موتور استرلینگ

کولر :

در موتورهای استرلینگ دفع حرارت در کولر با توجه به اختلاف دمای محدود بسیار مشکل بوده و از اهمیت زیادی در زمینه بازدهی موتور بر خوردار است. بنابراین با بهبود و افزایش عملکرد آن یکی از گامهای مطمئن را در جهت بهبود بازدهی می توان برداشت. به همین دلیل است که سطح کولر را بزرگتر از هیتر در نظر می گیرند.

برای خنک کاری از آب و هوا در حالت ساده می توان استفاده کرد. در ساده ترین حالت استفاده از هوا معقول تر است، بدین صورت که با تعبیه فین های مناسب بر روی قسمت سرد موتور عمل خنک سازی انجام می گیرد. برای استفاده از آب، باید کانال های لازم برای انتقال آب پیش بینی شوند و در صورت استفاده از پمپ و رادیاتور بازدهی بالاتر خواهد رفت.

موتورهای استرلینگ در مقایسه با موتورهای احتراق داخلی نیاز به رادیاتور بزرگتری دارند.

 برای مثال در مقایسه با موتور دیزل سه برابر بیشتر نیاز به دفع حرارت دارند.

برای افزایش انتقال حرارت، محفظه سرد باید تا حد امکان برزگ انتخاب شود تا عمل سرمایش امکان پذیر باشد.

منبع حرارت:

برای موتورهای ابتدایی می توان از یک شمع یا مانند آن استفاده کرد. برای موتورهای کوچک پیشرفته تر سوزاندن الکل به عنوان سوخت، و در ابعاد بزرگتر و پیچیده تر از گاز طبیعی استفاده می شود. موتورهای استرلینگ خورشیدی نیز، مستقیما از نور خورشید به عنوان منبع گرما بهره می گیرند.

یک شمع ساده می تواند در حدود 40 وات، حرارت تولید کند. استفاده از گاز به عنوان سوخت حرارتی مناسب ترین و راحتترین راه برای ایجاد حرارت است، و همان طور که گفته شد در پروژه های سنگین تر از مشعل حرارتی با سوخت گاز استفاده می کنند. 

بسته به نوع سیستم گرمایشی دمای سیال اطراف سیلندر گرم می تواند به مقادیر زیر برسد.

-        منبع حرارتی تابش غیر متمرکز خورشید      80- 40   درجه سانتیگراد

-        منبع حرارتی شمع                                      200- 150 درجه سانتیگراد

-        منبع حرارتی چراغ الکلی                           300- 250 درجه سانتیگراد

-        منبع حرارتی چراغ گازی                           650- 500   درجه سانتیگراد

چگونه می توان قسمت گرم(هیتر)، را طراحی کرد؟

   مهمترین مسئله در طراحی این بخش توجه به لزوم بهبود انتقال حرارت به سیلندر و جلوگیری از افت قابل توجه دما می باشد. انتقال حرارت می تواند با افزایش سطح، به عنوان مثال با ایجاد شیار در سطح، بهبود یابد.

   از طرف دیگر باید به این نکته توجه داشت که حرارت نباید از قسمت هیتر به کولر منتقل شود، برای این منظور باید از فلزاتی با دیواره ی نازک که ضریب انتقال حرارت هدایتی کمتری دارند، در فاصله بین آنها در موتور استفاده کرد.

عواملی که باید در طراحی مد نظر قرار گیرند:

—       دمای عملکرد موتور و نسبت حجم ها: بر حسب اینکه اختلاف دما بین دو منبع چقدر باشد، نسبت حجم ها (فضایی که displacer در آن حرکت می کند نسبت به فضایی که پیستون در آن در حال حرکت است)، متفاوت خواهد بود. هر چه اختلاف دما پایین تر باشد، نسبت حجم ها  بیشتر خواهد بود.

