موتور استرلینگ

موتورهای احتراق خارجی (EC) بیشترین استفاده را در سرتاسر جهان در خودروهای مختلف دارند. انواع مختلفی از موتورها با توجه به نیاز برنامه‌ها وجود دارد. موتور استرلینگ معروف‌ترین نوع موتور EC است. یک موتور بخار است. در این مقاله به طور عمده به جنبه‌های مختلف موتور استرلینگ پرداخته می‌شود.

موتور استرلینگ چیست؟

موتور استرلینگ یک موتور رفت و برگشتی است که با گرم کردن و خنک کردن سیال کاری محبوس شده در داخل سیلندر، انرژی حرارتی سوخت را به نیروی مکانیکی تبدیل می‌کند. از آنجایی که این موتور رفت و برگشتی است، از یک پیستون به جای موتور چرخشی مانند موتور وانکل استفاده می‌کند.

در سال 1816 رابرت استرلینگ موتور استرلینگ را اختراع کرد. چرخه استرلینگ تقریباً بازده حرارتی برابر با چرخه کارنو دارد. این موتور احتراق خارجی کارایی بیشتری نسبت به یک موتور IC مانند موتور دیزل یا موتور بنزینی دارد. امروزه موتورهای استرلینگ تنها در کاربردهای بسیار خاص، مانند کاربردهای زیردریایی، تخلیه می‌شوند.

عملکرد موتور استرلینگ

موتور استرلینگ بر اساس چرخه استرلینگ کار می‌کند:

موتور استرلینگ به روش زیر کار می‌کند:
هنگامی که اپراتور استارت موتور را روشن می‌کند، منبع حرارت خارجی نیز راه اندازی می‌شود. اپراتور نیرو را از طریق مکانیزم ارائه شده کنترل می‌کند.
هنگامی که منبع حرارت خارجی فعال می‌شود، گرما از منبع گرما به انتهای داغ سیلندر تبدیل می‌شود. این فرآیند انتقال حرارت، دمای مولکول‌های گاز محبوس شده در انتهای داغ سیلندر را افزایش می‌دهد. با افزایش دمای مولکول های گاز، اختلالی بین آنها ایجاد می‌شود و مولکول‌های گاز در داخل سیلندر شروع به انبساط می‌کنند.

انبساط گاز فشار روی سطح پیستون را افزایش می‌دهد، پیستون را دور می‌کند و کار مفیدی ایجاد می‌کند.
یک پیستون جابجایی با یک میل لنگ جفت می‌شود. حرکت میل لنگ باعث می‌شود که پیستون جابجایی بین انتهای سرد و داغ سیلندر حرکت کند.
حرکت پیستون جابجایی باعث تبادل گاز از انتهای سرد به انتهای گرم و انتهای گرم به انتهای سرد سیلندر می‌شود.
گاز انتهای داغ نیروی پیستون جابجایی را تامین می‌کند که گاز را به انتهای سرد سیلندر منتقل می‌کند.
هنگامی که گاز داغ وارد انتهای سرد می‌شود، دستگاه خنک کننده گرمای گاز داغ را استخراج کرده و آن را خنک می‌کند.
پس از خنک شدن گاز، پیستون گاز را در انتهای سرد سیلندر فشرده می‌کند. یک دستگاه خنک کننده گرمای اضافی گاز را از بین می‌برد.
پس از فرآیند فشرده سازی، پیستون جابجایی، گاز فشرده شده را به انتهای داغ سیلندر، جایی که چرخه تکرار می‌شود، می‌فرستد.
این اصل کار موتور استرلینگ است. همانطور که در بالا می‌بینید، در این چرخه، هیچ موتور آی سی مانند اگزوز وجود ندارد. بنابراین موتور استرلینگ کارایی بیشتری نسبت به موتور احتراق داخلی (IC) دارد.

انواع موتور استرلینگ

موتور استرلینگ دارای انواع عمده زیر است:
موتور آلفا
موتور بتا
موتور گاما
موتور دو کاره
موتور استرلینگ روتاری

موتور استرلینگ آلفا

موتور آلفا استرلینگ دو سیلندر دارد: سیلندر داغ یا انبساط
سیلندر سرد یا فشرده
موتورهای آلفا استرلینگ
موتور آلفا استرلینگ
سیلندر داغ با یک منبع حرارت خارجی متصل می‌شود. این منبع حرارتی گرما را به گاز سیلندر داغ می‌رساند. در مقابل، سیلندر سرد دارای یک دستگاه خنک کننده است. این دستگاه خنک کننده برای استخراج گرمای گاز دریافتی توسط سیلندر داغ استفاده می‌کند. این دو سیلندر با یک لوله یا لوله مشترک وصل می‌شوند که از آنجا گاز داغ از سیلندر گرم به سیلندر سرد و بالعکس منتقل می‌شود.
این موتورها قدرت کمی دارند. بنابراین، اینها برای اهداف بار سبک استفاده می‌شوند.
موتور آلفا دو پیستون قدرت دارد.

