مکانیک، مهندسی 265 بازدید

موتورها از زمان انقلاب صنعتی به جهانی که در آن زیسته‌ایم کمک زیادی کرده‌اند. ابتدا موتورهای بخار زغال‌سنگی، سپس موتورهای بنزینی تمیزتر و کارآمدتر، و اخیراً موتورهای جت در هواپیماها. مفهوم اساسی «موتور» (Engine) – چیزی که از تفاوت بین درجه حرارت بالا و درجه حرارت پایین استفاده می‌کند – در چند صد سال تغییر نکرده است، اگرچه گاهی هنوز پیشرفت‌های جزئی انجام می‌شود که این روند را کمی سریع‌تر یا بیشتر می‌کند. یکی از موتورهایی که ممکن است اخیراً درباره آن زیاد شنیده باشید موتور استرلینگ است که کمی شبیه یک موتور بخار است و البته از بخار استفاده نمی‌کند. در عوض، موتور استرلینگ هوا یا گاز یکسان را دائما گرم، سرد و بازیافت می‌کند تا قدرت مفیدی تولید کند که می‌تواند ماشین را هدایت کند. موتورهای استرلینگ که با انرژی خورشیدی و سایر فناوری‌های جدید همراه شده‌اند، شبیه به فناوری‌های پیشرفته به نظر می‌رسند، اما آن‌ها در واقع از سال 1816 وجود داشته‌اند. در این مطلب، نگاه دقیق‌تری به طرز کار موتور استرلینگ خواهیم داشت.

فهرست مطالب این نوشته پنهان کردن

محبوبیت موتورهای استرلینگ به دلیل استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر در حال افزایش است. در تصویر زیر، آرایه‌ای را مشاهده می‌کنید که گرمای خورشید را روی موتور استرلینگ متمرکز می‌کند که منجر به تولید الکتریسیته می‌شود. موتور استرلینگ روی بازوی سمت راست نصب شده است.

موتور استرلینگ و انرژی خورشیدی

موتور چیست؟

موتورهایی که خودروها یا ماشین‌های کارخانه را راه می‌اندازند، نمونه‌هایی از آن چیزی است که دانشمندان آن‌ها را موتور حرارتی یا ماشین گرمایی می‌نامند. این موتورها یک سوخت غنی از انرژی (زغال‌سنگ، بنزین یا چیز دیگری) را می‌سوزانند تا انرژی گرمایی آزاد کنند. از این انرژی گرمایی برای انبساط و سرد شدن گاز، فشار پیستون و چرخاندن چرخ دستگاه استفاده می‌شود. موتورها دو نوع اصلی دارند: دسته اول موتورهای احتراق خارجی (به عنوان مثال، موتورهای بخار) هستند که سوخت را در یک مکان می‌سوزانند و در قسمت دیگری از همان ماشین توان تولید می‌کنند.

موتورهای احتراق داخلی (مانند موتورهای خودرو) دسته دوم هستند که سوخت را می‌سوزانند و توان را دقیقاً در همان مکان ایجاد می‌کنند (در خودرو، همه این‌ها در سیلندرهای فلزی بسیار قوی اتفاق می‌افتد). هر دو نوع موتور به انرژی گرمایی متکی هستند که باعث انبساط گاز و سپس خنک شدن آن می‌شود. هرچه اختلاف دما (بین گاز در گرم‌ترین و سردترین حالت آن) بیشتر باشد، موتور بهتر کار می‌کند. نظریه نحوه عملکرد یک موتور بر اساس علم ترمودینامیک (علمی به معنای، «حرارت چگونه حرکت می‌کند») است و بر یک مدل نظری از چگونگی انبساط، انقباض، گرمایش و سرد شدن موتورهای ایده‌آل در مجموعه‌ای از مراحل به نام چرخه استوار است.

