موتور استرلینگ چیست و چگونه کار می کند؟

دنیای اطلاعات: موتور استرلینگ یا موتور استیرلینگ که به آن ماشین استرلینگ هم گفته می‌شود یک موتور حرارتی است که در سال ۱۸۱۶ توسط دکتر رابرت استیرلینگ اختراع شد. موتور استیرلینگ قابلیت بازدهی بیشتری نسبت به موتورهای بنزینی و دیزلی دارد اما امروزه موتورهای استیرلینگ فقط در برخی کاربردهای خاص مانند زیردریایی‌ها یا ژنراتورهای کمکی در قایق‌ها (که عملکرد بی صدا مهم است) استفاده می‌شود. اگر چه موتورهای استیرلینگ به تولید انبوه نرسید اما برخی اختراعات پرقدرت با این موتور کار می‌کند.
 موتورهای استیرلینگ از چرخه استیرلینگ استفاده می‌کند که مشابه چرخه‌های استفاده شده در موتورهای احتراق داخلی نیست.
گاز استفاده شده در داخل موتورهای استیرلینگ هیچ وقت موتور را ترک نمی‌کند و مانند موتورهای دیزل و بنزینی سوپاپ دود که گازهای پر فشار را تخلیه می‌کند و محفظه احتراق وجود ندارد. به همین علت موتورهای استیرلینگ بسیار بی صدا هستند.
چرخه استیرلینگ از یک منبع حراتی خارجی که می‌تواند هر چیزی از بنزین و انرژی خورشیدی تا حرارت ناشی از پوسیدگی گیاهان باشد استفاده کند و هیچ احتراقی داخل سیلندرهای موتور رخ نمی‌دهد.

معرفی موتور استرلینگ

موتور استرلینک از دو سیلندر و دو پیستون تشکیل شده است در داخل سیلندر بزرگتر که به آن سیلندر جابجایی نیز گفته می شود پیستون جابجایی قرار دارد و در داخل سیلندر کوچکتر نیز پیستون کار یا قدرت واقع شده است هر دو پیستون کار یا قدرت از طریق محور مربوطه با اختلاف فاز در حدود ۹۰ از یکدیگر به میل لنگ وصل شده اند. دو انتهای سیلندر جابجایی بوسیله یک مجرا بیکدیگر متصل می باشد و صرفنظر از تلفات مکانیکی میتوان فشار محفظه های بالا و پائین آن را یکسان فرض نمود پیستون جابجایی بدون نیاز به درزبندی نسبت به سیلندر به راحتی میتواند در داخل آن حرکت کند و گاز عامل را که در داخل موتور قرار دارد از طریق مجرای مورد اشاره ، به قسمت فوقانی یا تحتانی خود هدایت کند.
در مسیر مجرای مورد بحث سه عضو مهم موتور ، یعنی گرم کن ،بازیاب و سرد کن، قرار گرفته اند .در این موتور گرم کن یا منبع گرم یک مبدل حرارتی است که حرارت را از هر منبع حرارتی مانند انرژی خورشیدی سوخت فسیلی و اخذ و به گاز عامل انتقال میدهد منبع سرد نیز به یک مبدل حرارتی یا محیط واگذار میکند در وسط منبع سرد نیز یک مبدل حرارتی است که گرمارا از گاز عامل گرفته وآن را به چاه حراراتی (محیط) واگذار می کند در وسط منبع گرم و منبع سرد بازیاب قرار دارد که همانند یک باطری حرارتی در حین عبور گاز گرمای آن را گرفته و در باز گشت مجدداآن را گرم میکند .
بازیاب بایستی ظرفیت حرارتی نسبتا بالا داشته و هدایت حرارتی در آن بخوبی صورت گیرد معمولا ماتریس بازیاب بسته به نوع کاربرد ، از سیم های فولاد ضد زنگ و یا برنج ساخته میشود . موتور استرلینگ در یک چرخه بسته عمل میکند و لذا بایستی از هرگونه نشت گاز عامل به بیرون جلو گیری گردد بنابراین محل عبور محور حرکت دهنده پیستون جابجایی از مرز سیلندر جمله محل هایی است که باید در زبندی شود .پیستور کار توسط محور مربوط (شاتون) به میل لنگ متصل میباشد قسمت فوقانی سیلندرها از طریق یک مجرا به سیلندر جابجایی ارتباط داشته و صرف نظر از تلفات مکانیکی میتوان آن را با سیلندر جابجایی هم فشار عوض کرد پیستون کار برخلاف پیستون جابجایی بایستی در درون سیلندر درزبندی شود بنحوی که بدون نیاز به رونکاری مانع از نشت گاز عامل به محیط گردد.

