weller T. Hooftman F. Kappelhof S. Younan
Eindrapport 1 Stirlingmotor
Module: THSP2 Groep 5 Opdrachtgever: J. Mijnster Projectnaam: StirlingModel Periode: Hoofdfase blok 1 Ingeleverd op: 17-10-14 Delft Projectleden:
2
J. Hop A-J Houweling M. van der Jagt S. Kaptein T. Jansen D. Janse M. Weller T. Hooftman F. Kappelhof S. Younan
Voorwoord Dit rapport betreft de serieproductie van een Stirlingmotor bouwpakket. Het onderzoekt alle relevante aspecten die nodig zijn voor een productmanager van een internationaal bedrijf, om te overwegen dit product op een nieuwe markt in te brengen. De in productie te brengen Stirling motor is bestemd voor hobbyisten en moet met circa 1000 stuks per jaar geproduceerd kunnen worden, wat makkelijk op te voeren moet zijn indien de vraag stijgt. De projectgroep die dit rapport heeft gemaakt, werkt bij een fijnmechanisch bedrijf en zijn zeer geïnteresseerd in het krijgen van deze opdracht. Het is dus aan deze projectgroep om binnen dit rapport deze opdracht zo goed mogelijk te onderzoeken en een onderbouwde offerte te kunnen maken. Onze dank gaat uit naar dhr. Bil, voor het ondersteunen van onze groep als tutor. Dhr. Bil gaf advies tijdens de wekelijkse vergaderingen, zonder wie wij het project waarschijnlijk niet succesvol hadden kunnen afronden. Ook willen wij de gebroeders Van der Kleij bedanken, voor hun assistentie tijdens de praktische onderdelen van dit project.
3
Inhoudsopgave 1
Samenvatting ..............................................................................................................................5
2
Verklarende woordenlijst ............................................................................................................6
3
Symbolenlijst...............................................................................................................................7
5
Inleiding ......................................................................................................................................8
6
Opdrachtomschrijving .................................................................................................................9
7
Geschiedenis .............................................................................................................................10
8
Analyse stirlingmotor ................................................................................................................ 11 8.1
9
Werking .............................................................................................................................11
PV- Diagram .............................................................................................................................. 12
10
Analyse prototype ................................................................................................................. 13 10.1
Rendement benadering ..................................................................................................... 13
10.2
Rendement Prototype .......................................................................................................14
10.3
Knik ...................................................................................................................................15
10.3.1
Krachten op de zuigerstang ........................................................................................ 15
10.3.2
Knik Berekenen ..........................................................................................................16
11
Conclusie............................................................................................................................... 17
12
Literatuurlijst.........................................................................................................................18
13
Bijlagen .................................................................................................................................19
4
1 Samenvatting In dit rapport staat alle informatie omtrent de stirlingmotor, onder andere: de werking van de stirlingmotor, geschiedenis en berekeningen om een goede werking te garanderen. De Haagse Hogeschool heeft de opdracht gegeven om een schaalmodel van een Stirlingmotor te ontwerpen en deze in serie te produceren. De productieomvang is gesteld op 1000 stuks per jaar. Het doel van het project was om de hoeveelheid onderdelen van het originele design met 15% te verminderen. Dit is gedaan door onderdelen samen te voegen, door de productie wijze te veranderen. Een Stirlingmotor is een heteluchtmotor. In de gesloten cilinder bevindt zich lucht, door de lucht aan een kant van de cilinder te verhitten en aan de andere kant te koelen. De lucht wordt verplaatst door een verdringingszuiger. Door de uitzetting en het verplaatsen van de lucht door de zuiger, wordt de werkzuiger aangedreven. De werkzuiger draait dan het vliegwiel aan die er vervolgens voor zorgt dat het proces zich herhaalt. Bij het uitwerken van het prototype zijn knik berekeningen gemaakt. Om te kijken of de Stirlingmotor veilig in gebruik is. Ook is het rendement van de motor berekent, dit blijkt erg laag te liggen. Ter verantwoording van de het prototype van de Stirlingmotor bevat dit verslag ook het pakket technische tekeningen.