موتورهای خوب و موتورهای بد

قبل از اینکه بفهمیم طرز کار موتور استرلینگ چگونه است و چه ویژگی‌های خوبی دارد، اگر بدانیم موتورهای بخار چه چیز بدی دارند، دیدمان بازتر خواهد شد. فرض کنید یک آتش با سوخت زغال‌سنگ دارید که آب را تا زمانی که بجوشد و بخار کند گرم می‌کند. بخار از طریق یک لوله به داخل سیلندر رفته و از طریق دریچه باز ورودی حرکت می‌کند و پیستون را فشار داده و چرخ را به حرکت در می‌آورد. سپس شیر ورودی بسته شده و یک شیر خروجی باز می‌شود. حرکت چرخ باعث می‌شود پیستون به داخل سیلندر برگردد، که بخار سرد و ناخواسته را از طریق خروجی به بیرون رانده و از طرق دودکش را به سمت بالا می‌برد.

موتورهای بخار، مانند موتور موجود در لوکوموتیو شکل زیر، نمونه‌هایی از موتورهای احتراق خارجی هستند. آتشی که انرژی را از طریق احتراق (1) تأمین می‌کند در خارج (بیرون) سیلندر قرار دارد که در آن انرژی گرمایی به توان مکانیکی تبدیل می‌شود (3). در بین این دو، یک دیگ بخار وجود دارد (2) که انرژی گرمایی را به بخار تبدیل می‌کند. بخار به عنوان یک مایع انتقال‌دهنده گرما عمل می‌کند و پیستون را فشار می‌دهد (4) که چرخ‌ها را با یک میل لنگ حرکت می‌دهد (5) و قطار را به حرکت درمی‌آورد (6). انرژی بخار و حرارت دائماً از دودکش خارج می‌شود (7). این امر یک راه ناکارآمد و ناخوشایند برای تغذیه یک ماشین متحرک است. اما در روزهایی که زغال‌سنگ فراوان بود و هیچ‌کس اهمیت چندانی برای جلوگیری از آسیب رساندن به کره زمین قائل نبود، خوب بود.

مشکلات زیادی در موتورهای بخار وجود دارد، اما چهار مورد از آن‌ها آشکارتر است. اول، دیگ بخار که بخار تحت فشار بالا کار می‌کند و احتمال منفجر شدن آن وجود دارد (انفجار دیگ بخار در موتورهای بخار اولیه مشکل بزرگی بود). دوم، دیگ بخار عموماً کمی از سیلندر فاصله دارد، بنابراین انرژی از طریق دریافت گرما از یکی به دیگری از بین می‌رود. سوم، بخار خروجی از دود هنوز بسیار داغ است، بنابراین حاوی انرژی اتلافی است. چهارم، چون هر بار که پیستون فشار می‌آورد بخار از سیلندر خارج می‌شود، موتور باید مقدار زیادی آب و سوخت مصرف کند (به همین دلیل است لوکوموتیوهای بخار باید در مخازن آب کنار خط متوقف شوند).

برای آشنایی بیشتر با طرز کار موتور استرلینگ و سایر موتورها، پیشنهاد می‌کنیم به مجموعه آموزش‌های مهندسی مکانیک مراجعه کنید که توسط فرادرس تهیه شده و لینک آن در ادامه آورده شده است.

موتور استرلینگ چیست؟

آیا می‌توانیم موتوری طراحی کنیم که بر این مشکلات غلبه کند؟ فرض کنید از دیگ بخار خلاص می‌شویم (که خطر انفجار را برطرف می‌کند) و از حرارت ناشی از آتش برای تغذیه مستقیم موتور استفاده می‌کنیم. سپس، به جای استفاده از بخار برای انتقال انرژی گرمایی از آتش به سیلندر، می‌توان سیلندر را نزدیک آتش قرار نداد و از هوای معمولی (یا برخی گازهای ساده دیگر) برای انتقال انرژی گرمایی بین آن‌ها استفاده کرد (به همین دلیل است که موتورهای استرلینگ گاهی موتورهای هوای گرم نامیده می‌شوند).

