تاریخچه موتور استرلینگ (Stirling engine)

موتور استرلینگ اولین بار در ۲۷ سپتامبر در سال ۱۸۱۶ توسط رابرت استرلینگ در اسکاتلند (چنسری، ادینبرگ) اختراع شد که امن‌تر و اقتصادی‌تر از موتورهای بخار آن روزگار بنظر می رسید.

اولین نمونه قابل توجه در سال ۱۸۵۰ توسط پروفسور Mc Quorne Rankine ارایه شد و تقریباٌ ۱۰۰ سال بعد به عنوان موتور استرلینگ به انواع موتورهای گازی با چرخه بسته اطلاق شد.

با وجود این موتورهای اتو (Otto engines) و دیزل (Diesel) که به ترتیب در سال‌های ۱۸۷۷ و ۱۸۹۳ اختراع شدند از لحاظ ظرفیت بیشتر مورد استقبال قرار گفتند.

بعد از مدتها در سال ۱۹۴۰ موتور استرلینگ دوباره مورد توجه قرار گرفت. در این سال شرکت فیلیپس تحقیقاتی روی این موتور بعنوان یک منبع تولید نیروی قابل حمل شروع کرد. در سال ۱۹۵۰ یک نمونهW  ۲۰۰ از این موتور که میتوانست در قدرت‌های پایین کار کند آماده شد، اما این موتور باز هم مورد استقبال قرار نگرفت زیرا مصادف شد با ورود ترانزیستور.

از آن زمان تاکنون موتور استرلینگ در اروپا و آمریکا و ۲۰ سال بعد در ژاپن مورد مطالعه دقیق قرار گرفت مخصوصاٌ بعد از شوک نفتی سال ۱۹۷۳٫ در حال حاضر نمونه‌هایی از این موتور در سرتاسر جهان مورد استفاده قرار گرفته است مانندموتور استرلینگ خورشیدی، چشمه‌های آب گرم، سیستم تهویه مطبوع استرلینگ، یخچال استرلینگ، سیستم تولید نیرو زیردریایی که بی‌سروصدا بودن آن خیلی مهم است. در آینده‌ای نزدیک شاهد نسل نوینی از این موتورها و کاربردهای جدید آن خواهیم بود مانند؛

Stirling Cryo – Coolero Vuilleumier Heat pump, Solar Power System, Underwater Vehicle

رابرت استرلینگ تا سن ۸۶ سالگی در کلیسای اسکاتلند بعنوان مبلغ مذهبی خدمت میکرد و اوقات فراغت خود را روی ساخت و تکمیل یک نمونه موتور گرمایی از این نوع در کارگاه کوچک منزل خود میگذراند.

اما امروزه موتورهای استرلینگ فقط در برخی کاربردهای خاص مانند زیر دریاییها یا ژنراتورهای کمکی در قایق‌ها که عملکرد بی صدا مهم است استفاده می‌شود. اگر چه موتورهای استرلینگ به تولید انبوه نرسید اما برخی اختراعات پرقدرت با این موتور کار می‌کند.
موتورهای استرلینگ از چرخه استرلینگ استفاده می‌کند که مشابه چرخه‌های استفاده شده در موتورهای احتراق داخلی نیست.

گاز استفاده شده در داخل موتورهای استرلینگ 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 استرلینگ بسیار بی صدا هستند.

مزایای موتور استرلینگ

همانگونه که ذکر شد 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 نمیشود. این موتور برخلاف موتورهای دیزلی یا بنزینی هیچ کانال تخلیه ندارد زیرا اساس کار آن بر احتراق سوخت نیست بنابراین کاملاً 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.

چرخه استرلینگ 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.

این نوع موتور استرلینگ، شناخته شده به عنوان پیکربندی بتا، سه ویژگی فقط یک سیلندر با یک پایان داغ و پایان سرد است.  گاز کارگر است که توسط یک دستگاه به نام جابه جا از یک سیلندر به طرف دیگر منتقل می شود.

