پرتال تخصصی تاسیسات مکانیکی ساختمان

موتور های استرلینگ از چرخه ی استرلینگ استفاده می کنند که مشابه ی چرخه ی استفاده شده در موتورهای احتراق داخلی نیست .

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

چرخه ی استرلینگ از یک منبع حرارتی که می تواند هر چیزی از بنزین و انرژی خورشیدی تا حرارت ناشی از پوسیدگی گیاهان باشد ، استفاده می کند و هیچ احتراقی داخل سیلندرهای موتور رخ نمی دهد .

چرخه ی استرلینگ 

قاعده ی اصلی کار موتور استرلینگ این است که مقداری گاز داخل موتور محفوظ شده است . چرخه ی 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 استرلینگ 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 آ ن را در فضا کاهش دهید ) ، دمای آن گاز افزایش خواهد یافت .

حال می خواهیم به هر یک از مزاحل سیکل استرلینگ بپردازیم . در آغاز به موتور ساده شده ی استرلینگ نگاهی می اندازیم :

موتور ساده شده از دو سیلندر استفاده می کند . یک سیلندر به وسیله ی یک منبع خارجی گرما ، گرم می شود ( مثل آتش ) و دیگری به وسیله ی یک منبع سرد خارجی ( مثل یخ ) ، سرد می شود . محفظه ی گاز دو سیلندر به هم متّصل اند و پیستون ها به طور مکانیکی به وسیله ی یک اتّصال که چگونگی حرکت آن ها را معیّن میی کند ،  به یکدیگر متّصل اند .

مرحل سیکل استرلینگ

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 می کند ، پیستون چپ بالا می آید . این جا به جایی گاز داغ را به داخل سیلندر سرد می راند که به سرعت گاز داخل منبع را سرد می کند و فشار آن کاهش می یابد . 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 توسّط 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 .

موتور استرلینگ فقط در طول مرحله ی اوّل سیکل نیرو تولید می کند . در این جا دو روش برای افزایش قدرت خروجی از سیکل استرلینگ وجود دارد :

افزایش قدرت خروجی در مرحله ی اوّل : در مرحله ی اوّل سیکل ، فشار گاز گرم ، پیستونی  را که کار انجام می دهد ، 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 . بعدها که ما به دو پیستون موتور استرلینگ در این مقاله نگاه کنیم ، خواهیم دید که چگونه یک وسیله که ریجناتور نامیده می شود ، قدرت خروجی موتور را به وسیله ی حرارت ذخیره شده لحظه ای بهبود می بخشد .

کاهش قدرت استفاده شده در مرحله ی سه : در مرحله ی سوّم سیکل ، پیستون روی گاز کار انجام می دهد و از قسمتی از کار ایجاد شده در مرحله ی اوّل 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 مؤثّر قدرت خروجی افزایش می یابد ) . یک راه کاهش فشار ، سرد کردن گاز در دمای پاین تر است .

نوع جا به جا شونده ی موتور

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

این موتور حتّی با استفاده از حرارت کف دست تان می تواند حرکت کند ؛ به عبارتی حرکت موتور مستلزم یک اختلاف دما بین بالا و پایین سیلندر بزرگ است . در این مورد ، اختلاف دمای بین دمای دست تان و هوای اطراف آن برای چرخش موتور کافی است .

                تصویر ۳- موتور حرارتی استرلینگ که با استفاده از حرارت کف دست کار می کند

توضیح چند اصطلاح

پستون قدرت : همان پیستون کوچک تر در بالای موتور است و به طور محکم محفوظ شده است و به علّت انبساط گاز داخل موتور بالا می آید .

جا به جا کننده : همان پیستون بزرگ است . این پیستون در داخل سیلندر بسیار آزاد است . بنابراین هوا به سادگی بین قسمت گرم و سرد موتور هنگامی که پیستون بالا و پایین می رود ، می تواند حرکت کند . جا به جا کننده بالا و پایین می رود تا گاز داخل موتوذر گرم و سرد شود . دو موقعیّت برای این حالت وجود دارد :

یکی هنگامی که جا به جا کننده نزدیک بالای سیلندر بزرگ است . بیشتر گار داخل موتور توسّط منبع گرم ، گرم و منبسط شده است و فشار ایجاد شده در داخل موتور ، نیروی بالابرندگی پیستون را ایجاد می کند . دوّم هنگامی که جا به جا کننده نزدیک کف سیلندر بزرگ است ، بیشتر گاز داخل موتور سرد و متراکم شده است که سبب افت فشار می شود و پاییین آمدن پیستون قدرت را ساده تر می کند و گاز فشرده می شود . موتور پیوسته گاز را گر م و سرد 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 . مبل رابط هر پیستون به یک دیسک کوچک متّصل است که درحا چرخیدن به یک فلایول بزرگ متّصل است و هنگامی که نیرویی توسّط موتور تولید نمی شود ، باعث تداوم حرکت پسیتون می شود . مشعل دائماً انتهای سیلندر را گرم می کند .

