Study of volume variations in alpha stirling engine design via a discrete control volume approach

Abstract

New demand for cleaner and low cost energy production are factors that have increased interest in the Stirling engine as a plausible alternative to internal combustion engines. The Stirling engine is based on the principles of having a machine work within a temperature differential and internal thermal regeneration. The regenerator is a waste heat recovery device that improves the thermal efficiency of the cycle. Theory shows that the Ideal Stirling cycle efficiency is the same found for the Carnot cycle efficiency. However, the use of Ideal cycle and First Order analysis methods tend to grossly over predict performance parameters. This often comes as a result of inadequate assumptions and ignoring loss terms in the system to make simplifications in the analysis. In practice, the design of Stirling engines is difficult because of the complex thermal and mechanical processes that are involved. The Second Order method is found to be useful in engine design optimization, since the analysis assumes that all of the energy losses are decoupled. The individual loss mechanisms can be conveniently identified and quantified. This analysis allows the engine performance to be estimated in a more realistic manner by subtracting the losses to the idealized performance parameters in a simple and efficient approach. Such analysis model, if implemented with enough accuracy, could properly evaluate design changes required for developing technology to make the Stirling engine more reliable, sustainable and efficient. More efficient heat transfer and adequate kinematic mechanisms for performing cycle work are two major areas that can be improved. This research project considers the potential for improving the thermodynamic efficiency of the Stirling engine by evaluating alternative piston motions that substantially deviate from sinusoidal. The present study further expands on previous work in this area by incorporating the Second Order losses. Following in this effort, the studies are based on arbitrary functions that describe the piston motion and parametric studies of the cylinder compartments. Unfavorable results were obtained in the motion studies for the new arbitrary functions. The lower performance was related to larger gas velocities that significantly increased the power losses. However, an optimal configuration was found for cylinder compartment while maintaining the sinusoidal motion.

Nueva demanda de producción de energía limpia y a bajo costo, son factores que han aumentado el interés en el motor Stirling como una alternativa a los motores de combustión interna. El motor Stirling se basa en los principios de operar un ciclo dentro de un diferencial de temperatura y regeneración termal interna. La teoría demuestra que para el ciclo Stirling Ideal la eficiencia es igual a la eficiencia del ciclo de Carnot. Sin embargo, el uso de los análisis basados en el ciclo Ideal y métodos de primer orden tienden a sobreestimar substancialmente los parámetros de rendimiento. A menudo, esto se debe a que las asunciones son inadecuadas y se ignoran términos que se atribuyen a pérdidas en el sistema para simplificar el análisis. En la práctica, diseñar motores Stirling es difícil debido a la complejidad de los procesos térmicos y mecánicos que están involucrados. El método de Segundo Orden es útil para la optimización del diseño del motor, ya que el análisis supone que todas las pérdidas de energía se desacoplan. Los mecanismos de las pérdidas individuales pueden ser convenientemente identificados y cuantificados. Este análisis permite que el rendimiento del motor se estime de una manera más realista restando las pérdidas a los parámetros de rendimiento idealizados, usando un enfoque sencillo y eficiente. Si el modelo de análisis se aplica con suficiente exactitud, podrían evaluarse adecuadamente los cambios de diseño necesarios para desarrollar tecnología que impulsen al motor Stirling a una mayor fiabilidad, sostenibilidad y eficiencia. Transferencia de calor más eficiente y diseños cinemáticos más adecuados para llevar a cabo el trabajo del ciclo son áreas que se pueden mejorar. Este proyecto investiga el potencial de mejorar la eficiencia termodinámica del motor Stirling al evaluar movimientos alternativos para el pistón que se desvían del tipo senosoidal. Este estudio amplía el trabajo previo en esta área mediante la incorporación de pérdidas de Segundo Orden. A raíz de este esfuerzo, se realizaron estudios que se basan en funciones arbitrarias que describen el movimiento del pistón y otros estudios paramétricos del compartimiento de los cilindros. Resultados desfavorables fueron obtenidos en los estudios de movimiento para las funciones arbitrarias. El bajo rendimiento obtenido se debió a altas velocidades del gas, aumentando significativamente las pérdidas de potencia. Sin embargo, se encontró una configuración óptima para el compartimiento en el cilindro manteniendo el movimiento senosoidal.