—       نسبت های هندسه های طراحی شده

—       نسبت توان به حجم پیستون:

    موتورهای امروزی که با هیدروژن یا هلیوم در فشار  bar200-150 کار می کنند، توانایی تولید watts/cc100-80 را دارند، حال آنکه موتورهای ساخته شده در سطح اولیه و مبتدی توانی حدود   watts/cc 0/35-0/15و در خوشبینانه ترین حالت توانی در حد watts/cc 1 خواهد داشت.

  محاسبه توان در صورت تحلیل اجمالی به صورت زیر قابل دستیابی است:

P=0.25×p×f×V×(Hot temp–Cold temp)/(Hot temp+Cold Temp)

که در آن:

P = قدرت موتور بر حسب وات

p = متوسط فشار مطلق موتور، (در موتورهای اتمسفریک برابر 1 bar)

f = بسامد به هرتز

V= حجم جابه جا شده پیستون در cc

شرکت تحقیق، طراحی و تولید موتور ایران خودرو (ایپکو)، اولین نمایشگاه و جشنواره موتورهای هواگرم(Stirling Engine)  را برگزار می کند.

در این رویداد علمی که با همکاری دانشگاه ها، مراکز تحقیقاتی و صنایع موتورسازی برگزار می شود، علاوه بر نمایشگاه موتورهای هواگرم، بخش ها و برنامه های دیگری مانند ارائه مقالات و دستاوردهای علمی و فنی در زمینه ی موتورهای هواگرم وجود دارد.

ضمناً،  به‌زودی اطلاعات تکمیلی از طریق پایگاه‌های اینترنتی به نشانی http://www.ip-co.com    و  http://www.engineresearch.ir   ارائه خواهد شد.

تلفن تماس : 44535095

 همانطور که گفته شد، در ابتدا از هوا به عنوان سیال عامل در موتور استرلینگ استفاده می شد و به همین علت نامگذاری ابتدایی آن بنام موتورهای هوایی بوده است؛ اما بعد ها به علت سبکتر بودن هلیم و هیدروژن نسبت به هوا ، این دو گاز جایگزین آن شدند. سبکتر بودن سیال عامل از طرفی منجر به کاهش حجم و وزن موتور شده و از طرفی دیگر کوچک و سبک بودن مولکولها موجب کاهش تلفات می­گردد. در حال حاضر هیدوروژن سیال عامل ایده­آل برای موتور استرلینگ از لحاظ خصوصیات ترمودینامیکی و فیزیکی به شمار می­رود. اما به خاطر خطرات آن و مسائل امنیتی، استفاده کاربردی کمتری  دارد. بنابراین در حال حاضر بیشتر از هلیم به عنوان سیال عامل استفاده می شود . با توجه به جدولزیر ، هوا حدوداً دارای وزن مولکولی 29 است. در حالیکه وزن مولکولی هلیم 4 است . بنابراین هوا حدوداً هفت بار سنگین­تر از هلیم می باشد. پس هلیم حدوداً باید هفت برابر کمتر از هوا انرژی دریافت کند تا یک نیروی مشخص را تولید نماید . در کل هلیم به تنها خصوصیات ترمودینامیکی نسبتاً خوبی دارد ، سبک است و از طرفی خطرات هیدروژن را نیز ندارد .

                  مشخصات عملکردی چند گاز به عنوان سیال عامل

سیال عامل در موتور استرلینگ

در چرخه استرلینگ، سیال عامل به عنوان یک زیر سیستم مهم از موتور استرلینگ، در یک حجم بسته به طور متناوب گرما و سرما می­گیرد و وظیفه حمل انرژی و انجام کار را به عهده دارد.

هر سیالی با ظرفیت حرارتی مخصوص بالا ممکن است به عنوان سیال عامل در موتور استرلینگ مطرح شود. به جز چند استثنا، غالب موتورهای استرلینگ در قرن نوزدهم از هوا به عنوان سیال عامل استفاده می­کردند. بیشتر آن­ها نزدیک به فشار اتمسفر عمل می­کردند. هوا ارزان و به سهولت در دسترس می­باشد. سیال عامل به کار رفته در موتور استرلینگ باید خصوصیات ترمودینامیکی، انتقال حرارتی و دینامیکی(دینامیک گازها) زیر را داشته باشد.