5
2 Verklarende woordenlijst Woord bar elasticiteitsmodulus
Uitleg Een bar is precies gelijk aan 100.000 Pa = 100 kPa Eigenschap van een materiaal die de maat is voor de stijfheid van een materiaal 1 kniklengte Knik is een plaatselijke verbuiging in een materiaal veroorzaakt door een uitwendige kracht. De kniklengte is een maat die gebruikt wordt in de berekening voor het berekenen van de knik.1 massatraagheidsmoment Het massatraagheidsmoment geeft de mate van verzet tegen verandering van draaisnelheid van een lichaam aan. parallel Gelijklopend1 Rendement Nuttig effect van iets1 zuiger Zuigend deel in een machine1
1
Bron: Van Dahle, groot woordenboek der Nederlandse taal
6
3 Symbolenlijst Grootheid Q V T Pkr E I P F
Betekenis rendement Warmte energie Volume Temperatuur Kritische spanning Elasticiteitsmodulus Massatraagheid Kniklengte Druk Kracht
Eenheid Joule (j) mm3 Kelvin (K) Newton (N) GPa m4 Meter (m) Pascal (Pa) Newton (m)
7
5 Inleiding Dit rapport gaat over het ontwerpen van een serieproductie van een stirlingmotor. Hierbij wordt gekeken naar het werkingsprincipe van een stirlingmotor en huidige producten om een verbeterd ontwerp te kunnen maken. Alvorens hiermee aan de slag kon worden gegaan moesten er eerst projectgrenzen en onderzoek worden gedaan. Deze werden eerst gecontroleerd door een tutor. Vervolgens moest er door de projectgroep bedacht worden hoe het ontwerp dat ons werd laten zien door de hogeschool volgens hun verbeterd kon worden. Deze verbeteringen waren gericht op kosten en materiaalbesparing. Na dit gedaan te hebben is dit alles uitgewerkt en in dit rapport terug te lezen. Parallel aan het herontwerpen van de stirlingmotor, moest het ontwerp van de hogeschool nagemaakt worden. Hiervoor moesten alle onderdelen van een voorbeeld opgemeten worden en werden er vervolgens werktekeningen en bewerkingsbladen gemaakt zodat de onderdelen geproduceerd konden worden.
8
6 Opdrachtomschrijving De opdracht houd in dat er een Stirlingmotor in serie geproduceerd moet gaan worden, en deze op de markt aan te bieder. De seriegrote wordt geschat worden op 1000 stuks per jaar. Het is de bedoeling dat de stirlingmotor als bouwpakket wordt aangeboden aan mensen met een leeftijd vanaf 12 jaar. Verder is het om economische redenen van belang dat het aantal onderdelen te reduceren met minimaal 15%. Het uitgangspunt hiervan is dat het verspanen van onderdelen een kostbaar proces is. Voor het fabriceren van het ‘prototype’ zullen de volgende verspanende processen gebruikt worden: -
Cnc freesbank Draaibank Freesbank Kolomboormachine
Voor het uiteindelijke produceren van het serie model zal er tevens gekeken worden naar andere productiemethodes.
9
7 Geschiedenis In 1816 is de Stirlingmotor ontworpen en gebouwd door een Schotse predikant Robert Stirling (1790 – 1878). De werking van de Stirlingmotor berust op het principe dat gas in een door een zuiger afgesloten cilinder wordt verwarmd. Door uitzetting verplaatst deze zuiger. Door het gas vervolgens bij een lagere temperatuur weer te comprimeren en daarna de expansie door verhitting te herhalen kan men een machine krijgen die arbeidsoverschot levert. 2 Rond 1850 bedacht de Fransman Sadi Carnot wat het maximaal haalbare rendement is van een motor die op warmte werkt. Carnot ontdekte dat het maximaal haalbare rendement is temperatuur van de warme zijde minus temperatuur van de koude zijde gedeeld door de temperatuur van de hete zijde maal 100. 3 Midden van de 19de eeuw werd door de Zweed Ericsson Stirlingmotoren verder toegepast, echter kon deze niet concurreren tegen stoommachines. Phillips begon in 1938 de Stirlingmotor verder te ontwikkelen. Na de Tweede Wereldoorlog ontstond er een type waarbij het gas in een gesloten circuit m.b.v. een verdringer heen en weer word geschoven van een ruimte met een constante hoge temperatuur naar een ruimte met een constant lage temperatuur. In 1972 sloten Philips en Ford een licentieovereenkomst met als doel de stirlingmotor verder te ontwikkelen voor toepassingen in o.a. personenauto’s.4
Robbert Stirling
2
Bron: http://www.hermanmeijer.nl/dagboek/sterling.html Bron: http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/academic/kiriki/begin/history.html 4 Bron: http://www.stirlinginternational.org/docs/presentations/history.asp 3
10
8 Analyse stirlingmotor Een stirlingmotor zet warmte om in een roterende mechanische energie. Twee cilinders met gas erin vormen samen de basis van een stirlingmotor. Het is hierbij van essentieel belang dat deze cilinders met elkaar in verbinding staan. Op deze manier kant het gas tussen de twee cilinders heen en weer bewegen en een roterende beweging tot stand worden gebracht. De stirlingmotor is in tegenstelling tot een diesel- of benzinemotor een uitwendige verbrandingsmotor. Waar de verbranding bij een conventionele diesel- of benzinemotor binnen de motor plaats vind gebeurt dit bij een stirlingmotor aan de buitenkant. Een groot voordeel hiervan is dat deze uitwendige verbranding zorgt ervoor dat de stirlingmotor uitermate geschikt is op plekken waar sprake is van restwarmte. De soort brandstof die gebruikt wordt om de warmte op te wekken voor het in werking stellen van de stirlingmotor maakt dus niet zo veel uit. Het Stirling principe is gebaseerd op de uitzetting en inkrimping van gas. De temperatuurverschillen die worden bewerkstelligd aan de buitenkant van de stirlingmotor zorgen voor drukverschillen aan de binnenkant van de stirlingmotor die gebruikt worden om een zuiger in beweging te brengen.
