ماشین استرلینگ-موتور استرلینگ

ماشین استرلینگ




در سال ۱۱۹۵ (۱۸۱۶ میلادی) قبل از این‌که حتی علم «ترمودینامیک» پیدا شود کشیشی اسکاتلندی به‌نام «رابرت استرلینگ» (Robert Sterling) یک ماشین هوای داغ – که می‌توانست مقداری از انرژی آزاد شده توسط سوخت احتراقی را به‌کار تبدیل کند – طراحی کرد.

این ماشین تا سال‌های زیادی مفید و مورد استفاده بود ولی به‌علت توسعه‌ی ماشین‌های بخار و درون‌سوز متروک شد.

مراحل عمل چنین ماشینی در شکل ۱ نشان داده شده است. دو پیستون، یکی در سمت راست و دیگری در سمت چپ و دیگری پیستون تراکم در سمت چپ به یک میله متصل‌اند.



الف – مرحله‌ی ۱ به ۲


ب – مرحله‌ی ۲ به ۳



ج – مرحله‌ی ۳ به ۴


د – مرحله‌ی ۴ به ۱



شکل ۱ – چرخه‌ی استرلینگ
(مراحل ترمودینامیکی ماشین استرلینگ).

وقتی که میله دوران می‌کند ‌این پیستون‌ها به‌کمک اتصال‌های مناسب در فاز مخالف حرکت می‌کنند. فضای بین دو پیستون با گاز پُر شده است و قسمت چپ فضای مذکور به یک منبع داغ‌ (سوخت در حال احتراق) وصل است. در حالی‌که قسمت سمت راست آن در تماس با یک منبع سرد است.

بین دو بخش گاز، ‌دستگاه R موسوم به «بازمولد» (Regenerator) قرار دارد که تشکیل شده است از یک بسته «پشم فولاد» یا یک رشته «بازدارنده‌های فلزی» که رسانش گرمایی آن‌ها به اندازه‌ای پایین است که می‌توانند اختلاف دمای بین دو انتهای گرم و سرد را (بدون هدایت گرمایی قابل‌توجهی) حفظ کنند.

«چرخه‌ی استرلینگ» متشکل از چهار فرایند است که طرح‌وار در شکل ۱ نشان داده شده‌اند و شامل تغییرهای «فشار» و «حجم» است که (با فرض وجود شرایط ایده‌آل) در نمودار PV در شکل ۲ رسم شده است.





شکل ۲ – نمودار تغییر فشار، حجم در دمای ثابت.



مرحله‌ی ۱ به ۲ (۲→۱)
هنگامی که پیستون سمت چپ در بالا قرار می‌گیرد ‌پیستون سمت راست تا نیمه‌ی راه به بالا می‌رود و گاز سرد را – که در تماس با منبع سرد است – متراکم می‌کند و بنابراین باعث خروج گرمای│Qc│می‌شود. این یک تراکم تقریبا هم‌دما است ‌که به‌صورت یک فرایند هم‌دمای کامل در دمای θc نشان داده شده است.


مرحله‌ی ۲ به ۳ (۳→۲)
پیستون سمت چپ به پایین و پیستون راست به بالا می‌رود ‌به‌طوری‌که هیچ‌گونه تغییری در حجم ایجاد نمی‌شود ولی گاز ازطریق«باز مولد» از قسمت سرد به قسمت داغ رانده می‌شود و وارد قسمت چپ – که در دمای بالاتر θH قرار دارد – می‌گردد. برای انجام این‌کار، بازمولد گرمای │QR│ را به گاز می‌دهد.

یاداوری – توجه کنید که فرایند ۳→۲ در شکل (۱ – ب) در حجم ثابت رخ می‌دهد.


مرحله‌‌ی ۳ به ۴ (۴→۳)
اکنون در حالی که پیستون سمت چپ – که به منبع گرم وصل است – به حرکت خود به‌سوی پایین ادامه می‌دهد‌ پیستون سمت راست ساکن باقی می‌ماند و باعث می‌شود گاز دست‌خوش یک انبساط تقریبا هم‌دما شود – که طی آن همان‌طور که در شکل (۱ – ج) نشان داده شده است – گرمای │QH│در دمای θH جذب می‌شود.


مرحله‌ی ۱ به ۴ (۱→۴)
هر دو پیستون در جهت مخالف یکدیگر حرکت می‌کنند و از این رو گاز را از طریق «باز مولد» از طرف داغ به‌طرف سرد می‌رانند و تقریبا همان مقدار گرمای │QR│را – که در فرایند ۲ به ۳ (۳→۲) جذب شده بود – به «بازمولد» پس می‌دهد. این فرایند عملا در حجم ثابت صورت می‌گیرد.

نتیجه‌ی خالص چرخه‌ی مذکور جذب گرمای │QH│در دمای بالای θH و دفع گرمای │Qc│در دمای پایین θC و تحویل کار به محیط است که از رابطه‌ی ذیل به‌دست می‌آید که طی آن هیچ انتقال گرمای خالصی در این فرایند با حجم ثابت صورت نمی‌گیرد:



│QH│-│Qc│=│W│


باید تاکید شود که شکل (۱ – الف) بر این فرض‌ها استوار است که:


۱ – گاز کامل است

۲ – هیچ نشت گازی صورت نمی‌گیرد

۳ – هیچ گرمایی از طریق دیواره‌های سیلندر تلف یا کسب نمی‌شود

۴ – هیچ گرمایی از داخل «بازمولد» جریان نمی‌یابد‌

۵ – هیچ اصطکاکی وجود ندارد.
نموداری که چرخه‌ی واقعی استرلینگ را نشان می‌دهد بیش‌تر شبیه به شکل ۳ است. حتی اگر این شرایط اید‌ه‌آل می‌توانستند در عمل تحقق یابد ‌باز هم مقداری گرما در دمای پایین‌تر │Qc│دفع می‌شد و لذا همه‌ی │QH│ ورودی نمی‌توانست به کار تبدیل شود.







الف – سرمایش هم‌حجم از مرحله‌ی ۳ تا ۴
(حجم ثابت).


ب

شکل ۳ – شمایی کلی از ماشین استرلینگ.



موتور استرلینگ
موتور استرلینگ یک موتورحرارتی است که اختلاف زیادی با موتورهای احتراق داخلی در اتومبیل دارد که در سال ۱۸۱۶ توسط رابرت استرلینگ اختراع شد. موتور استرلینگ قابلیت بازدهی بیشتری نسبت به موتورهای بنزینی و دیزلی دارد.



موتور استرلینگ مدل آلفا

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.



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.





منبع:انجمن مهندسی پزشکی