اگر این هوا را در یک لوله بسته ببندیم، بارها و بارها حرکت می‌کند، انرژی را از آتش گرفته و در سیلندر آزاد می‌کند و به این ترتیب، مشکل موتور را که نیاز به تأمین مداوم آب دارد حل می‌کنیم. سرانجام، نوعی مبدل حرارتی را اضافه می‌کنیم به طوری که با عبور هوای گرم به جلو و عقب، انرژی آن در داخل دستگاه حفظ شده و برای بهبود کارایی کلی بازیافت شود.

این‌ها راه‌های اساسی برای بهبود موتور استرلینگ در موتور بخار هستند. گاهی اوقات موتورهای استرلینگ را با عنوان «موتورهای حرارتی چرخه بسته و بازیاب» توصیف می‌کنند که راهی بسیار کوتاه برای بیان آنچه است که به آن اشاره کردیم. چرخه بسته به این معنی است که آن‌ها از حجم گاز بسته برای انتقال حرارت به جلو و عقب از طریق تعدادی مراحل بی‌وقفه تکراری استفاده می‌کنند. احیاکننده به سادگی بدین معناست که آن‌ها از مبدل‌های حرارتی برای حفظ مقداری از حرارت که در هر چرخه از دست می‌رود استفاده می‌کنند.

ساختار و طرز کار موتور استرلینگ ساده است یا پیچیده؟

برخی می‌گویند موتورهای استرلینگ ساده هستند. اگر این درست باشد، به همان معناست که معادلات بزرگ فیزیک (مانند E = mc2) ساده هستند. البته که این معادلات در ظاهر ساده هستند، اما غنی‌تر، پیچیده‌تر و تا زمانی که واقعاً آن‌ها را درک کنید به طور بالقوه بسیار گیج‌کننده هستند. بهتر است موتورهای استرلینگ را پیچیده درنظر بگیریم. نمی‌توان طرز کار موتور استرلینگ را به سادگی با ساختن یک موتور یا تماشای یک موتور از بیرون درک کرد. باید در مورد چرخه مراحلی که طی می‌کند، در مورد گاز درون آن و تفاوت این موتورها نسبت به آنچه در یک موتور بخار معمولی اتفاق می‌افتد، خوب فکر کرد.

به هر حال، در ادامه طرز کار موتور استرلینگ را توضیح می‌دهیم. نحوه کار موتور استرلینگ را ابتدا با نگاهی به قطعات آن، سپس بررسی آنچه آن‌ها انجام می‌دهند، و در نهایت ارائه نظریه پیچیده‌تر (ترمودینامیکی) بیان می‌کنیم.

جابه‌جایی کوچک و جمع‌وجور موتورهای استرلینگ مانند تصویر زیر می‌توانند از اختلافات حرارتی کوچک استفاده کنند؛ حتی با قرار دادن روی دست افراد و خاموش کردن حرارت موجود در آن‌ها.

نحوه کار موتور استرلینگ دیسکی

اجزای اصلی موتور استرلینگ چه هستند؟

چندین مدل مختلف از موتورهای استرلینگ وجود دارد و ما یک نوع خاص را که به عنوان موتور استرلینگ جابه‌جاشونده شناخته می‌شود (همچنین به عنوان موتور استرلینگ نوع بتا شناخته می شود) در نظر می‌گیریم. در ادامه، بخش‌های کلیدی این نوع موتور استرلینگ را معرفی می‌کنیم. شکل زیر اجزای اصلی موتور استرلینگ جابه‌جاشونده را نشان می‌دهد.

