Beta tipi bir Stirling motorunun tasarımı imalatı ve performans analizleri

Bu çalışmada 365 cm3 süpürme hacmine sahip rhombic hareket iletim mekanizmalı beta tipi bir Stirling motorunun tasarımı, analizleri ve imalatı yapılmıştır. Bu kapsamda rhombic hareket iletim mekanizmalı beta tipi bir Stirling motorunun kinematik ve termodinamik analizleri Fortran programında sayısal olarak incelenmiştir. Rhombic hareket iletim mekanizmalı motorun krank açısına bağlı olarak hacim ve basınç değişimleri Gustav Schmidt tarafından geliştirilen izotermal analiz metodu kullanılarak yapılmıştır. İş akışkanı kütlesi, şarj basıncı, ısıtıcı ve soğutucu sıcaklığı gibi motor performansı ile ilgili temel parametrelerin; net iş miktarı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Deneysel çalışmalarda iş akışkanı olarak hava, argon, karbondioksit, helyum ve nitrojen olmak üzere beş farklı gaz kullanılmıştır. Bu tüm iş akışkanları; paslanmaz çelik ve titanyum malzemeli iki farklı yer değiştirme pistonları için 1, 2, 3, 4 ve 5 bar şarj basınçlarında motor performans karakteristikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. İmalatı yapılan Stirling motorunun, özel olarak tasarımı yapılan elektrikli ısıtıcı kullanılarak 727 °C (± 10 °C) sıcak uç ve 27 °C (± 5 °C) soğuk uç sıcaklığında motor devrine bağlı olarak motor performans testleri yapılmıştır. Tüm deneysel çalışmalar içerisinde ki maksimum motor gücü; paslanmaz çelik yer değiştirme pistonu ve helyum gazının iş akışkanı olarak kullanıldığında, 4 bar şarj basıncında 550 d/d motor devrinde 215,48 W, maksimum motor tork değeri ise 5 bar şarj basıncında 150 d/d motor devrinde 7,54 Nm olarak elde edilmiştir. Maksimum motor güçleri içerisinde ki en düşük motor gücü; titanyum malzemeli yer değiştirme pistonu kullanılarak 3 bar basınçta 300 d/d motor devrinde argon gazının iş akışkanı olarak kullanıldığında 34,66 W olarak elde edilmiştir. Yapılan tüm deneysel çalışmalar içerisinde en verimli performans değerleri paslanmaz çelik malzemeli yer değiştirme pistonu ve helyum gazının iş akışkanı olarak kullanıldığında elde edilmiştir. Nitrojen dışındaki tüm iş akışkanlarında paslanmaz çelik malzemeli yer değiştirme pistonu, titanyum malzemeli olana göre daha iyi performans göstermiştir. Paslanmaz çelik malzemeli yer değiştirme pistonu ve helyum gazı ile yapılan deneysel çalışmalarda elde edilen maksimum motor gücü; nitrojen, hava, karbondioksit ve argon gazlarından elde edilen güçlerden sırasıyla %72,12; %73,69; %241,49 ve %288,81 daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca performans testlerinde ölçülen sıcaklık, basınç, devir ve tork değerleri kullanılarak enerji ve ekserji analizleri gerçekleştirilmiştir. Ekserji analizi sonucunda paslanmaz çelik malzemeli yer değiştirme pistonunda 4 bar şarj basıncı 550 d/d motor devrinde helyum gazı en iyi performası göstermiştir. Bu şartlarda helyum iş akışkanında termodinamik analizlerde 0,3726 W/K entropi üretimi ve 195,53 W yok olan ekserji hesaplanmıştır. Ayrıca aynı şartlarda helyum gazı en yüksek verim değerleri olan %48,04 ısıl verim, %56,54 ekserji verimi ve %69,2 Carnot verimi sağlamıştır. En düşük ekserjetik performans argonun iş akışkanı olarak kullanıldığı titanyum malzemeli yer değiştirme pistonunda ortaya çıkmıştır.