การศึกษาและพัฒนาเครื่องยนต์สเตอร์ลิงแบบแกมมาโดยแหล่งความร้อนจากกระบวนแก๊สปิโตรเลียมเหลวStudy and Development of Gamma Stirling Engine by Heat Source from Liquefied Petroleum Gas Process

Abstract

งานวิจัยนี้เป็นการศึกษาและพัฒนาเครื่องยนต์สเตอร์ลิงต้นแบบ โดยเครื่องยนต์สเตอร์ลิงสามารถรับแหล่งความร้อนได้หลากหลายแหล่งเพราะเป็นเครื่องยนต์สันดาปภายนอก งานวิจัยนี้ได้ทำการออกแบบและสร้างเครื่องยนต์สเตอร์ลิงแบบแกมมา โดยใช้หลักการสมการวิเคราะห์และสมมุติฐานของเบลล์นัมเบอร์ในการประมาณค่าขนาดของเครื่องยนต์ในส่วนการออกแบบความแข็งแรงของชิ้นส่วนเครื่องยนต์ได้ทำการวิเคราะห์แรง และความแข็งแรงของวัสดุด้วยวิธีทางไฟไนต์เอลิเมนต์ (FEA; Finite Element Analysis) โดยใช้โปรแกรม Top Solid ขณะที่การวิเคราะห์การถ่ายเทความร้อนของวัสดุได้ใช้โปรแกรม CFD (Computational Fluid Dynamics) เข้ามาช่วย ทั้งนี้ ได้ทำการวัดค่าพารามิเตอร์ต่างๆ ได้แก่ ความดันสารทำงานภายในด้านร้อนและเย็น อุณหภูมิแหล่งความร้อนที่ตำแหน่งต่างๆ ความเร็วเชิงมุม ความเร่งเชิงมุม และอัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นเพื่อช่วยในการวิเคราะห์หากำลังเครื่องยนต์ งานวิจัยนี้ได้เลือกใช้อากาศเป็นสารทำงาน และมีความดันสมบูรณ์เริ่มต้นภายในเท่ากับ 1 บาร์ ในการให้ความร้อนกับเครื่องยนต์ได้ใช้หัวเผาก๊าซปิโตรเลียมเหลว (LPG) เป็นแหล่งให้ความร้อน ทั้งนี้ ได้ทำการศึกษาโดยการปรับเปลี่ยนแหล่งความร้อนที่ให้กับสารทำงานภายในด้านร้อนมีอุณหภูมิประมาณ 326–448 องศาเซลเซียส และกระบอกด้านเย็นมีอุณหภูมิประมาณ 35.75–37.75 องศาเซลเซียส และยังทำการปรับเปลี่ยนอัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นเพื่อดูผลกระทบที่มีต่อกำลังงาน ผลการทดลองพบว่า เครื่องยนต์สเตอร์ลิงที่สร้างขึ้นมีความเร็วรอบเครื่องยนต์ประมาณ 272 รอบต่อนาที อุณหภูมิสารทำงานภายในด้านร้อน 368 องศาเซลเซียส Flow ของน้ำหล่อเย็น 2 ลิตรต่อนาที และได้กำลังจากพื้นที่ใต้กราฟ P – V Diagram เท่ากับ 3.02 วัตต์ โดยในงานวิจัยนี้ได้ทำการวิเคราะห์ความดันในฝั่งด้านร้อนและด้านเย็นเพื่อหากำลังบ่งชี (Indicated Power) พบว่า หากวิเคราะห์ความดันเพียงฝั่งเดียวผลที่ได้อาจจะคลาดเคลื่อนไปได้มากกว่า 10%

This research is a study and development of a Stirling engine prototype. Since this type of engine is an external combustion type, it can get a variety of heat sources. The design and the construction of Stirling engine prototype was based on the principle of equation analysis and Belle Number hypothesis to estimate the size of the engine. In determining the strength of materials by finite element method (FEA; Finite Element Analysis), Top Solid program was used. While the analysis of the material's heat transfer, the CFD program (Computer Fluid Dynamics) was used to measure the various parameters which are the working pressure inside the hot and cold side, heat source temperature at various locations, angular velocity angular acceleration, and the coolant flow rate to help analyze the engine power. Air is used as working substance with an absolute internal pressure equal to 1 bar. In heating the engine, Liquefied Petroleum Gas (LPG) burners are used as heat source. This study was conducted by with the heat with to the working substance inside the hot side with the temperature around 326–448 degrees celsius and the cold side cylinder with with temperature of 35.75–37.75 degrees celsius. The flow rate of cooling water was also adjusted to see the effect on the work force. The results showed that the developed Stirling engine reached the engine speed of approximately 272 rpm, the temperature of the working substance inside the hot side was 368 degrees celsius, the flow of coolant was 2 lpm and the power from the area under the P – V Diagram graph was 3.02 W. In this research, the pressure in the hot and cold side were analyzed to find the Indicated Power and can be concluded that if only one side of the pressure is analyzed, the result may be more than 10% deviation.