8.1 Werking 1. Verwarmen van de lucht. De cilinder aan de voorkant van de stirlingmotor wordt verwarmt, waardoor de lucht in de cilinder uitzet. 2. Verplaatsing van de lucht. Door de toegenomen temperatuur is het volume van de lucht toegenomen en verplaatst de lucht zich langs de verdringer cilinder naar de werkcilinder. 3. Arbeidsslag. In de werkcilinder ontstaat een overdruk die ervoor zorgt dat de zuiger in de werkcilinder verticaal verplaatst wordt. Deze verticale verplaatsing zorgt ervoor dat het vliegwiel in beweging word gebracht. 4. Terugslag. Het in beweging gebrachte vliegwiel zorgt ervoor dat de verdringer cilinder weer terug wordt geduwd in de originele positie. Op dit moment bevind de lucht zich bij de koelribben die ervoor zorgen dat de lucht weer wordt afgekoeld. 5. opnieuw verwarmen van de lucht De lucht bij de koelribben koelt af, en verplaatst zich weer naar de beginpositie. Vervolgens wordt de lucht weer verwarmt en herhaalt het proces zich.
11
9 PV- Diagram In het hoofdstuk hiervoor wordt beschreven welke werking de Stirlingmotor heeft.??? In het PVdiagram hieronder wordt het werkingsproces nader beschreven door druk tegen het volume schematisch uit te zetten. Op de X-as is het volume (V) uitgebeeld, op de Y-as is de Druk (P) uitgebeeld.
Hier onder staat een korte uitleg over wat er gebeurt bij elke fase: 1. V is dalend, P is stijgend. De verdringerzuiger beweegt naar achterna, Het verwarmde gas gaat langs de verdringer zuiger waardoor de druk daalt en het volume toeneemt 2. V is maximaal, P is dalend. De verdringerzuiger gaat volledig naar achter. Het gas tussen de verdringerzuiger en de werkzuiger koelt maximaal af, hierdoor daalt de druk tot het minimale punt in deze cyclus. Het volume komt hier op het maximale punt van de cyclus 3. V. Dalend, P. Stijgend De verdringerzuiger beweegt naar voren, hierdoor stijgt de druk geleidelijk evenals het volume 4. V. Minimaal, P. Maximaal Het gas wordt en in elkaar gedrukt. Hierdoor stijgt de druk en word het volume maximaal
12
10 Analyse prototype 10.1 Rendement benadering Rendement is de verhouding tussen de toegevoerde energie, en de nuttige energie die er uit gehaald kan worden. In het geval van een Stirlingmotor is het rendement de verhouding tussen de thermische energie die er ingestopt word, en de rotatie-energie die dit oplevert. De onderstaande formule geeft dit weer.
Door de warmteverliezen in de motor en de wrijving tussen de onderdelen, ontstaat er een verschil tussen de energie die in de motor gestopt word en de energie die er uit gehaald wordt. Een andere manier om het rendement te bepalen, is het benaderen van het thermisch rendement. Het thermisch rendement van een Stirling proces, is de verhouding tussen de hoogste en de laagste gastemperatuur in de motor. Hoe hoger het temperatuurverschil, hoe hoger het rendement.