موتور بتا استرلینگ

موتور بتا فقط یک سیلندر دارد. یک سر این سیلندر با یک دستگاه خنک کننده متصل می‌شود، در حالی که سر دیگر آن با یک منبع گرما متصل می‌شود.
موتور استرلینگ نوع بتا
موتور بتا استرلینگ
سیلندر موتور بتا استرلینگ دارای دو پیستون است:
پیستون قدرت
پیستون جابجایی
پیستون قدرت به موتور کمک می‌کند تا سیال را کنترل کند و موتور را روشن کند، در حالی که پیستون جابجایی بین دو انتهای سرد و گرم سیلندر نصب می‌شود. پیستون جابجایی برای انتقال گاز داغ از انتهای گرم به انتهای سرد و گاز سرد از انتهای سرد به انتهای گرم سیلندر استفاده می‌کند. میل لنگ حرکت جابجایی را در داخل سیلندر کنترل می‌کند.
پیستون قدرت با یک فلایویل متصل می‌شود و بین دو طرف سرد و گرم در سیلندر حرکت می کند. این پیستون وظیفه ارائه توان خروجی را دارد.
موتور بتا استرلینگ قدرت بالاتری دارد. بنابراین، برای برنامه‌های کاربردی با بار بالا استفاده می‌شود.

موتور گاما استرلینگ

این نوع موتور EC دارای یک پیستون قدرت و یک جابجایی است که با دو سیلندر مجزا به هم متصل می‌شوند. گاز حاصل از دو سیلندر آزادانه بین آنها جریان می‌یابد و یکپارچه باقی می‌ماند. به دلیل حجم زیاد اتصال بین دو سیلندر، این سازه نسبت تراکم کمتری دارد اما طراحی ساده‌ای دارد و به طور معمول در موتورهای استرلینگ چند سیلندر استفاده می‌شود.
علاوه بر این، در طول فرآیند انبساط، انبساط خاصی در ناحیه تراکم صورت می‌گیرد که منجر به کاهش توان ویژه می‌شود.

موتور استرلینگ روتاری

این موتورها به دنبال تبدیل قدرت از چرخه استرلینگ در گشتاور هستند.
پیستون این نوع موتور از دو انتهای خود (بالا و پایین) برای فشار دادن مخلوط استفاده می‌کند.

نمودار PV چرخه استرلینگ

موتور استرلینگ بر اساس چرخه استرلینگ کار می‌کند. چرخه استرلینگ به روش زیر عمل می کند:
انبساط همدما
حذف حرارت ایزوکوریک
فشرده سازی ایزوترمال
افزودن حرارت ایزوکوریک
چرخه استرلینگ
چرخه استرلینگ
در فرآیند انبساط همدما (دمای ثابت)، انرژی از منبع حرارت خارجی به گاز محبوس شده در سیلندر تامین می‌شود.
همانطور که مولکول‌های گاز انرژی می‌گیرند، شروع به انبساط می‌کنند. به دلیل انبساط مولکول‌های گاز، فشار گاز افزایش می‌یابد که باعث می‌شود پیستون از سیلندر گرم به سیلندر سرد حرکت کند.
در فرآیند حذف حرارت ایزوکوریک ((حجم ثابت) در چرخه استرلینگ، جابجایی گاز داغ را از سیلندر داغ به سیلندر فشرده سازی یا سرد منتقل می‌کند.
یک دستگاه خنک کننده انرژی گرمایی گاز داغ را استخراج می‌کند و آن را به گاز سرد تبدیل می‌کند. هدف اصلی این فرآیند خنک‌سازی کاهش فشار گاز داغ است تا بتوان به راحتی آن را فشرده کرد.

فشرده سازی ایزوترمال

در این مرحله گاز در دمای پایین ثابت فشرده می‌شود. گرمای آزاد شده در طی فرآیند فشرده سازی به سینک سرد تحویل داده می‌شود. در طی این فرآیند فشرده سازی، پیستون فشار گاز را افزایش می‌دهد. این فشار افزایش یافته، پیستون نیرو را به حرکت در می‌آورد که باعث حرکت بیشتر چرخ فلایویل می‌شود.