اجزای موتور استرلینگ

منبع گرما

منبع گرما جایی است که موتور تمام انرژی خود را از آن می‌گیرد و این منبع می‌تواند آتش زغال‌سنگ باشد یا آینه خورشیدی که گرمای خورشید را متمرکز می‌کند یا مشابه آن‌ها. اگرچه موتورهای استرلینگ به عنوان موتورهای احتراق خارجی توصیف می‌شوند، اما اصلاً لزومی ندارد در آن‌ها از احتراق (سوزاندن واقعی سوخت) استفاده شود. این موتورها فقط به تفاوت دما بین منبع گرما (منبع انرژی) و سینک (که در آن است) نیاز دارند.

شما می‌توانید با حرارت یک فنجان قهوه، کف گرم دست کسی، یا حتی با یک تکه یخ که برای بسیاری از مردم حیرت‌انگیز است، یک موتور کوچک استرلینگ را راه بیندازید. انرژی خروجی موتور از هرگونه تغییر دما در منبع گرما و هیت‌سینک (گرماگیر) حاصل می‌شود. لازم به یادآوری است که تنها با موتور کوچک استرلینگ که از چیزی شبیه به یک فنجان قهوه تغذیه می‌کند، می‌توانید کارهای بسیار محدودی انجام دهید، فقط به این دلیل که حاوی مقدار نسبتاً کمی انرژی است که بسیار سریع مصرف می‌شود.

گاز

حجم گاز به طور دائم داخل دستگاه در یک سیلندر بسته وجود دارد. این گاز می‌تواند هوای معمولی، هیدروژن، هلیوم یا برخی دیگر از مواد در دسترس باشد که در حین گرم شدن و خنک شدن در چرخه کامل موتور (یک سری عملیات مکرر که طی می‌کند) گاز باقی می‌ماند. تنها هدف آن انتقال انرژی گرمایی از منبع گرما به سینک حرارتی، تغذیه پیستون که دستگاه را هدایت می‌کند و سپس بازگشت مجدد برای برداشتن مقدار بیشتری است. گازی که حرارت را جابه‌جا می‌کند، گاهی «سیال عامل» (Working Fluid) نامیده می‌شود.

سینک حرارتی (گرماگیر)

سینک حرارتی محل سرد شدن گاز گرم قبل از بازگشت به منبع گرما است. این بخش معمولاً نوعی رادیاتور (قطعه‌ای فلزی با پره‌های متصل) است که گرمای اضافه را به اتمسفر منتقل می‌کند.

پیستون‌ها

انواع مختلفی از موتورهای استرلینگ وجود دارد، اما همه آن‌ها دارای دو پیستون هستند. این یکی از واضح‌ترین مواردی است که آن‌ها را از موتورهای دیگر متمایز می‌کند. در یک طرح مشترک به نام موتور استرلینگ دوپیستونی (یا آلفا)، دو پیستون و سیلندر یکسان وجود دارد و گاز بین آن‌ها رفت و برگشت کرده، قبل از تکرار چرخه گرم و منبسط می‌شود، سپس سرد و فشرده می‌شود.

در طرح دیگر، به نام موتور استرلینگ جابه‌جاشونده (یا بتا)، یک پیستون کاملاً داخلی به نام جابه‌جاشونده (سبز) وجود دارد که وظیفه آن انتقال گاز بین منبع گرما و سینک حرارتی است. برخلاف پیستون معمولی در موتور بخار، جابه‌جاشونده بسیار راحت جا می‌افتد (فضای کمی بین لبه پیستون و دیواره سیلندر وجود دارد) و گاز هنگام حرکت به جلو و عقب در اطراف آن جریان می‌یابد. یک پیستون (آبی تیره) نیز وجود دارد که محکم در سیلندر قرار می‌گیرد و انبساط گاز را به کار مفیدی تبدیل می‌کند که موتور را در حال حرکت قرار می‌دهد.