1- رسانش گرمایی بالا

2- ظرفیت گرمایی ویژه بالا

3- گران­روی پایین

4- چگالی پایین

برای عملکرد بهتر موتور علاوه بر شرایط فوق، سهولت دسترسی پذیری، قیمت مناسب ، ایمنی عملکرد و ذخیره­سازی آسان خصوصیات مهمی هستند که نمی­توان آن­ها را نادیده گرفت.

طبقه بندی از نظر شکل اتصال پیستون­ها(مکانیزم)

1-اتصال صلب

الف)لنگ لغزنده

ب)مکانیزم رامبیک

ج)مکانیزم صفحه کج

د)مکانیزم قید و لنگ (اهرم و لنگ)

ه)مکانیزم رُز

2-اتصال گازی

در این نوع اتصال، سیال عامل می­تواند اجزای کنترل حجم موتور را به یکدیگر مرتبط کند. این امر در نتیجه تغییرات حجم در هنگام سرمایش و گرمایش سیال است.این نوع اتصال به موارد زیر تقسیم می­شود:

الف)پیستون آزاد

ب)جابجاکننده آزاد

ج)سیلندرآزاد

3-اتصال مایع

در این نوع اتصال، ارتباط بین اجزای کنترل حجم موتور به وسیله یک سیال مایع برقرار می­شود که متفاوت با عملکرد سیال عامل موتور می­باشد. این نوع اتصال دارای موارد زیر است:

الف)جریان جت[1]

ب)تیر نوسانی[2]

ج)فشار فیدبک[3]

طبقه­بندی از نظر اتصال سیلندرها

الف)موتورهای نوع آلفا

موتورهای نوع آلفا دارای دو سیلندر مجزا 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.  

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. 

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..

طبقه بندی موتورهای استرلینگ:

موتورهای استرلینگ در طی سال­های متمادی پیشرفت کرده­اند و طرح­های مختلفی از این موتور توسعه داده شده­است. طرح­های موجود را در سه دسته می­توان طبقه­بندی کرد.

1)       از لحاظ شیوه عملکرد

2)      آرایش سیلندرها

3)     شکل اتصال پیستون(مکانیزم)

طبقه بندی از لحاظ شیوه عملکرد:

از نظر شیوه عملکرد موتور استرلینگ به موارد زیر تقسیم می­شود:

الف) موتورهای تک زمانه

در موتور­های استرلینگ تک زمانه سیال عامل تنها با یک طرف پیستون در تماس است و از یک سیلندر یه سیلندر دیگر جابجا می­شود. این نوع موتورها ممکن است به صورت موتورهای تک سیلندر در چیدمان­های چندتایی و با محفظه لنگ و میل لنگ مشترک ارائه شوند.

ب)موتورهای دوزمانه

در موتورهای دو زمانه هر دو سمت پیستون برای حرکت سیال و انتقال آن بین فضاهای کاری مورد استفاده قرار می­گیرد. در این نوع موتورها که با آرایش چند سیلندری ارائه می­شوند، طرف گرم یک سیلندرتوسط لوله­های رابط به طرف سرد سیلندر مجاور متصل می­گردد.

ج)موتورهای تک فاز

د)موتورهای چندفاز

در برخی از موتورها سیال عامل در یک سیکل کاری تغییر فاز نمیدهد حال آنکه در دستۀ دیگری از موتورها، تغییر فاز سیال عامل موجب تولید کار میگردد.

ه)تشدید شونده[1]

موتورهای تشدید شونده در فرکانسی معادل با فرکانس طبیعی موتور عمل می­کنند.

و)غیر تشدید شونده[2]

موتورهای استرلینگ غیر تشدید شونده در سرتاسر یک بازه فرکانسی عمل می­کنند.