موتور استرلینگ و انواع آن

موتور استرلینگ(Stirling engine) که یک نوع موتور پیستونی محسوب می شود انرژی گرمایی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند.

رابرت استرلینگ به عنوان مخترع این نوع موتور حرارتی شناخته می شود. او موتور Stirling را در سال ۱۸۱۶ میلادی با هدف جایگزینی موتورهای بخار، اختراع کرد.

موتور استرلینگ دارای ویژگی هایی مانند چرخه بسته و موتور احتراق خارجی است. این موتور برای ایجاد انرژی از مقدار ثابتی سیال عامل استفاده می کند.

برای مثال هوا یا گاز فشرده که کار مکانیکی را به سامانه اضافه می کنند. این ویژگی موجب می شود موتور با منابع گرمایی مختلفی از جمله سوخت های فسیلی، انرژی خورشیدی و انرژی شیمیایی کار کند.

طرز کار موتور استرلینگ

موتور استرلینگ بر اساس خاصیت گازها کار می کند که در هنگام گرم شدن منبسط و در هنگام سرد شدن منقبض می شوند. در واقع حرارت، فشار گاز موجود در سامانه را افزایش می دهد. در حالی که سرد شدن موجب کاهش این فشار می شود. گاز موجود با تغییر فشار موجب حرکت پیستون به داخل سیلندر می شود.

عملکرد موتور استرلینگ به صورت زیر است:

• تغییر حجم گاز: موتور استرلینگ شامل دو مخزن گازی است: یکی گرم و یکی سرد. هنگامی که گاز از مخزن گرم به مخزن سرد جابجا می‌شود، دمای آن افزایش می‌یابد و حجمش کاهش می‌یابد.
• چرخه ترمومکانیکی: این تغییر حجم گاز توسط کمپرسور و اکسپاندر انجام می‌شود. کمپرسور گاز را فشرده کرده و به مخزن سرد انتقال می‌دهد، در حالی که اکسپاندر گاز را از مخزن سرد به مخزن گرم منتقل می‌کند و در این فرآیند انرژی مکانیکی تولید می‌شود.
• تبدیل انرژی مکانیکی به کار: انرژی مکانیکی تولید شده توسط اکسپاندر می‌تواند به کاربردهای مختلفی مانند ژنراتورها یا پمپ‌ها منتقل شود.

فرایند گرمایش و سرمایش، حرکت رفت و برگشتی را برای پیستون فراهم می کند. با استفاده از اجزایی مانند فلایویل، میل لنگ و اهرم شاتون می توان این حرکت را به حرکت چرخشی تبدیل کرد.

پیستون جابجایی نیز یکی دیگر از اجزایی است که به طور پیوسته در داخل سیلندر حرکت می کند. این پیستون، گاز را از سمت گرم سیلندر به سمت سرد آن جابجا می کند.

کاربردهای موتور Stirling

موتور استرلینگ برای کاربردهای ثابت، عملکرد مناسب تری را از خود نشان می دهد. یکی از مزایای موتور استرلینگ ترکیب حرارت و قدرت است.

این موتور می تواند از هدر رفتن گرما در تاسیسات جلوگیری کند. همچنین به عنوان ژنراتور موتور، برای توسعه توان الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد.

یکی دیگر از کاربردهای مهم آن، تولید الکتریسیته از انرژی خورشیدی است. طراحی خاص موتور استرلینگ امکان استفاده از انرژی خورشیدی را به عنوان حرارت فراهم می کند. سپس این حرارت به حرکت چرخشی مورد نیاز برای راه اندازی یک ژنراتور الکتریکی تبدیل می شود.

موتور استرلینگ این پتانسیل را دارد که انرژی را برای مدت طولانی با بازدهی بالا تامین کند. بنابراین در بسیاری از کاربری های بزرگ که نیاز مداوم به توان الکتریکی دارند، مورد استفاده قرار می گیرد.

حتی ناسا در سال 2020 اعلام کرد که راکتورهای هسته ای مجهز به موتورهای استرلینگ می توانند برای تامین انرژی در فضا مورد استفاده قرار بگیرند.

همچنین مشخص شده است که زیردریایی های مجهز به موتور استرلینگ قادر هستند مدت طولانی تری را نسبت به زیردریایی های معمولی زیر آب بمانند.

انواع موتور استرلینگ

با توجه به نوع پیکربندی و تعداد سیلندر مورد استفاده، چندین نوع موتور Stirling وجود دارد که در ادامه به آن ها اشاره می کنیم. معمولا از یک یا دو سیلندر در طراحی این موتورها استفاده می شود.

١. موتور استرلینگ آلفا

موتور استرلینگ آلفا دارای دو سیلندر است. سیلندر انبساط مجهز به منبع گرما و سیلندر تراکم مجهز به دستگاه خنک کننده در دیواره بیرونی.