در موتورهای استرلینگ بزرگ‌تر، پیستون کار معمولاً دارای یک چرخ طیار یا فلایویل بزرگ است که باعث ایجاد شتاب و عملکرد راحت دستگاه می‌شود. پیستون کار و پیستون جابه‌جاشونده هر دو دائماً در حال حرکت هستند، اما با یکدیگر خارج از گام (یک‌چهارم چرخه یا 90 درجه خارج از فاز) هستند. آن‌ها از یک چرخ توان می‌گیرند، اما پیستون جابه‌جاشونده همیشه یک‌چهارم چرخه (90 درجه) از پیستون کار جلوتر است.

مبدل حرارتی

مبدل حرارتی که به عنوان بازیاب نیز شناخته می‌شود، در محفظه بسته بین منبع گرما و سینک حرارتی (گرماگیر) قرار دارد. هنگامی که گاز داغ از کنار بازیاب عبور می‌کند، مقداری از گرمای خود را به بازیاب می‌دهد. وقتی گاز به عقب حرکت می‌کند، دوباره این گرما را جذب می‌کند. بدون بازیاب، این گرما در اتمسفر از بین رفته و هدر می‌رود. مبدل حرارتی کارایی و قدرت موتور را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد. برخی از موتورهای استرلینگ دارای مبدل‌های حرارتی متعددی هستند.

طرز کار موتور استرلینگ چگونه است؟

طرز کار موتور استرلینگ را می‌توان هم به صورت خلاصه و هم با جزئیات بیان کرد.

خلاصه طرز کار موتور استرلینگ

مانند موتور بخار یا موتور خودروهای احتراق داخلی، موتور استرلینگ با تکرار تعدادی عملیات اساسی که به چرخه آن معروف است، انرژی گرمایی را به انرژی مکانیکی (کار) تبدیل می‌کند. یک موتور استرلینگ ساده از نوع جابه‌جاشونده را در نظر بگیرید. تا زمانی که متوجه شوید آنچه اتفاق می‌افتد این است که گاز داخل به طور متناوب منبسط شده و منقبض می‌شود و در این بین، از سمت داغ سیلندر به طرف سرد حرکت می‌کند و دوباره به عقب برمی‌گردد، درک طرز کار موتور استرلینگ بسیار گیج‌کننده و دشوار است.

وظیفه پیستون آبی تیره این است که از انرژی ناشی از انبساط گاز برای هدایت بخش در حال حرکت موتور استفاده کند، سپس گاز را فشرده کند تا چرخه تکرار شود. وظیفه پیستون جابه‌جاشونده سبز این است که گاز را از سمت گرم سیلندر (در سمت چپ) به سمت سرد (در سمت راست) و عقب منتقل کند. دو پیستون که در ارتباط با هم کار می‌کنند، این اطمینان را می‌دهند که انرژی گرمایی به طور مکرر از منبع به سینک منتقل شده و به کار مکانیکی مفیدی تبدیل می‌شود.

تشریح طرز کار موتور استرلینگ

اگر بخواهیم با جزئیات بیشتری موضوع را بیان کنیم، می‌توانیم طرز کار موتور استرلینگ را در گام‌های زیر شرح دهیم:

  1. خنک‌کاری و فشرده‌سازی: بیشتر گاز (نشان داده شده با مربع‌های آبی) در سمت راست در انتهای سردتر سیلندر قرار دارد. با سرد شدن و منقبض شدن، گاز مقداری از گرمای خود را که با هیت سینک حذف می‌شود، از دست داده و هر دو پیستون به سمت داخل (به سمت مرکز) حرکت می‌کنند.
  2. انتقال و بازسازی: پیستون جابه‌جایی به سمت راست حرکت می‌کند و گاز سرد شده در اطراف آن به قسمت گرم‌تر سیلندر در سمت چپ حرکت می‌کند. حجم گاز در حین عبور از بازیاب (مبدل حرارتی) ثابت می‌ماند تا مقداری از حرارتی را که قبلاً رسوب از دست داده بود، جذب کند.
  3. گرمایش و انبساط: بیشتر گاز (که توسط مربع‌های قرمز نشان داده شده) در سمت چپ در انتهای گرم سیلندر قرار دارد. این گاز با آتش (یا منبع حرارتی دیگر) گرم می‌شود، بنابراین فشار آن افزایش یافته و منبسط می‌شود و انرژی را جذب می‌کند. هنگامی که گاز منبسط می‌شود، پیستون کار را به سمت راست فشار می‌دهد، که باعث حرکت فلایویل و هر آنچه که موتور به آن نیرو می‌دهد، می‌شود. در این قسمت از چرخه، موتور انرژی گرمایی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند (و کار انجام می‌دهد).
  4. انتقال و سرمایش: پیستون جابه‌جایی به سمت چپ حرکت می‌کند و گاز داغ در اطراف آن به قسمت سردتر سیلندر در سمت راست حرکت می‌کند. حجم گاز در حین عبور از بازیاب (مبدل حرارتی) ثابت می‌ماند و مقداری از انرژی خود را در مسیر از دست می‌دهد. اکنون چرخه کامل شده و آماده تکرار است.
نحوه کار موتور استرلینگ

