مرداد
4 نوع موتور استرلینگ؛ اصول کار و کاربردها
در این برگه قصد داریم به معرفی یکی از انواع موتور بنام موتور استرلینگ بپردازیم و نحوه کار، انواع و کاربردهای آن را بررسی کنیم. پس با ما همراه باشید.
فهرست مطالب
1- موتور استرلینگ چیست؟
2- اصول کار و نمودار موتور استرلینگ
3- انواع موتور استرلینگ
4- کاربرد موتورهای استرلینگ
——————————
1- موتور استرلینگ چیست؟
اختراع موتور استرلینگ در سال 1816 توسط رابرت استرلینگ انجام شد. او قصد داشت جایگزین ایمن‌تری برای موتورهای بخار ایجاد کند، زیرا موتورهای بخار به دلیل انفجار دیگ بخار با اثر فشار بخار بالا و همچنین محدودیت‌های برخی مواد اولیه که در آن زمان در دسترس بودند، خطرناک بودند.
عملکرد موتور استرلینگ مانند سایر موتورهای حرارتی است که برای تبدیل انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی استفاده‌می‌شوند. سیکل استرلینگ یک چرخه ترمودینامیکی است که از دو فرآیند همدما و دو فرآیند ایزوکوریک تشکیل شده‌است و متفاوت از چرخه کارنو است. چرخه استرلینگ فرآیندهای ایزنتروپیک در چرخه کارنو را با فرآیندهای ایزوکوریک جایگزین می‌کند. این چرخه دارای حداکثر بازدهی، مشابه چرخه ایده‌آل کارنو است.
بنابراین، دو ویژگی اساسی برای موتور استرلینگ وجود دارد که عبارت است از: یک چرخه بسته و یک موتور احتراق خارجی. به این معنی که موتور از مقدار ثابتی از مایع کار، که در یک ظرف در بسته محصور شده‌است و گرمای مصرفی که از خارج تامین می‌شود، استفاده‌می‌کند. این ویژگی به موتور اجازه می‌دهد تا بر روی هر منبع گرمایی که می‌تواند شامل سوخت های فسیلی، هوای گرم، خورشیدی، مواد شیمیایی، انرژی هسته ای و غیره باشد، کار کند. همچنین خوب است بدانید که این موتورها می‌توانند با اختلاف دمای بسیار پایین (تا 7 درجه سانتیگراد بین منبع گرما و هیت سینک) کار کنند و از گرمای بدنه و بخار تغذیه شوند.
——————————
2- اصول کار و نمودار موتور استرلینگ
اصول کار
اصول کار موتور استرلینگ به خاصیت گازها متکی است. بدین ترتیب که در هنگام گرم شدن منبسط می‌شود و در هنگام سرد شدن منقبض می‌شود یا می‌توان به این صورت توضیح داد که گازی که در هر حجم ثابتی وجود دارد باعث افزایش فشار در گرما و کاهش در سرما می‌شود. فرآیند گرمایش و سرمایش یک حرکت رفت و برگشتی در پیستون ایجاد می‌کند که باید با استفاده از یک میله اتصال معمولی و یک میل لنگ همراه با یک فلایویل به یک حرکت چرخشی تبدیل شود.
نرخی که دمای گاز در اثر گرمایش و سرمایش تغییر می‌کند، موجب محدود شدن سیلندر به ظرفیت حرارتی پیستون‌ها و سیلندرها می‌شود. با این حال، این محدودیت می‌تواند با حرکت گاز از یک سر سیلندر به انتهای دیگر با حفظ دمای بالای ثابت در یک سر و دمای سرد ثابت در انتهای دیگر سیلندر برطرف شود.
این وضعیت با کمک یک پیستون آزاد که به نام جابجایی شناخته می‌شود، به دست می‌آید. پیستون جابجایی به طور پیوسته در داخل سیلندر حرکت می‌کند، و گاز را از یک سر به انتهای دیگر انتقال می‌دهد. همانطور که پیستون حرکت می‌کند، گاز شروع به نشت در اطراف شکافی می‌کند که بین پیستون و دیواره سیلندر وجود دارد. این پیستون به خودی خود نیرو تولید نمی‌کند و فقط از انرژی کافی برای گردش مقدار گاز در داخل سیلندر استفاده می‌کند.
