تبلیغات
آشنایی با رشته مکانیک - میکرو توربین (microturbine)

آشنایی با رشته مکانیک
 

خلاصه:

یك میكرو توربین محوری تك مرحله ای كه با روتوری به قطر mm 10 ساخته شده است . این توربین اولین گام در جهت تولید انرژی الكتریكی از سوخت توسط میكروتوربین است ، توربین از فولاد زنگ نزن ساخته شده است كه سوراخ هایی و یك سیستم مولد الكتریكی روی آن جای داده شده است . این توربین در سرعت های بالاتر ازrpm  160000 آزمایش شده و بیش ترین انرژی الكتریكی تولید شده w28 با راندمان %18 است . وقتی به یك مولد كوچك متصل شد آن مولد w 16 توان الكتریكی تولید می كند كه راندمان كل سیستم برابر %10.5 است .

مقدمه

خیلی از وسایل قابل حمل از باتری برای توان تغذیه خود استفاده می كنند باتری های رایج Li-ion كه چگالی انرژی بیشتر از  0.5 میلی ژول بر کیلوگرم دارند اما هنوز محدودیت هایی را دارا هستند برای نمونه هایی چون رایانه های همراه و تلفن های بی سیم .

مدت زمان شارژ كردن به عنوان مشكل مطرح است . از سوی دیگر سوخت یك چگالی انرژی زیادی را در حدود 45 میلی ژول بر کیلوگرم ارائه می دهد و مخزن می تواند به سادگی دوباره پر شود . بنابراین گروه های مختلفی روی توسعه اساسی ریزمولدهای توان  در سلول های سوختی كار می كنند .

وسایل های ترموالكتریكی (برقی- حرارتی ) موتورهای رفت و برگشتی احتراق داخلی ، موتورهای ونكل و توربین های گازی ، این مقاله راجع به میكروتوربین است كه یك توربین تولید محوری كه با ماشین دشارژ الكتریكی (EDM) ساخته شده است .

میكرو توربین ساخته شده در MIT با توربین تولید شعاعی و با قطر روتور  4 میلی متر است كه با روش لیتوگرافی si یا sic تولید شده است . میكرو توربین ساخته شده در StonFord یك توربین محوری - شعاعی است، با یك روتور به قطر mm 12 كه با نیترید سیلسیم ریخته گری شده در ژل- چدن و با استفاده از قالب مومی ساخته شده است . گروه دانشگاه توهاكو و دانشگاه توكیو از محورهای شعاعی مثل طراحی محوری – شعاعی استفاده عاقلانه ای كرده اند.

با تشکر از آقای علی شاهورانیان دانشجوی ترم آخر مکانیک سیالات

2- تأثیر مقیاس میكرو توربین

كاهش مقیاس چندین تأثیر بر ساختمان و انتخاب سوخت توربین می گذارد.

1-2 ـ  افزایش چگالی توان با مینیاتورسازی .

تحلیل ابعادی نشان می دهد كه توان تولیدی ‍p توسط توربو ماشین متناسب است با چگالی گاز r و با  توان پنجم قطر D و توان سوم سرعت دورانی  n 

برای یك نسبت تراكم مشخص و شرایط ورودی ثابت و سرعت سیال هنگام خروج از نازل ثابت است و مستقل از اندازه نازل است بنابراین سرعت پیرامون توربین ثابت است و مستقل از اندازه توربین است .

این یعنی كه در یك شرایط كاری بهینه اندازه و سرعت دورانی نسبت عكس دارند

بدین ترتیب چگالی توان با مقیاس نسبت عكس دارد

بدین ترتیب چگالی توان توربو ماشین افزوده می شود . با جایگذاری یك توربو ماشین توسط ماشین های كوچكتر از k كه هر یك با  k ام  قدرت ، حجم كل و جرم می تواند توسط یك فاكتور k كاهش یابد . این جرم كاسته شده برای مقادیر مربوط به دانش هوا فضا و كاربردهای فضایی مناسب و سودمند

است . جایگزینی یك توربوماشین بزرگ بوسیله چند توربوماشین كوچك  ،  همچنین  اصلاح  ضریب اطمینان بویژه زمانی كه وسایل تكراری اضافه شده باشند .

چنانچه در بخش 3-2 نشان داده می شود با كوچك سازی ، عدد رینولدز كاهش می یابد كه در چگالی توان اثر منفی كمی دارد .

چگالی توان در توربو ماشین مینیاتوری به جهت دلایل فنی محدودیت دارد . توربو ماشین های كوچك نمی توانند با دقت لازمه برای جزئیات آن ساخته شوند و همچنین انجام دادن آن متفاوت از مقادیر محاسبه شده در قانون مقیاس است .