جابه جا شبیه یک پیستون بزرگ است، جز آن که دارای قطر کوچکتر از استوانه، در نتیجه حرکت آن حجم گاز به تغییر نیست. سیلندر آن را صرفا انتقال گاز در اطراف در داخل سیلندر، همان چهار مرحله از مراحل سیکل استرلینگ در محل کار در این موتور عبارتند از:

توسعه

بیشتر از گاز در این سیستم به تازگی به پایان داغ از سیلندر هدایت می شود.  این گاز گرم شده و انبساط راندن پیستون به بیرون است.

انتقال

گاز گسترش یافته است.  بیشتر از گاز است که هنوز هم در انتهای داغ از سیلندر قرار دارد.  حرکت چرخ طیار حامل میل لنگ به نوبه خود در سه ماهه بعدی.  بخش عمده ای از گاز در اطراف جابه جا به انتهای سرد سیلندر منتقل می شود.

انقباض

اکثریت از گاز منبسط شده است را به انتهای سرد منتقل می شود.  گاز سرد و قراردادها، طراحی پیستون به سمت داخل است.

انتقال

گاز قرارداد است که هنوز هم در نزدیکی انتهای سرد سیلندر واقع شده است.  حرکت چرخ طیار حمل لنگ یک به نوبه خود در سه ماهه دیگر، حرکت جابه جا و انتقال بخش عمده ای از گاز تا پایان داغ از سیلندر.

چگونگی کار موتورهای استرلینگ

• گاز استفاده شده در داخل موتورهای استرلنگ هیچ وقت موتور را ترک نمی کند و مانند موتورهای دیزل و بنزینی سوپاپ دود که گازهای پر فشار را تخلیه می کند و محفظه احتراق وجود ندارد .به همین علت موتورهای استرلنگ بسیار بی صدا هستند .

• چرخه استرلینگ از یک منبع حراتی خارجی که می تواند هر چیزی از بنزین و انرژی خورشیدی تا حرارت ناشی از پوسیدگی گیاهان باشد استفاده کند و هیچ احتراقی داخل سیلندرهای موتور رخ نمی دهد، صدها راه وجود دارد که یک موتورهای استرلنگ ایجاد کنیم .

چرخه استرلینگ:

قاعده اصلی کار موتور استرلنگ این است که مقداری گاز داخل موتور محفوظ شده است .چرخه استرلینگ شامل یک سری رویداد است که فشار گاز داخل موتور را تغییر می دهد و سبب ایجاد کار می شود . چند خاصیت مهم گاز وجود دارد که برای عملکرد موتورهای استرلنگ مهم است :

• اگر مقداری گاز محبوس در یک حجم ثابت از فضا داشته باشید و شما به آن گاز حرارت بدهید , فشار گاز افزایش خواهد یافت .

• اگر مقداری گاز محبوس داشته باشید و آن را فشرده کنید (حجم آن را در فضا کاهش دهید ) ، دمای آن گاز افزایش خواهد یافت .

اجازه دهید به هر کدام از مراحل سیکل استرلینگ ، هنگامی که به موتور ساده شده استرلینگ نگاه می کنیم برویم .

موتور ساده شده ما از دو سیلندر استفاده می کند. یک سیلندر به وسیله ی یک منبع خارجی گرما، گرم می شود (مثل آتش) ودیگری به وسیله ی یک منبع سرد خارجی ، سرد می شود (مثل یخ ).محفظه گاز دو سیلندر به هم متصلند ، وپیستون ها به طور مکانیکی به وسیله ی یک اتصال که چگونگی حرکت انها را معین می کند به یکدیگر متصلند .

سیکل استرلینگ ۴ مرحله دارد :

۱- حرارت به گاز داخل سیلندر گرم منتقل می شود (چپ) و سبب ایجاد فشار می شود این فشار پیستون را مجبور می کند تا به سمت پایین حرکت کند و این قسمتی از سیکل استرلینگ است که کار انجام می دهد .