نمودار PV و TS چرخه استرلینگ
چرخه ایده‌آل استرلینگ از 4 فرآیند زیر تشکیل شده‌است:
1)فرآیند 1-2 : افزودن حرارت همدما
2)فرآیند 2-3: حذف حرارت با حجم ثابت
3)فرآیند 3-4: حذف حرارت همدما
4)فرآیند 4-1: اضافه کردن حرارت با حجم ثابت
در شکل فوق، QR انتقال حرارت به دلیل احیا را نشان می‌دهد.
فرآیند چرخه استرلینگ:
همانطور که اشاره شد، چرخه استرلینگ از دو فرآیند همدما و دو فرآیند ایزوکوریک تشکیل شده‌است. هر یک از فرآیندها در ادامه توضیح داده شده‌اند:
1) افزودن حرارت همدما
واحد نشان داده‌شده در شکل بالا به درک فرآیندهای مختلفی که در چرخه استرلینگ رخ می‌دهد، کمک می‌کند. این فرآیند از یک سیلندر داغ در دمای TH، یک سیلندر سرد در دمای TL و یک احیا کننده تشکیل شده‌است.
فرآیند نشان داده‌شده در شکل بالا، نشان دهنده اضافه شدن حرارت همدما است. در این فرآیند، هوای موجود در یک سیلندر داغ توسط یک منبع حرارتی خارجی گرم می‌شود. در طول این افزایش گرما، پیستون-A به سمت چپ حرکت می‌کند تا باعث انبساط همدما هوا شود.
2) حذف حرارت با حجم ثابت
در طی این فرآیند، هوای داخل سیلندر گرم از طریق احیا کننده به سیلندر سرد منتقل می‌شود. برای این منظور، پیستون-A به سمت راست و پیستون-B به سمت چپ حرکت می‌کند. در احیاکننده، هوا، گرما را دفع می‌کند تا دمای خود را از TH به TL تغییر دهد و سپس وارد سیلندر سرد شود.
3) حذف حرارت همدما
در این فرآیند، هوای داخل سیلندر سرد با دفع گرما به سینک خارجی، تحت فشار همدما قرار می‌گیرد. در طی این فرآیند، پیستون-B به سمت داخل حرکت می‌کند.
4) اضافه کردن حرارت با حجم ثابت
طی این فرآیند هوای داخل سیلندر سرد از طریق احیا کننده به سیلندر گرم منتقل می‌شود. برای این منظور، در حالیکه پیستون-B به سمت داخل حرکت می‌کند، پیستون-A خارج می‌شود. هوا هنگام عبور از احیاکننده برای افزایش دما از TL به TH ، گرمای QR را می‌گیرد.
——————————
3- انواع موتور استرلینگ
موتور استرلینگ انواع مختلفی دارد که عبارتند از:
- موتور استرلینگ آلفا
- موتورهای استرلینگ بتا
- موتورهای استرلینگ گاما
- موتور استرلینگ دو طرفه
– پیکربندی آلفا
در پیکربندی موتور استرلینگ دو سیلندر وجود دارد که با مقدار ثابتی هوا و سیالات دیگر، که یکی گرم و دیگری سرد است، محصور شده‌است و بین هر دو سیلندر به جلو و عقب جابجا می‌شود. این کار زمانی انجام‌می‌شود که هوای گرم که در سیلندر داغ وجود دارد منبسط می‌شود و در هنگام تعامل با هوای سرد موجود در سیلندر منقبض می‌شود. در واقع این همان منبع انرژی‌ای است که برای انجام کارهای مکانیکی در فرآیند استفاده‌می‌شود.
– پیکربندی بتا
اگر بدانید ترمودینامیک موتور بتا استرلینگ بسیار شبیه به موتور آلفا است شگفت زده خواهید شد، اما واقعیت این است که پیکربندی فیزیکی آنها کاملاً با یکدیگر متفاوت است. این موتور تنها از یک سیلندر تشکیل شده‌است که از یک انتها به شدت گرم، و از طرف دیگر سرد می‌شود. برای این کار یک پیستون قدرت به صورت coaxially چیده شده‌است که با یک جابجایی همراه است و در داخل سیلندر حرکت می‌کند. پیستون جابجایی هیچ نوع توانی را از گازهایی که در حال انبساط هستند نمی‌گیرد، بلکه فقط برای انتقال گاز به عقب و جلو در دو انتها عمل می‌کند.