گرمایش ایزوکوریک

در فرآیند افزودن حرارت ایزوکوریک، پیستون دوباره گاز سرد را از سیلندر سرد به سیلندر داغ منتقل می‌کند، جایی که دوباره از طریق یک منبع حرارت خارجی گرم می‌شود و کل چرخه استرلینگ تکرار می‌شود.

اجزای موتور استرلینگ

موتور استرلینگ دارای اجزای اصلی زیر است:
سیلندر
پیستون
فلایویل
شاتون
میل لنگ
گاز
منبع حرارت خارجی

سیلندر

انواع مختلف موتورهای استرلینگ از تعداد سیلندر متفاوتی استفاده می‌کنند:
نوع آلفا از دو استوانه استفاده می‌کند که عبارتند از:
سیلندر دیوار داغ: این سیلندر با منبع حرارت خارجی متصل می‌شود. این منبع حرارتی گرما را به گاز سیلندر می‌رساند. به همین دلیل گاز داغ می‌شود و گاز منبسط می‌شود.
سیلندر دیواری سرد: هدف اصلی سرما تبدیل گاز داغ به گاز سرد است. این سیلندر دارای دستگاه خنک کننده‌ای است که حرارت گاز داغ را از بین می‌برد تا دوباره از این گاز استفاده شود.
نوع بتا فقط یک سیلندر دارد که دارای دو سر است که عبارتند از:
انتهای سرد: انتهای سرد دارای یک دستگاه خنک کننده است که گاز داغ را به حالت سرد تبدیل می کند.
انتهای داغ: انتهای داغ به منبع گرمایی متصل می شود که گرما را به گاز داخل سیلندر منتقل می کند.

پیستون

پیستون وسیله‌ای است که از سیلندر سرد به سیلندر گرم و بالعکس حرکت می‌کند. پیستون وظیفه دارد نیروی خروجی نهایی را به موتور برساند تا بتواند وسیله نقلیه را به حرکت درآورد.
پیستون‌های مورد استفاده برای موتور استرلینگ دو نوع دارند که عبارتند از:
پیستون قدرت: پیستون کوچکتری است که در موتور قرار دارد. این پیستون دارای مهر و موم محکمی است که گاز سرد سیلندر سرد را فشرده می‌کند.
پیستون Displacer : پیستون بزرگی است. این یک پیستون شل در سیلندر است. پیستون جابجایی گاز را از سیلندر سرد به سیلندر داغ و بالعکس منتقل می‌کند.
تعداد پیستون‌های یک موتور به نوع موتور استرلینگ بستگی دارد، مانند:
موتور نوع بتا دارای دو پیستون است (یعنی پیستون جابجایی و پیستون قدرت).
موتور آلفا نیز دو پیستون دارد، اما هر دو پیستون قدرتی هستند.
موتور نوع گاما دارای دو پیستون (یعنی پیستون قدرت و پیستون جابجایی) است که با دو سیلندر مختلف (سیلندرهای سرد و گرم) به هم متصل می شوند.

گاز

این گاز در موتور استرلینگ به عنوان یک محیط کار استفاده می‌شود. عملکرد و گردش گاز با توجه به انواع موتور متفاوت است، مانند:

در مورد نوع آلفا، اولاً گاز در سیلندر داغ محبوس می‌شود. همانطور که منبع گرمای خارجی گرما را به گاز می‌رساند، شروع به انبساط می‌کند. به دلیل انبساط گاز، پیستون به سمت بالا حرکت می‌کند و گاز را از سیلندر داغ به سیلندر سرد منتقل می‌کند.
در مورد موتور بتا استرلینگ، جابجایی گاز را بین انتهای داغ به انتهای سرد و انتهای سرد به انتهای گرم سیلندر منتقل می‌کند.

منبع حرارت خارجی

منبعی که برای رساندن گرما به انتهای داغ سیلندر بتا SE یا دیواره سیلندر داغ (Alpha SE) استفاده می‌شود به عنوان منبع گرمای خارجی شناخته می شود. همانطور که منبع گرما گرما را به گاز سیلندر داغ می‌رساند، انرژی پتانسیل گاز شروع به افزایش می‌کند زیرا منبسط می‌شود. این انبساط باعث حرکت پیستون در داخل سیلندر می‌شود.

