Analysis of a Stirling Engine-Based High-Temperature Heat Pump Using Helium, Nitrogen, and Argon as Working Fluids

Abstract

Denne oppgaven undersøker ytelsen til Stirling-maskinens varmepumpe ved bruk av Helium (He), Nitrogen (N2) og Argon (Ar) som arbeidsfluider, og analyserer deres termodynamiske egenskaper og innvirkning på varmepumpens effektivitet. Analysen avdekket at tettheten av disse gassene øker lineært med trykket og avtar med temperaturen, der Helium har den laveste tettheten og Argon den høyeste. Spesifikk varmekapasitet (Cv) forblir relativt konstant over trykk og temperaturer, mens Cp/Cv-forholdet viser minimale endringer, noe som reflekterer den ideelle gassoppførselen til disse fluidene. Helium utviser den høyeste lydhastigheten og termiske ledningsevnen på grunn av sin lavere molarmasse, og viskositetstrender samsvarer med forventningene fra kinetisk teori, og viser stabilitet over trykk, men øker med temperaturen. Studien evaluerte også forenklede modellprediksjoner, og bemerket en negativ korrelasjon mellom temperatur på den varme siden (TH) og ytelseskoeffisient (COP), og en positiv korrelasjon mellom temperatur på den kalde siden (TL) og COP. Optimalisering av TH og TL kan betydelig forbedre COP, spesielt for Argon ved høyere TL. I tillegg viste variasjoner i motorens geometriske parametere, som slagvolum, dødvolum og regenerativt volum, at økning av slagvolumet forbedrer effektiviteten, mens økning av dødvolum og regenerativt volum reduserer den. Høyere middeltrykk forbedrer konsekvent COP for alle gasser, med Helium som viser den mest betydelige forbedringen. For å optimalisere ytelsen til Stirling-motoren, anbefaler studien å velge Helium for sin overlegne effektivitet, videre undersøke Argon for spesifikke konfigurasjoner, og optimalisere driftsforholdene for å balansere TH, TL, middeltrykk og motorkraftforbruk. Utvidede eksperimentelle studier og detaljerte analyser anbefales for å validere simuleringsresultater og forbedre prediktive modeller, som til slutt fremmer Stirling-motorteknologi og dens anvendelser.

This thesis investigates the performance of Stirling machine heat pump using Helium (He), Nitrogen (N2), and Argon (Ar) as working fluids, analyzing their thermodynamic properties and impacts on HP efficiency. The analysis revealed that the density of these gases increases linearly with pressure and decreases with temperature, with Helium having the lowest density and Argon the highest. Specific heat capacity (Cv) remains relatively constant across pressures and temperatures, while the Cp/Cv ratio shows minimal changes, reflecting the ideal gas behavior of these fluids. Helium exhibits the highest speed of sound and thermal conductivity due to its lower molar mass, and viscosity trends align with kinetic theory expectations, showing stability across pressures but increasing with temperature. The study also evaluated simplified model predictions, noting a negative correlation between hot side temperature (TH) and coefficient of performance (COP), and a positive correlation between cold side temperature (TL) and COP. Optimizing TH and TL can significantly enhance COP, particularly for Argon at higher TL. Additionally, varying engine geometrical parameters such as swept volume, dead volume, and regenerator volume demonstrated that increasing swept volume improves efficiency, while increasing dead and regenerator volumes decreases it. Higher mean pressures consistently improve COP for all gases, with Helium showing the most significant enhancement. To optimize Stirling engine performance, the study recommends selecting Helium for its superior efficiency, further investigating Argon for specific configurations, and optimizing operating conditions to balance TH, TL, mean pressures, and motor power consumption. Extended experimental studies and detailed analyses are advised to validate simulation results and refine predictive models, ultimately advancing Stirling engine technology and its applications.