– پیکربندی گاما
این موتور با پیکربندی گاما مشابه موتور بتای استرلینگ است که پیستون قدرت به صورت coaxially نسبت به پیستون جابجایی نصب نشده‌است.
– پیکربندی دو طرفه
گازی که به طور مداوم کار می‌کند با کمک احیاگرها در بین سیلندرهای مجاور که از بالا گرم شده و در پایین خنک می‌شوند، به جلو و عقب حرکت می‌کند. این آرایش فاقد جابجایی است، زیرا پیستون‌ها در سیلندر مجاور این عملکرد را به خوبی انجام می‌دهند. در این پیکربندی، بسته نگه داشتن سیلندرها از دو انتها مهم است. همچنین، میله‌های اتصال باید بصورت مهر و موم شده به درپوش سیلندرهای مجاور متصل شوند، تا از خروج گاز از سیلندر محافظت شود.
——————————
4- کاربرد موتورهای استرلینگ
کاربردهای موتور استرلینگ را می‌توان به سه دسته اصلی تقسیم کرد:
- مکانیک و نیرو محرکه
- سیستم تولید برق
- گرمایش و سرمایش
مکانیک و نیروی محرکه
در ادامه به بررسی موارد مختلفی که در آنها از موتور استرلینگ برای امور مکانیکی استفاده می‌شود، پرداخته شده‌است. این موارد عبارتند از:
– موتور خودرو
اغلب ادعا می‌شود که موتورهای استرلینگ نسبت قدرت به وزن بسیار پایین، هزینه بسیار بالا و زمان راه اندازی بسیار طولانی برای کاربردهای خودرو دارند. همچنین، آنها مبدل‌های حرارتی پیچیده و گران قیمتی دارند.
یک خنک کننده استرلینگ باید دو برابر گرمای موتور Otto یا رادیاتور موتور دیزلی را دفع کند. هیتر باید از فولاد ضد زنگ، یا سرامیک ساخته‌شود تا در برابر دمای حرارت بالا مورد نیاز برای چگالی توان بالا مقاومت کند و حاوی گاز هیدروژن باشد که اغلب در خودروهای استرلینگ برای به حداکثر رساندن قدرت استفاده می‌شود. مشکلات اصلی استفاده از موتور استرلینگ در یک برنامه خودروسازی زمان راه اندازی، پاسخ دریچه گاز، زمان خاموش شدن و وزن است که همه آنها راه‌حل‌های قابل اجرا ندارند.
– موتور هواپیما
اگر بتوان به چگالی توان بالا و هزینه کم دست یافت، موتورهای استرلینگ ممکن است به عنوان موتورهای هواپیما، قابل استفاده‌باشند. از جمله ویژگی‌های این موتور می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- بی صداتر هستند.
- آلودگی کمتری دارند.
- در ارتفاع به دلیل دمای محیط کمتر، کارآیی پیدا می کنند.
- به دلیل قطعات کمتر و عدم وجود سیستم جرقه زنی قابل اعتمادتر هستند.
- لرزش بسیار کمتری تولید می‌کنند (فریم های هواپیما می توانند بیشتر دوام بیاورند)؛
- و از سوخت‌های ایمن تر و کمتر انفجاری استفاده می‌کنند.
با این حال، موتور استرلینگ در مقایسه با موتور معمولی Otto و توربین گاز سیکل برایتون، اغلب چگالی توان کمی دارد. این مشکل در خودروها مورد بحث بوده است و این ویژگی عملکردی در موتورهای هواپیما بسیار مهم است.
– وسایل نقلیه الکتریکی
موتورهای استرلینگ به عنوان بخشی از یک سیستم محرک الکتریکی هیبریدی می‌توانند از چالش‌ها یا اشکالات طراحی یک خودروی غیرهیبریدی استرلینگ جلوگیری کنند. در نوامبر 2007، پروژه Precer در سوئد، یک نمونه اولیه خودروی هیبریدی را با استفاده از سوخت زیستی جامد و موتور استرلینگ معرفی کرد.
– موتور دریایی
موتور استرلینگ ممکن است برای سیستم‌های قدرت زیر دریا که در آن به کار الکتریکی یا مکانیکی در سطح متناوب یا پیوسته نیاز است، مناسب باشد. جنرال موتورز کارهای قابل توجهی روی موتورهای استرلینگ پیشرفته انجام داده‌است که شامل ذخیره‌سازی حرارتی برای کاربردهای زیر دریا است. یونایتد استرلینگ، در سوئد، در حال توسعه یک موتور آزمایشی چهار سیلندر است که از پراکسید هیدروژن به عنوان یک اکسید کننده در سیستم‌های سوخت رسانی زیر آب استفاده می‌کند.