۱- در قسمت اوّل 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 موقعیّتی است که در حرکت خود تغییر جهت خواهد داد ، تقریباً ساکن باقی می ماند .

۲- در مرحله ی 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 ریجناتور و پیستون سرد حرکت می دهد . ریجناتور وسیله ای است که می تواند حرارت را به طور موقّت ذخیره کند و از شبکه ی سیمی که گاز گرم از بین آن عبور می کند ، ساخته شده است . سطح بزرگ شبکه ی سیمی حرارت را جذب می کند و آن را به آرامی به محیط سرد می دهد .

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

۴- در آخرین مرحله ی سیکل هر دو پیستون حرکت می کنند . هنگامی که پیستون گرم به سمت چپ حرکت می کند ، پیستون سرد به سمت پایین می رود . این عمل گاز اطراف ریجناتور ( جایی که در طول سیکل قبلی گرما را ذخیره کرده بود ) را به داخل سیلندر گرم می راند . در این لحظه ، سیکل دوباره تکرار می شود .

طبقه بندی موتورهای استرلینگ از نظر اتّصال سیلندرها 

الف)موتورهای نوع آلفا

موتورهای نوع آلفا دارای دو سیلندر مجزّا 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 شده­اند .  پیستون گرم در کنار منبع گرم و پیستون سرد در کنار منبع سرد قرار می­گیرد. این نوع از موتورها ، از لحاظ مفهومی ، ساده­ترین ترکیب را در میان انواع ترکیبات موتور استرلینگ دارند . گرچه احتیاج به آب بندی هر دو پیستون از معایب آن به شمار می­رود و مسئله آب بندی پیستون گرم به دلیل تماس با منبع گرم از مشکلات فنی آن می­باشد . موتورهای آلفا دارای نسبت توان به حجم بالایی هستند .

تصویر ۴- موتور استرلینگ نوع آلفا . سیلندر انبساط ( قرمز رنگ ) در دمای بالایی نگه داشته می شود ، در حالی که سیلندر تراکم ( آبی رنگ ) خنک است . گذرگاه میان دو سیلندر ، در بر دارنده ی ریجناتور است . 

ب)موتورهای نوع بتا

موتور استرلینگ نوع بتا ، قدیمی­ترین ساختمان موتورهای استرلینگ می­باشد . اختراع رابرت استرلینگ به عنوان اولین موتور استرلینگ دارای ساختمان بتا بوده­است . موتورهای نوع بتا از ترکیب پیستون قدرت و جابجا کننده استفاده می­کنند . ساختمان موتور به این گونه است که هر دو پیستون در یک سیلندر به طور خطی قرار گرفته­اند .  

                                              تصویر ۵- موتور استرلینگ نوع بتا

ج)موتورهای نوع گاما

موتور استرلینگ نوع گاما همانند موتور نوع بتا دارای ترکیب پیستون - جابجا کننده می­باشد . 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 می­باشد. اما به دلیل اینکه تنها پیستون قدرت نیاز به آب بندی دارد و همچنین سیلندرها مجزا هستند ، از لحاظ مکانیکی ساده­ترین آرایش را در میان سایر چیدمان­ها دارد .

                                           تصویر ۶- موتور استرلینگ نوع گاما

کلام آخر

چرا موتوهای استرلینگ متداول نیستند ؟ دو ویژگی وجود دارد که ساخت موتورهای استرلینگ را برای استفاده در بسیاری از کاربردها ؛ مانند بسیاری از خودروها و کامیون ها غیر عملی می کند .

به دلیل این که 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 معنا است که موتور پیش از این که کار مفید ایجاد کند ، به مقداز زمانی نیاز دارد تا گرم شود . همچنین موتور نیروی خروجی اش را نمی تواند به سرعت تغییر دهد . این نارسایی باعث شده است که این موتور با موتورهای احتراق داخلی خودرو جایگزین نشود . هر چند که وجود موتور استرلینگی که به خودروی هیبریدی نیرو می دهد ، امکان پذیر است .