۲- هنگامی که پیستون راست به طرف پایین حرکت میکند پیستون چپ بالا می آید .این جابجایی گاز داغ را به داخل سیلندر سرد می راند ، که به سرعت گاز داخل منبع سرد را ، سرد می کند و فشار آن کاهش می یا بد .این عمل فشرده کردن گاز را در قسمت بعدی سیکل ساده تر می کند .

۳- پیستون داخل سیلندر سرد (راست) شروع به فشرده کردن گاز می کند و گرمای تولید شده توسط این متراکم سازی به وسیله ی منبع سرد حذف می شود .

۴- هنگامی که پیستون چپ پایین می رود پیستون سمت راست بالا می آید .این عمل گاز را به داخل سیلندر گرم می راند ،که به سرعت گرم شده و فشار ایجاد می کند .در این هنگام سیکل تکرار می شود .

موتوراسترلنگ فقط در طول مرحله اول سیکل نیرو تولید می کند . در این جا دو روش برای افزایش قدرت خروجی از سیکل استر لیتگ وجود دارد :

• افزایش قدرت خروجی در مرحله اول : در مرحله اول سیکل، فشار گاز گرم، پیستونی که کار انجام می دهد را می راند ، افزایش فشار در طول این قسمت از سیکل قدرت خروجی موتور را افزایش می دهد .یک راه افزایش فشار، افزایش دمای گاز است . هنگامی که ما بعدا به دو پیستون موتور استرلنگ در این مقاله نگاه کنیم خواهیم دید که چگونه یک وسیله که ریجناتورنامیده می شود قدرت خروجی موتور را به وسیله ی حرارت ذخیره شده ی لحظه ای بهبود می بخشد .

• کاهش قدرت استفاده شده در مرحله ۳ :در مرحله سوم سیکل ، پیستون روی گاز کار انجام می دهد و از قسمتی ازکار ایجاد شده در مرحله اول استفاده می کند . کاهش فشار در طول این مرحله از سیکل، می تواند قدرت استفاده شده در این مرحله را کاهش دهد (و به طور موثر قدرت خروجی افزایش می یابد ). یک راه کاهش فشار سرد کردن گاز در دمای پایین تر است .

این بخش سیکل ایده آل استرلینگ را توضیح داد .کار واقعی موتور به دلیل محدودیتهای طراحی فیزیکی مقداری با سیکل ایده آل اختلاف دارد .

در دو قسمت بعدی ما نگاهی به دو نوع مختلف موتورهای استرلنگ می کنیم .تحلیل نوع جابجا شونده موتور ساده تر است بنابراین ما این نوع را شروع می کنیم .

نوع جابجا شونده موتور استرلینگ :

به جای داشتن دو پیستون ،نوع جابه جا شونده یک پیستون دارد که جابه جا می شود .جابه جا کننده برای کنترل موقعی که مخزن گاز گرم و یا موقعی که سرد است به کار می رود .این نوع موتور استرلینگ اغلب به صورت نمایشی در کلاس درس استفاده می شود .شما حتی می توانید قطعات آنرا برای سر هم کردن بخرید .

این موتور حتی با استفاده از حرارت کف دستتان می تواند حرکت کند .

به عبارتی حرکت موتور بالا مستلزم یک اختلاف دما بین بالا و پایین سیلندر بزرگ است . در این مورد ، اختلاف بین دمای دستتان و هوای اطراف آن برای چرخش موتور کافی است.

دو موقعیت پیستون در موتور:

۱- پیستون قدرت :

که پیستون کوچکتر در بالای موتور است و به طور محکم محفوظ شده است وبه علت انبساط گاز داخل موتور بالا می آید .