چرخه استرلینگ

چرخه استرلینگ یک چرخه ترمودینامیکی می‌باشد. این شامل موتور استرلینگ اولیه می‌باشد که در سال ۱۸۱۶ توسط رابرت استرلینگ با همکاری برادرش، طراحی و ساخته شد. چرخه برگشت پذیر می‌باشد، بدین معنی که اگر با کار مکانیکی تغذیه شود، می‌تواند به عنوان پمپ حرارتی یا یخچال عمل کند. سیکل به عنوان یک چرخه بسته همراه با بازیافت با سیال عامل گازی تعریف می‌شود. چرخه بسته به این معنی می‌باشد که سیال عامل به صورت همیشگی درون سیستم ترمودینامیکی بوده و از آن خارج نمی‌شود. این چرخه همچنین در رده موتورهای احتراق خارجی دسته بندی می‌شود. بازیافت مربوط به استفاده از یک مبدل حرارتی داخلی می‌باشد که بازدهی حرارتی سیستم را افزایش می‌دهد.

شرح فرایند

چرخه استریلینگ همانند دیگر چرخه های حرارتی دارای چهار فرایند اصلی می‌باشد:
با این حال، این فرایندها، به صورت جداگانه اتفاق نمی‌افتد، اما گذار از این حالات با هم همپوشانی دارند.
چرخه ایده‌ال استرلینگ از چهار فرایند تشکیل شده است:
انبساط هم‌دما. فضای انبساط از خارج حرارت داده می‌شود، و سیال عامل یک فرایند انبساط تقریباً همدما را طی می‌کند.
گرفتن دمای حجم ثابت. گاز از بازیافت حرارتی می‌گذرد، در تنیجه سرد شده، و گرمای خود را به بازیافت داده تا در مرحله بعدی چرخه مورد استفاده قرار گیرد.
تراکم هم‌دما. محفظه تراکم سرد شده، درنتیجه گاز یک فرایند تقریبا همدما را طی می‌کند.
دادن حرارت در حجم ثابت. هوای متراکم شده از بازیافت عبور داده شده و گرما می‌گیرد و وارد محفظه انبساط می‌شود.

سیکل استرلینگ چهار قسمت دارد:

۱- گرما که به گاز درون سیلندر گرم شده افزوده می شود (چپ) باعث ایجاد فشار می شود. این نیروها پیستون را به پایین حرکت می دهند. این قسمتی از سیکل استرلینگ است که کار انجام می دهد.
۲- پیستون چپ به سمت بالا حرکت می کند در حالی که پیستون سمت راست به سمت پایین حرکت می کند. این گاز داغ را در سیلندر سرد شده فشار می دهد که به سرعت گاز سرد می شود تا به دمای منبع سرمایشی برسد که فشار آن را کاهش می دهد. این باعث می شود تا آن ساده تر گاز را در قسمت بعدی سیکل را فشرده کند.
۳- پیستون در سیلندر سرد شده (راست) شروع به فشرده کردن گاز می کند. گرمای تولید شده توسط این فشردگی توسط منبع سرمایشی حذف می شود.
۴- پیستون راست به بالا حرکت می کند در حالی که پیستون چپ به سمت پایین حرکت می کند. این عمل گاز را به داخل سیلندر گرما می راند جایی که سریع گرم شده و باعث فشاری می شود و این نقطه ای است که سیکل دوباره تکرار می شود.
موتور استرلینگ فقط انرژی در طی اولین بخش سیکل ایجاد می کند. دو روش اصلی برای افزایش خروجی انرژی سیکل استرلینگ است:
– افزایش خروجی انرژی در مرحله یک: در قسمت اول سیکل فشار گاز گرم شده پیستون را در برابر انجام کار هل می دهد. با افزایش فشار در طی این بخش از سیکل خروجی انرژی موتور را افزایش خواهد داد. یک روش افزایش فشار افزایش دمای گاز است. هنگامی که به موتور دو پیستونی نگاهی کنیم می بینیم که چگونه وسیله ای به نام ری ژنراتور (regenerator) می تواند خروجی انرژی موتور را با ذخیره موقتی گرما بهبود دهد.
– کاهش کاربرد انرژی در مرحله سوم: در این قسمت از سیکل، پیستون ها روی گاز کار می کنند با استفاده از انرژی تولید شده در قسمت اول. با کاهش فشار در طی این بخش از سیکل انرژی استفاده شده را می تواند در طی این مرحله کاهش دهد (به طور کارآیی خروجی انرژی موتور را افزایش می دهد). یک روش برای کاهش فشار سرد کردن گاز به دمای پایین تر است.
در این بخش سیکل استرلینگ ایده آل توضیح داده شد. موتورهای کار واقعی کمی در سیکل متفاوت اند که به خاطر محدودیت های فیزیکی طرح آنهاست.
به جای داشتن دو پیستون، موتور نوع جابه جا شونده یک پیستون و یک جابه جا شونده دارد. جابه جا شونده برای کنترل عمل می کند موقعی که اتاقک گاز گرم می شود و هنگامی که سرد می شود.