– موتور پمپ
موتورهای استرلینگ می‌توانند پمپ‌ها را برای حرکت سیالاتی مانند آب، هوا و گازها راه‌اندازی کنند. به عنوان مثال، Stirling Technology Inc دارای توان خروجی5 اسب بخار (3.7 کیلووات) است که می‌تواند یک ژنراتور 3 کیلووات یا یک پمپ آب گریز از مرکز را راه اندازی کند.
سیستم تولید برق
– انرژی هسته ای
برای استفاده از موتورهای استرلینگ هسته‌ای در نیروگاه های تولید برق، پتانسیل خوبی وجود دارد. جایگزینی توربین‌های بخار نیروگاه هسته‌ای با موتورهای استرلینگ می‌تواند نیروگاه را ساده تر، راندمان را بالاتر، و محصولات جانبی رادیواکتیو را کاهش دهد.
چندین طرح راکتور از سدیم مایع به عنوان خنک‌کننده استفاده می‌کنند. اگر قرار است از گرما در نیروگاه بخار استفاده شود، به یک مبدل حرارتی آب/سدیم نیاز است، زیرا سدیم به شدت با آب واکنش نشان می‌دهد که تا حدودی نگران‌کننده است. موتور استرلینگ نیاز به آب را در هر قسمت از چرخه بی نیاز می‌کند که برای تاسیسات هسته‌ای در مناطق خشک مزایایی دارد.
– انرژی خورشیدی
موتور استرلینگ در کانون یک آینه سهموی قرار می‌گیرد و می‌تواند انرژی خورشیدی را به الکتریسیته با راندمان بهتری نسبت به سلول‌های فتوولتائیک غیر متمرکز و قابل مقایسه با فتوولتائیک متمرکز تبدیل کند.
– ترکیب گرما و برق
در یک سیستم ترکیبی حرارت و برق (CHP)، انرژی مکانیکی یا الکتریکی به روش معمولی تولید می‌شود، با این حال، گرمای اتلافی ساطع شده توسط موتور برای تامین یک کاربرد گرمایش ثانویه مانند گرمایش فضای تجاری، گرمایش آب مسکونی، یا یک فرآیند صنعتی استفاده می‌شود. نیروگاه‌های حرارتی در شبکه برق از سوخت برای تولید برق استفاده می‌کنند. با این حال، مقادیر زیادی گرمای اتلافی وجود دارد که اغلب استفاده نمی‌شود. در شرایط دیگر، از سوخت با کیفیت بالا، در دمای بالا، برای کاربردهای دمای پایین استفاده‌می‌شود. طبق قانون دوم ترمودینامیک، یک موتور حرارتی می‌تواند از این اختلاف دما نیرو تولید کند.
در سیستم CHP گرمای اولیه با دمای بالا وارد هیتر موتور استرلینگ می‌شود، سپس مقداری از انرژی به انرژی مکانیکی در موتور تبدیل می‌شود و بقیه به خنک کننده می‌رود و در دمای پایین از آنجا خارج می‌شود. گرمای «تلف شده» در واقع از خنک‌کننده موتور اصلی و احتمالاً از منابع دیگری مانند اگزوز، در صورت وجود، می‌آید. نیروی تولید شده توسط موتور می‌تواند برای اجرای یک فرآیند صنعتی یا کشاورزی مورد استفاده قرار گیرد، که به نوبه خود ضایعات بیومس را تولید می‌کند که می‌تواند به عنوان سوخت رایگان برای موتور استفاده شود و هزینه‌های دفع زباله را کاهش دهد. فرآیند کلی می‌تواند کارآمد و سودآور باشد.
گرمایش و سرمایش
اگر موتور استرلینگ با نیروی مکانیکی تامین شود، می‌تواند به صورت معکوس به عنوان یک پمپ حرارتی برای گرمایش یا سرمایش عمل کند. در اواخر دهه 1930، شرکت فیلیپس هلند با موفقیت از چرخه استرلینگ، در کاربردهای برودتی استفاده کرد.
مراجع
Types of Stirling Engine: Application & Working Principle
مطالب مرتبط