Invalidity of isothermal analysis in estimating the thermal performance of stirling engine and cryocooler

• Published in: The Iraqi journal for mechanical and materials engineering. Vol. 21; no. 4; pp. 274 - 288
• Main Authors: Karim, Hayla Jabbar, al-Hamdani, Ali Abd al-Rida F., Ibrahim, Ali Numan
• Format: Journal Article
• Language: Arabic; English
• Published: Babylon, Iraq University of Babylon, College of Engineering 31-12-2021
• Subjects: الخواص الحرارية; الطاقة الشمسية; انتقال الحرارة; درجات الحرارة
• ISSN: 2076-1819; 1819-2076; 2313-3783
• DOI: 10.32852/iqjfmme.v21i4.573

The Stirling engine is an external heat engine, which is considered as the best option for extracting work from concentrated solar power applications. The most prominent characteristics of the engine are low noise, vibration, and emissions besides reflexivity of usage with any kind of heat source such as solar, biomass, industrial heat, etc. In the present paper, the STE-1008 gamma-type Stirling engine had been analyzed by using an isothermal model to demonstrate the failure of the model in analyzing the STE-1008 considering it firstly as an engine and secondly as a cryocooler. The energy equation had been used to demonstrate the disability of the isothermal model in achieving a successful thermal analysis for engine performance. In addition, a MATLAB code had been developed to check the credibility of the isothermal model in the estimation of the engine thermal parameters. The findings of the isothermal analysis revealed that the heat exchangers are unnecessary. But, in reality; all the necessary heat transfer occur within the heat exchangers rather than in the working space boundaries. Therefore, that is invalid conclusion. However, Schmidt's theory is capable of capturing the essential engine features superbly. In particular, it is capable of capturing the fundamental interplay between the mechanically restricted movement of the engine components as well as the thermodynamic cycle which is obtained from this theory.
محرك ستيرلنغ هو محرك حراري خارجي، و الذي يعتبر الخيار الأفضل لاستخلاص شغل بالمعنى الميكانيكي في تطبيقات الطاقة الشمسية المركزة. أبرز خصائص المحرك هي انخفاض مستوى الضجيج، الاهتزاز، و الانبعاثات بالإضافة إلى انعكاسية الاستخدام مع أي نوع من مصادر الحرارة مثل الطاقة الشمسية، الكتلة الحيوية، الحرارة الصناعية و ما إلى ذلك. في هذا البحث، تم تحليل محرك ستيرلينغ من نوع جاما STE-1008 باستخدام النموذج المتساوي درجة الحرارة لإثبات فشل هذا النموذج في تحليل STE-1008 معتبرا إياه أولا محركا وثانيا مبردا. تم استخدام معادلة الطاقة لإثبات عجز النموذج المتساوي درجة الحرارة في تحقيق تحليل حراري ناجح لأداء المحرك. بالإضافة إلى ذلك، تم تطوير برنامج MATLAB للتحقق من مصداقية النموذج المتساوي الحرارة في تقدير المعالم الحرارية للمحرك. بينت النتائج ب أن المبادلات الحرارية غير ضرورية وفقا لهذ التحليل، حيث يحدث كل انتقال حراري خارجي ضروري من خلال حدود مساحة العمل و هو أمر مستحيل. و مع ذلك ، فإن نظرية شميت تلتقط ميزات المحرك الأساسية بشكل رائع لا سيما التفاعل الأساسي بين الحركة المقيدة ميكانيكيا لمكوناته و كذلك الدورة الديناميكية الحرارية التي تنتج عن هذه النظرية .