یک گذرگاه این دو سیلندر را به یکدیگر متصل می کند. از طریق گذرگاه، تبادل هوای سرد از سیلندر انبساط به سیلندر تراکم و هوای گرم به صورت برعکس صورت می گیرد. نوع آلفا را می توان یک موتور با توان نسبتا کم در نظر گرفت که برای کاربری های سبک مورد استفاده قرار می گیرد.

٢. موتور استرلینگ بتا

موتور استرلینگ بتا تنها یک سیلندر دارد که یک سر آن به منبع گرما و سر دیگر به دستگاه خنک کننده متصل می شود.

موتور بتا از نظر پیکربندی فیزیکی با نوع آلفا کاملا متفاوت است. یک پیستون نیرو به صورت هم محور با پیستون جابجایی در داخل سیلندر حرکت می کند. پیستون جابجایی در انتقال گاز به دو انتها نقش دارد و توان گازهای در حال انبساط را مصرف نمی کند.

موتور Beta Stirling موتوری با قدرت زیاد محسوب می شود که مناسب کاربری های سنگین است.

٣. موتور استرلینگ گاما

موتور استرلینگ گاما نیز درست مانند نوع بتا از یک سیلندر استفاده می کند. تفاوت آن ها در نوع پیکربندی فیزیکی است. در واقع در موتور گاما، پیستون نیرو یا power piston به صورت هم محور یا کواکسیال با پیستون جابجایی بسته نمی شود.

٤. موتورهای دوکاره

یک نوع دیگر موتورهای Stirling موتورهای دوکاره یا double-acting هستند که از نظر پیکربندی، پیستون جابجایی در آن ها دیده نمی شود. چرا که پیستون های مجاور جابجایی گاز را به خوبی انجام می دهند. معمولا از چهار عدد پیستون در موتورهای دوکاره استفاده می شود.

مزایا و معایب موتورهای Stirling

مزایا

از جمله مزایای موتور استرلینگ می توان به امکان کار با منابع گرمایی متنوع اشاره کرد.

از منابع حرارتی حاصل از احتراق تا منابعی مانند انرژی خورشیدی و گرمای تلف شده در فرایندهای صنعتی. نوع پیکربندی و استفاده از عایق بندی در ساختار این موتورها، موجب می شود نسبت به سایر موتورهای رفت و برگشتی دوام بالاتری داشته باشند.همچنین به روان کننده کمتری برای عملکرد درست آن ها نیاز است.

خطر انفجار این گونه موتورها نسبت به موتورهای بخار بسیار کمتر است. چرا که تنها از یک نوع سیال عامل برای ایجاد فشار مورد نظر استفاده می شود.

موتورهای استرلینگ انعطاف پذیری فوق العاده ای دارند و به خاطر فشار عملیاتی پایین می توان برای کارکرد بدون سر و صدا روی آن ها حساب کرد.

این موتور به عنوان یک گزینه مطالعاتی و برای کاربردهای خاص مانند دیگ‌های گرمایشی، تولید انرژی خورشیدی و موتورهای حرکتی مورد استفاده قرار می گیرد.

معایب

اگر بخواهیم به معایب موتور استرلینگ اشاره کنیم، نیاز به گرم شدن برای شروع عملکرد، یکی از آن ها است.

موتور استرلینگ نمی تواند به صورت فوری روشن شود. بلکه به گرما نیاز دارد که معمولا از طریق مبدل های حرارتی فراهم می شود. بنابراین استفاده از آن ها در بعضی کاربری ها مانند خودروها رایج نیست.

توان خروجی یک موتور Stirling ثابت است و تنظیم آن چندان آسان نیست. بعضی از انواع موتور Stirling که با اختلاف دمای کوچک کار می کنند، اندازه بزرگی نسبت به توان خروجی خود دارند. همچنین باید از سیال عامل مناسب در ساخت و طراحی این موتورها استفاده شود.

موتور استرلینگ با تبدیل انرژی گرمایی به حرکت چرخشی به دلیل انعطاف پذیری و عملکرد ثابت خود در کاربری های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد.

سخن آخر

در این مطلب شما را با انواع موتور استرلینگ و نحوه کار آن ها آشنا کردیم. برای مطالعه مطالب آموزشی بیشتر کافی است مقالات سایت آسمان ایکس را مطالعه کنید.

منابع استفاده شده:

1. https://engineeringlearn.com/stirling-engine
2. https://interestingengineering.com/transportation/the-everlasting-nearly-emission-free-stirling-engine
3. https://www.mechanicalbooster.com/2018/01/stirling-engine-types-main-parts-working-application.html