Deze formule kan worden afgeleid met het Carnotproces. Het Carnotproces geeft een ideaal thermisch kringproces weer. In het geval van de Stirlingmotor, zou dit betekenen dat alle thermische energie omgezet word in arbeid. Door de verliezen in de Stirlingmotor, is het Carnotproces in de praktijk niet haalbaar. Echter is het Carnotproces wel te gebruiken om het rendement van een thermisch proces te bepalen. Uit het Carnotproces is af te leiden dat her rendement gelijk is aan het verschil tussen de hoogste en de laagste temperatuur, gedeeld door de hoogste temperatuur. Carnotproces Schema
P = Druk V = Volume T1 = Tlaag T2 = Thoog
13
10.2 Rendement Prototype Voor het bepalen van het rendement van het prototype is het belangrijk om een vast te stellen. De temperatuur van een vlam is moeilijk in te schatten. Voor het berekenen van het rendement wordt de temperatuur geschat op 250°C. Er wordt geen rekening gehouden met eventuele verliezen in de overdracht van deze warmte. De is gelijk aan kamertemperatuur, wat ongeveer rond de 21°C. Om het rendement te berekenen moet de temperatuur gegeven worden in K.
Het theoretische rendement is dus 44%. Het gemiddelde rendement van een stirlingmotor ligt rond de 30%, en is het dus duidelijk dat de theoretische waarde vrij hoog ligt. Deze afwijking ontstaat omdat verschillende verliezen in de warmteoverdracht van de Stirlingmotor niet zijn meegenomen in de berekening.
14
21 20
A
A
24
11
10.3 Knik
De zuigerstang moet sterk genoeg zijn om de krachten in6de Stirlingmotor op te 3 4 kunnen vangen. Om 7 23 worden. 9 krachten op de zuigerstang eerst bepaald moeten de knik te kunnen berekenen, zullen de
C
10.3.1 Krachten op de zuigerstang Via de zuiger wordt er een kracht uitgeoefend op de 12 zuigerstang waardoor het vliegwiel in beweging wordt gebracht. Zuigerstang
8
17 5
B VLS Zuigerstang 25
10
De kracht op de zuigerstang is kracht Fd (zie VLS) Om deze te berekenen moet bepaald worden hoe groot de druk is die de zuiger op de zuigerstang uitoefent. Deze druk kan bepaald worden met de formule:
2 P = Druk in pascal V = Volume A in mm3m T = Temperatuur in K
1
A- A ( 1 : 2 )
Doordat de zuiger een slag maakt is het beginvolume gelijk aan het eindvolume. Hieruit volgt dat de benodigde druk,
6
!"#" %!&
$#
.
5
4
In de rendementsberekening is uitgegaan van een eindtemperatuur van 523K en een begintemperatuur van 294K. De druk aan het begin, , is gelijk aan atmosferische druk, 1 bar (
'
). '
( )**
De druk die de zuiger uitoefent op de zuigerstang is dus: )**
'
+ ,-
15
)** 0
'
19
' De diameter van de zuiger is 17 mm. De druk van )** wordt dus uitgeoefend op een 2 oppervlak van ongeveer 227mm . Dit betekend dat de kracht die op de zuiger werkt gelijk is aan ' 1 )** 2345 6 *445 ( *)782.
De zuiger staat in directe verbinding met de zuigerstang, dit betekend dat de kracht in de zuigerstang ook 17.68N is. 10.3.2 Knik Berekenen Nu de kracht op de zuigerstang bekend is, kan bepaald worden of er knik op zal treden in de stang of niet. Dit wordt gedaan door te kijken naar de minimale diameter om knik te weerstaan en de kracht over te brengen. Als de huidige diameter groter is dan de knikdiameter, kan er aangenomen worden dat de stang niet zal knikken. De formule voor knik is: 95 : ; <5
= de kritische spanning in N. : = de elasticiteitsmodulus in GP ; = massatraagheidsmoment < = de kniklengte ;
95
<5 :
= 17.68 N : = 210 GP (staal) < = 55 mm = 0.055 m ;
*)78 95
5
)
='
) 8
4>
Om de minimale diameter van de zuigerstang te bepalen volgt: 0>
;
8
0> 0
@
?
0
='
) 8
='
) 8
='
)
44
De diameter van de zuigerstang is 3mm, terwijl de minimale dikte om knik te voorkomen 0.133mm blijkt te zijn. De werkelijke diameter is dusdanig groot dat knikgevaar is uitgesloten.
16
11 Conclusie
17
12 Literatuurlijst
18
13 Bijlagen
19