طبقه بندی از نظر اتصال سیلندرها

الف- موتورهای نوع آلفا

موتورهای نوع آلفا دارای دو سیلندر مجزا برای فضاهای تراکم وانبساط بوده و در هر سیلندر یک پیستون قرار دارد. دو سیلندر مجزا به واسطه هیتر، بازیاب و کولر به هم متصل شده اند. پیستون گرم در کنار منبع گرم و پیستون سرد در کنار منبع سرد قرار می گیرد. این نوع از موتورها، از لحاظ مفهومی، ساده ترین ترکیب را در میان انواع ترکیبات موتور استرلینگ دارند. گرچه احتیاج به آب بندی هر دو پیستون از معایب آن به شمار می رود و مسئله آب بندی پیستون گرم به دلیل تماس با منبع گرم از مشکلات فنی آن می باشد. موتورهای آلفا دارای نسبت توان به حجم بالایی هستند.

ب- موتورهای نوع بتا

موتور استرلینگ نوع بتا، قدیمی ترین ساختمان موتورهای استرلینگ می باشد. اختراع رابرت استرلینگ به عنوان اولین موتور استرلینگ دارای ساختمان بتا بوده است. موتورهای نوع بتا از ترکیب پیستون قدرت و جابجا کننده استفاده می کنند. ساختمان موتور به این گونه است که هر دو پیستون در یک سیلندر به طور خطی قرار گرفته اند.

ج- موتورهای نوع گاما

موتور استرلینگ نوع گاما همانند موتور نوع بتا دارای ترکیب پیستون جابجا کننده می باشد. در این نوع موتور پیستون و جابجا کننده در دو سیلندر مجزا قرار دارند. موتور استرلینگ گاما نسبت به نمونه های آلفا و بتا، دارای نسبت تراکم کمتری می باشد. اما به دلیل اینکه تنها پیستون قدرت نیاز به آب بندی دارد و همچنین سیلندرها مجزا هستند، از لحاظ مکانیکی ساده ترین آرایش را در میان سایر چیدمان ها دارد..

سیال عامل (گاز) داخل موتور استرلینگ

در چرخه استرلینگ، سیال عامل به عنوان یک زیر سیستم مهم از موتور استرلینگ، در یک حجم بسته به طور متناوب گرما و سرما می گیرد و وظیفه حمل انرژی و انجام کار را به عهده دارد.
هر سیالی با ظرفیت حرارتی مخصوص بالا ممکن است به عنوان سیال عامل در موتور استرلینگ مطرح شود. به جز چند استثنا، غالب موتورهای استرلینگ در قرن نوزدهم از هوا به عنوان سیال عامل استفاده می کردند. بیشتر آنها نزدیک به فشار اتمسفر عمل می کردند. هوا ارزان و به سهولت در دسترس می باشد. سیال عامل به کار رفته در موتور استرلینگ باید خصوصیات ترمودینامیکی، انتقال حرارتی و دینامیکی(دینامیک گازها) زیر را داشته باشد.
۱- رسانش گرمایی بالا
۲- ظرفیت گرمایی ویژه بالا
۳- گران­روی پایین
۴- چگالی پایین
برای عملکرد بهتر موتور علاوه بر شرایط فوق، سهولت دسترسی پذیری، قیمت مناسب ، ایمنی عملکرد و ذخیره سازی آسان خصوصیات مهمی هستند که نمی توان آن ها را نادیده گرفت.