۲- جابه جا کننده :

این پیستون در داخل سیلندر بسیار آزاد است بنابراین هوا به سادکی بین قسمت گرم و سرد موتور هنگامی که پیستون بالا و پایین می رود می تواند حرکت کند

جابه جا کننده بالا و پایین می رود تا گاز داخل موتور گرم و سرد شود، دو موقعیت برای این حالت وجود دارد :

• هنگامی که جابه جاکننده نزدیک بالای سیلندر بزرگ است بیشتر گاز داخل موتور توسط منبع گرم ، گرم و منبسط شده است و فشار ایجاد شده درداخل موتور، نیروی بالا برندگی پیستون را ایجاد می کند، هنگامی که جابه جاکننده نزدیک کف سیلندر بزرگ است بیشتر گاز داخل موتور سرد و متراکم شده است که سبب افت فشار می شود و پایین آمدن پیستون قدرت را ساده تر می کند و گاز فشرده می شود، موتور به تکرار گاز را گرم وسرد می کند و از گاز منبسط و منقبض شده انرژی دریافت می کند .

موتور استرلینگ دو پیستونه:

در این موتور ،سیلندر به وسیله ی مشعل خارجی گرم می شود . سیلندر سرد با جریان هوا سرد شده و در آن بالا و پایین می رود تا به فرایند سرد شدن کمک کند . میل رابط هر پیستون به یک دیسک کوچک متصل است که در حال چرخیدن به یک فلایویل بزرگ متصل است و هنگامی که نیرویی توسط موتور تولید نمی شود باعث تداوم حرکت پیستون می شود .

۱- در قسمت اول سیکل ، فشار تولید می شود و پیستون را به حرکت به سمت چپ مجبور می کند و کار صورت می گیرد . پیستون سرد چون در موقعیتی است که در حرکت خود تغییر جهت خواهد داد تقریبا ساکن باقی می ماند .

۲- در مرحله بعدی ، هر دو پیستون حرکت می کنند ،پیستون گرم به سمت راست و پیستون سرد به سمت بالا حرکت می کند . این عمل گاز را بیشتر به سمت رجیناتور و پیستون سرد حرکت می دهد .رجیناتور وسیله ای است که به طور 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 وآن را به آرامی به محیط سرد می دهد

۳- پیستون در سیلندر سرد شروع به متراکم کردن گاز می کند .گرمای ایجاد شده توسط این تراکم به واسطه ی سطح سرد از بین می رود .

۴- در آخرین مرحله سیکل هر دو پیستون حرکت می کنند ، هنگامی که پیستون گرم به سمت چپ حرکت می کند پیستون سرد به سمت پایین حرکت می کند .

این عمل گاز اطراف رجیناتور (جایی که در طول سیکل قبلی گرما را ذخیره کرده بود ) را به داخل سیلندرگرم می راند .در این لحظه سیکل دوباره تکرار می شود.

شما ممکن است از اینکه هیچ درخواستی برای تولید انبوه موتور استرلینگ نبوده است تعجب کرده باشید .

در بخش بعدی ما به برخی دلایل آن اشاره می کنیم.

چرا موتورهای استرلینگ متداول نیستند؟

دو ویژگی وجود دارد که ساخت موتورهای استرلینگ را برای استفاده در بسیاری از کاربردها مانند بسیاری از ماشین ها و کامیون ها غیر عملی می کند .

به دلیل اینکه منبع حرارت در خارج است برای موتور مقداری طول می کشد 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 . این بدین معناست که :

• موتورقبل از اینکه کار مفید را ایجاد کند به مقدارزمانی نیاز دارد تا گرم شود .
• موتور نیروی خروجی اش را نمی تواند به سرعت تغییر دهد .

این نقایص باعث شده است که این موتور با موتورهای احتراق داخلی اتومبیل جایگزین نشود. هر چند که وجود موتور استرلینگی که به ماشین هیبریدی نیرو می دهد امکان پذیر است .

گردآوری توسط: تحقیقستان