2-2 ـ سرعت های دورانی بالا

سرعت دورانی رابطه معكوسی با قطر دارد برای یك توربین به قطر  mm 10 سرعت دورانی مطابق با حالت فروصوت در خروجی نازل كمتر از rpm 325000  است . برای توربینی با قطر mm 5 سرعت دورانی به rpm650000  صعود می كند كه واضح است این مقادیر دورتر از حد بلبرینگها است به طوری كه بلبرینگ های گازی یا بلبرینگ های كمكی نیاز است .

همچنین سرعت توسط سرعت شكست روتور محدود است . این سرعت شكست ( در شرایط سرعت مماسی ) برای یك هندسه و جنس معیین روتور یك مقدار ثابت است و بدین گونه از اندازه مستقل است . حد شكست برابر است با سرعت دورانی كه با معكوس اندازه متناسب است . بدین ترتیب سرعت شكست و سرعت ناشی از نسبت فشار از قانون مقیاس (آنالیز ابعادی بین توربین های بزرگ و میكرو توربین ) پیروی می كند .

3-2 ـ قانون عدد رینولدز

با یك مشخصه سرعت u و یك مشخصه ابعادی L از شیارهای  سیال و چگالی جنبشی . سرعت می تواند مستقل از اندازه مطرح شود و تنها با نسبت تراكم متناسب باشد . عدد رینولدز با اندازه متناسب است و برای این منظور با مینیاتورسازی كاهش می یابد . برای توربین های كوچك سیال دارای آشفتگی (turbulent) كم و بیشتر آرام (laminar) است . این بدان معنی است كه تلفات اصطكاك لزجتی بالاست و تركیب شدن مخلوط سوخت و هوا آهسته خواهد بود . هر دو تأثیر منفی بر راندمان و چگالی توان دارند.

4-2 ـ شروع و پایان سریع :

قدرت كوچكی به روتور اجازه شروع و پایان كار توربین را در كسری از ثانیه می دهد . این توان اجازه دهنده با استفاده از پالس های دورانی تنظیم می شود . در اینجا توربین وقتی كه به یك مولد متصل شده باشد می تواند با یك سرعت بهینه بچرخد و ولتاژ ثابتی را تولید كند.

5-4 ـ افزایش انتقال حرارت

نسبت سطح به حجم ، نتایج را در انتقال حرارت بالا ، افزایش می دهد. تلفات حرارت بالا یك تأثیر منفی در راندمان توربین دارد و ممكن است حتی موجب خاموش شدن شود . در اندازه های بسیار كوچك ، تولید حرارت توسط احتراق منهای تلفات حرارت از اشتعال مخلوط به اندازه كافی بزرگ نیست . دیگر تأثیر عایق حرارتی بین قسمت های گرم و قسمت های سرد است كه بیشتر و بیشتر از یك مشكل می شود .

6-2 ـ زمان استقرار كوتاهتر

زمان استقرار مخلوط سوخت ـ هوا با اندازه توربین متناسب است این یعنی كه زمان اختلاط و احتراق برای توربینهای كوچك كاهش می یابد . برای توربین های معمول زمان كمتر از 500 طول خواهد كشید و زمان استقرار زمان واكنش جنبشی را در مخلوط سوخت ـ هوا كاهش می دهد ( ms0.1 ـ 0.01 ) . بنابراین اندازه وابسته به اتاق احتراق است و باشد افزایش یابد و سوخت با زمان احتراق كمتری و تأخیر احتراق كمتری استفاده شود. در جریان اتاق احتراق اختلاط ، قسمت زیادی از زمان استقرار را به خود اختصاص می دهد بنابراین آن باید در بهینه كردن پیش اختلاط سوخت و هوا قبل از ورودشان به اتاق احتراق صورت گیرد . یكی از عیوب پیش اختلاط این است كه سوخت غنی و ناحیه پایدار اولیه در اتاق احتراق ناپدید می شود . احتراق مخلوط ضعیف می تواند با استفاده از هیدروژن در سوخت و توسط استفاده از كاتالیزورها به صورت پایدار در آورده شود .

هیدروژن یك سوخت ایده آل در خیلی موارد است . در مقایسه با سوخت های هیدروكربنی ، هیدروژن انرژی احتراق نسبت به جرم مخصوص بالاتری دارد ، سرعت تبخیر بالایی دارد ، یك سرعت انتشار بالایی دارد و یك زمان واكنش كوچك و یك سرعت پخش نسبتاً بالاتری دارد ، محدوده اشتعال گسترده تری دارد و انرژی اشتعال كمتری دارد و تلفات تابشی كمتری دارد . اشتعال عریض محدودیت های نیاز یك ناحیه غنی اولیه احتراق را رفع می كند.

ادامه دارد ...





طبقه بندی: مقاله، 

نوشته شده در تاریخ یکشنبه 9 مرداد 1384 توسط حسین ده جوریان
قالب وبلاگ