معرفی بهترین سیال عامل (گاز) داخل موتور استرلینگ

همانطور که گفته شد، در ابتدا از هوا به عنوان سیال عامل در موتور استرلینگ استفاده می شد و به همین علت نامگذاری ابتدایی آن بنام موتورهای هوایی بوده است؛ اما بعد ها به علت سبکتر بودن هلیم و هیدروژن نسبت به هوا ، این دو گاز جایگزین آن شدند. سبکتر بودن سیال عامل از طرفی منجر به کاهش حجم و وزن موتور شده و از طرفی دیگر کوچک و سبک بودن مولکولها موجب کاهش تلفات می گردد. در حال حاضر هیدوروژن سیال عامل ایده آل برای موتور استرلینگ از لحاظ خصوصیات ترمودینامیکی و فیزیکی به شمار می رود. اما به خاطر خطرات آن و مسائل امنیتی، استفاده کاربردی کمتری دارد. بنابراین در حال حاضر بیشتر از هلیم به عنوان سیال عامل استفاده می شود . با توجه به جدولزیر ، هوا حدوداً دارای وزن مولکولی ۲۹ است. در حالیکه وزن مولکولی هلیم ۴ است . بنابراین هوا حدودا هفت بار سنگین تر از هلیم می باشد. پس هلیم حدودا باید هفت برابر کمتر از هوا انرژی دریافت کند تا یک نیروی مشخص را تولید نماید. در کل هلیم به تنها خصوصیات ترمودینامیکی نسبتا خوبی دارد ، سبک است و از طرفی خطرات هیدروژن را نیز ندارد.

سرد کننده موتور استرلینگ (کولر)

در موتورهای استرلینگ دفع حرارت در کولر با توجه به اختلاف دمای محدود بسیار مشکل بوده و از اهمیت زیادی در زمینه بازدهی موتور بر خوردار است. بنابراین با بهبود و افزایش عملکرد آن یکی از گامهای مطمئن را در جهت بهبود بازدهی می توان برداشت. به همین دلیل است که سطح کولر را بزرگتر از هیتر در نظر می گیرند.
برای خنک کاری از آب و هوا در حالت ساده می توان استفاده کرد. در ساده ترین حالت استفاده از هوا معقول تر است، بدین صورت که با تعبیه فین های مناسب بر روی قسمت سرد موتور عمل خنک سازی انجام می گیرد. برای استفاده از آب، باید کانال های لازم برای انتقال آب پیش بینی شوند و در صورت استفاده از پمپ و رادیاتور بازدهی بالاتر خواهد رفت.
موتورهای استرلینگ در مقایسه با موتورهای احتراق داخلی نیاز به رادیاتور بزرگتری دارند.برای مثال در مقایسه با موتور دیزل سه برابر بیشتر نیاز به دفع حرارت دارند. برای افزایش انتقال حرارت، محفظه سرد باید تا حد امکان برزگ انتخاب شود تا عمل سرمایش امکان پذیر باشد.

مزایای موتور استرلینگ

امروزه از موتور استرلینگ در موارد بسیار تخصصی مثل زیردریایی و مولدهای کمکی، جاییکه عملکرد بی‌سروصدا اهمیت دارد، استفاده میشود. این موتورها یک دسته از موتورهای حرارتی خاص هستند زیرا بازده آنها تقریباً نزدیک ماکزیمم بازدهی است که توسط تئوری پیش بینی میشود (بازده چرخه کارنو). این موتور با گاز کار میکند. انبساط آن هنگام گرم شدن و انقباض آن هنگام سردشدن نیروی این موتور را تامین میکند. این مقدار گاز بین دو انتهای سرد و گرم در حرکت است و هیچگاه از این چرخه خارج نمیشود. یک پیستون وظیفه انتقال گاز به دو منبع سرد و گرم را انجام میدهد که حرکت آن ناشی از انبساط و انقباض حجم گاز است.
همانطور که گفته شد این گاز هیچوقت از موتور استرلینگ خارج نمی شود. این موتور برخلاف موتورهای دیزلی یا بنزینی هیچ کانال تخلیه ندارد زیرا اساس کار آن بر احتراق سوخت نیست بنابراین کاملا بی صدا عمل میکند. منبع تامین گرمای آن میتواند انرژی خورشیدی، سوخت‌های فسیلی یا هر نوع گرمای اتلاف شده در طبیعت باشد.
نوعی از این موتور بنام موتور استرلینگ خورشیدی که توسط شرکت Stirling Energy System Inc. تهیه شده است از سال ۱۹۸۴ تا حال حاضر مدت ۲۰ سال است که در نهایت بازدهی مؤثر در حدود ۳۰۰۰۰ ساعت تابش نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده است. این شرکت در حال حاضر با سرمایه‌گذاری مشترک شرکت بویینگ و دپارتمان انرژی ایالات متحده و لابراتوار ملی سانیدا (Sanida) مشغول کار روی استفاده اقتصادی از این سیستم هستند.