چگونه موتور استرلینگ کار می کند؟
موتور استرلینگ (Stirling engine) یک موتور حرارتی است که در سال 1816 توسط رابرت استرلینگ اختراع شد. این موتور بسیار متفاوت با موتورهای احتراق داخلی در اتومبیل ها می باشد و به عبارتی موتور استرلینگ قابلیت بازدهی بیشتری نسبت به موتورهای بنزینی و دیزلی دارد.
در موتورهای استرلینگ هیچ احتراقی صورت نمی پذیرد، هیچ اگزوزی وجود ندارد و هیچ صدای انفجاری شنیده نمی شود، به همین دلیل چنین موتورهایی فاقد صدا هستند. این موتورها از منبع گرمایی خارجی مثل آتش، انرژی خورشید و هر منبع حرارتی دیگر استفاده می کنند. گاز استفاده شده در داخل موتورهای استرلینگ هیچ وقت از موتور خارج نمی شوند و مانند موتورهای دیزلی و بنزینی، سوپاپ دود (که گازهای پُر فشار را تخلیه می کند) و محفظه احتراق در آن وجود ندارد. به همین علت موتورهای استرلینگ بسیار بی صدا هستند.
اگرچه موتورهای استرلینگ به تولید انبوه نرسیدند، اما برخی اختراعات پُر قدرت با این نوع موتورها کار می کنند و در موارد تخصصی مانند زیردریایی ها مورد استفاده قرار گرفتند.
موتورهای استرلینگ از چرخه ای استفاده می کنند که مشابه فرآیند استفاده شده در موتورهای احتراق داخلی نیست. قاعده اصلی کار موتور استرلینگ به این شکل می باشد که مقداری گاز داخل موتور محفوظ شده و چرخه استرلینگ شامل یکسری رویداد است که فشار گاز داخل موتور را تغییر می دهد و سبب ایجاد کار می شود. تصویر زیر، این چرخه را نشان می دهد.
گازها چند خاصیت مهم دارند که برای عملکرد موتورهای استرلینگ لازم می باشند:
- اگر مقداری گاز محبوس در یک حجم ثابت از فضا داشته باشیم و به آن گاز حرارت بدهیم، فشار گاز افزایش خواهد یافت.
- اگر مقداری گاز محبوس داشته باشیم و آن را فشرده کنیم (حجم آن را در فضا کاهش دهیم)، دمای آن گاز افزایش خواهد یافت.
حالا بیایید به هر کدام از مراحل چرخه استرلینگ، دقیق تر نگاه کنیم.
در تصویر زیر، موتور ساده شده ما از دو سیلندر استفاده می کند. یک سیلندر بوسیله ی یک منبع خارجی گرما، گرم می شود و دیگری بوسیله ی یک منبع سرد خارجی، سرد می گردد.
محفظه گاز دو سیلندر به هم متصل می باشند، و پیستون ها بطور مکانیکی بوسیله ی یک رابط که چگونگی حرکت آنها را معین می کند به یکدیگر متصل هستند.
چرخه استرلینگ 4 مرحله دارد:
- حرارت از منبع گرمایی به گاز داخل سیلندر گرم منتقل می شود (قرمز). در این مرحله، فشار تولید شده و پیستون گرم را به حرکت در می آورد و کار صورت می گیرد. پیستون سرد چون در موقعیتی است که در حرکت خود تغییر جهت خواهد داد تقریباً ساکن باقی می ماند.
- در مرحله بعدی، هر دو پیستون حرکت می کنند، پیستون گرم به سمت پایین و پیستون سرد به سمت بالا حرکت می کند. این عمل گاز را بیشتر به سمت ریجنریتور (Regenerator وسیله ای است که بطور موقت حرارت را می تواند ذخیره کند و از شبکه سیمی که گاز گرم از بین آن عبور می کند ساخته شده است. سطح بزرگ شبکه سیمی، حرارت را جذب می کند و آن را به آرامی به محیط سرد می دهد) و پیستون سرد را حرکت می دهد.
- پیستون در سیلندر سرد شروع به متراکم کردن گاز می کند. گرمای ایجاد شده توسط این تراکم بواسطه ی سطح سرد از بین می رود.
- در آخرین مرحله چرخه، هر دو پیستون حرکت می کنند. زمانی که پیستون گرم به سمت بالا حرکت می کند، پیستون سرد به سمت پایین می رود. این عمل، گاز اطراف ریجنریتور (جایی که در طول چرخه قبلی گرما را ذخیره کرده بود) را به داخل سیلندر گرم می راند. در این لحظه، چرخه دوباره تکرار می شود.
طبقه بندی موتورهای استرلینگ از نظر اتصال سیلندرها
موتورهای نوع آلفا
موتورهای نوع آلفا دارای دو سیلندر مجزا برای فضاهای تراکم و انبساط بوده و در هر سیلندر یک پیستون قرار دارد. دو سیلندر مجزا بواسطه 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. اگرچه احتیاج به آب بندی هر دو پیستون از معایب آنها 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.
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 بطور خطی قرار گرفته اند.
موتورهای نوع گاما
موتور استرلینگ نوع گاما همانند موتور نوع بتا دارای ترکیب پیستون قدرت و 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.
چرا موتورهای استرلینگ متداول نشدند؟
به دلیل دو ویژگی، ساخت موتورهای استرلینگ برای استفاده در بسیاری از کاربردها مانند اتومبیل ها و کامیون ها غیر عملی می شود. چون منبع حرارت در خارج بوده، برای موتور مقداری زمان می برد تا به تغییرات گرمایی داخل سیلندر عکس العمل نشان دهد. برای انتقال حرارت بین دیواره های سیلندر و گاز داخل موتور زمانی صرف می شود. به عبارتی:
- موتور قبل از اینکه کار مفید را شروع کند به مقدار زمانی نیاز دارد تا گرم شود.
- موتور نیروی خروجی اش را نمی تواند به سرعت تغییر دهد.
این موارد باعث شده اند که موتور استرلینگ با موتورهای احتراق داخلی اتومبیل جایگزین نشوند.
پُر کاربردترین سیالات مورد استفاده در موتورهای استرلینگ چیست؟
در ابتدا از هوا به عنوان سیال عامل در موتور استرلینگ استفاده می شد و به همین علت نامگذاری ابتدایی آن به نام موتورهای هوایی بوده است. اما بعدها به علت سبک تر بودن هلیم و هیدروژن نسبت به هوا، این دو گاز جایگزین آن شدند. سبک تر بودن سیال عامل از طرفی منجر به کاهش حجم و وزن موتور شده و از طرفی دیگر کوچک و سبک بودن مولکول ها موجب کاهش تلفات می گردد. در حال حاضر هیدروژن 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.
منابع تامین کننده حرارت مورد نیاز موتور استرلینگ چیست؟
برای موتورهای ابتدایی می توان از یک شمع یا مانند آن استفاده کرد. برای موتورهای کوچک پیشرفته تر، سوزاندن الکل به عنوان سوخت، و در ابعاد بزرگتر و پیچیده تر از گاز طبیعی استفاده می شود. موتورهای استرلینگ خورشیدی نیز، مستقیماً از نور خورشید به عنوان منبع گرما بهره می گیرند.
منابع
مقاله علمی و آموزشی «چگونه موتور استرلینگ کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری و نگارش هیئت تحریریه پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. همچنین تصاویر فلش نیز توسط مهندس سینا انصاری طراحی گردیده است.