سیستم خنک کننده

موتور استرلینگ دارای یک سیستم خنک کننده است که به سیلندر سرد (موتور نوع بتا) یا انتهای سرد سیلندر (نوع آلفا) متصل است.
هدف سیستم خنک کننده حذف گرما از گاز داغ و تبدیل آن به حالت سرد است تا پیستون بتواند به راحتی آن را فشرده کند.

میل لنگ

میل لنگ برای انتقال حرکت پیستون به چرخ فلایویل استفاده می‌کند.
میل لنگ حرکت رفت و برگشتی پیستون را به حرکت چرخشی تبدیل می‌کند و آن را به چرخ فلایویل می‌رساند.
میل لنگ از طریق پین میل لنگ به پیستون متصل می‌شود.
فلایویل
فلایویل به میل لنگ متصل است. نیروی مکانیکی (حرکت چرخشی) را توسط میل لنگ دریافت می کند و آن را برای انتقال بیشتر ذخیره می‌کند.

بازده موتور استرلینگ چقدر است؟

راندمان موتور استرلینگ بسیار به اختلاف دمای سیلندر گرم و سیلندر سرد بستگی دارد. هر چه اختلاف دما بین سیلندر سرد و سیلندر گرم کمتر باشد، راندمان موتور کمتر است. یک موتور استرلینگ می تواند بازده تبدیل انرژی تا 40% را در یک کاربرد حرارتی خورشیدی به دست آورد.

چگونه بازده موتور استرلینگ را افزایش دهیم

راندمان موتور استرلینگ را می‌توان از طریق روش‌های زیر افزایش داد:
افزایش توان در مرحله اول: در مرحله اول سیکل، فشار تولید شده توسط گاز داغ، پیستون را برای انجام کار هل می‌دهد. اگر فشار در این مرحله بیشتر باشد، قدرت خروجی موتور نیز بیشتر خواهد شد. یکی از روش‌های افزایش این فشار، افزایش دمای گاز است. کاهش مصرف برق در مرحله 3: در مرحله 3 سیکل استرلینگ، پیستون با استفاده از بخشی از انرژی تولید شده در مرحله 1، گاز را فشرده می‌کند. کاهش فشار در مرحله 3 سیکل می‌تواند توان مصرفی را کاهش دهد. این مرحله از چرخه (می‌تواند به طور موثر قدرت موتور را افزایش دهد). روش دیگر برای کاهش فشار، کاهش دمای گاز با خنک کردن آن است.
ایجاد اختلاف دما زیاد: دمای زیاد بین سیلندرهای سرد و گرم به افزایش راندمان موتور استرلینگ کمک می‌کند.

مزایا و معایب موتور استرلینگ

این نوع موتورهای احتراق خارجی انعطاف پذیری بالایی دارند.
موتورهای استرلینگ سریع روشن می‌شوند و در هوای سرد کارایی بیشتری دارند.
پیستون این موتور برای حرکت نیازی به انفجار ندارد.
آنها کار آرامی دارند.
این موتورها می‌توانند از هر منبع حرارتی موجود مانند منابع بیولوژیکی، زمین گرمایی و هسته‌ای استفاده کنند.
آنها تعمیر و نگهداری آسان و تطبیق پذیری سوخت بالایی دارند.
این موتورها طراحی پیچیده‌ای دارند.
آنها به یک منبع گرمای خارجی اضافی برای گرم کردن سیال کار (گاز) نیاز دارند.
اینها موتورهای گران قیمت هستند.
موتورهای استرلینگ به دلیل منبع حرارت اضافی وزن بالایی دارند.
آنها مبدل‌های حرارتی بسیار گسترده‌ای دارند.
آنها نمی‌توانند به سرعت شروع به کار کنند و در هوای گرم کارآمد کار کنند.

کاربردهای موتورهای استرلینگ

موتور استرلینگ یک تجهیزات تبدیل انرژی است که می‌تواند به عنوان پمپ حرارتی، موتور خنک کننده، محرک اصلی استفاده شود.
از این موتورها در ایستگاه‌های پمپ آب استفاده می‌شود.
موتور استرلینگ همچنین برای تولید انرژی خورشیدی استفاده می‌کند.
موتورهای استرلینگ در دریا مانند زیردریایی‌ها استفاده می‌شود.
آنها در نیروگاه‌های هسته‌ای استفاده می‌شوند.
این موتورها برای هواپیما استفاده می‌شود.