اگرچه موتور یک چرخه را پشت‌ سر می‌گذارد و به همان جایی می‌رسد که چرخه را شروع کرده است، اما این یک فرایند متقارن نیست. در واقع، انرژی به طور مداوم از منبع خارج شده و در سینک ذخیره می‌شود. این امر به این دلیل اتفاق می افتد که وقتی گاز داغ منبسط می‌شود، مقدار مشخصی کار روی پیستون انجام می‌دهد، اما پیستون با فشرده‌سازی گازِ سرد شده کار کمتری انجام می‌دهد و آن را به حالت اولیه باز می‌گرداند.

طرز کار موتور استرلینگ از نظر تئوری

اکنون ممکن است با خود فکر کنید: «همه این‌ها بسیار پیچیده است! چرا وقتی می‌توانیم با یک پیستون ساده کار کنیم، با دو پیستون درگیر شویم؟ چرا همه این مراحل جداگانه را انجام دهیم؟ چرا همه‌چیز را ساده‌تر نمی‌کنیم؟» برای پاسخ صحیح به این پرسش‌ها، باید نظریه موتورها را درک کنیم. اینکه در یک موتور کارآمد گاز در چرخه‌ای از فرایندها مطابق قوانین گاز حرکت می‌کند (قوانین اساسی فیزیک کلاسیک که نحوه ارتباط فشار، حجم و دمای گاز را توضیح می‌دهند). معروف‌ترین چرخه ایده‌آل چرخه کارنو نامیده می‌شود و شامل تکرار یک چرخه انبساط ایزوترمال یا هم‌دما (دمای ثابت) و آدیاباتیک یا بی‌دررو (با حفظ حرارت) و به دنبال آن فشرده‌سازی ایزوترمال و آدیاباتیک است.

طرز کار موتور استرلینگ

موتور استرلینگ از چرخه متفاوتی استفاده می‌کند که (در حالت ایده‌آل) شامل موارد زیر است:

  1. فشرده‌سازی ایزوترمال (دمای ثابت): معادل مرحله (1) در بالا، که در آن حجم گاز کاهش می‌یابد و با افزایش گرما به سینک فشار افزایش می‌یابد.
  2. گرمایش ایزوولومتری (حجم ثابت): معادل مرحله (2) در بالا، که در آن حجم گاز هنگام عبور از بازیاب ثابت می‌ماند و مقداری از حرارت قبلی خود را به دست می‌آورد.
  3. انبساط ایزوترمال (دمای ثابت): معادل مرحله (3) بالا، که در آن گاز انرژی را از منبع جذب می‌کند، حجم آن افزایش می‌یابد و فشار آن کاهش پیدا می‌کند، در حالی که دما ثابت می‌ماند.
  4. خنک‌‌سازی ایزوولومتری (حجم ثابت): معادل مرحله (4) بالا، که در آن حجم گاز هنگام انتقال از طریق بایزیاب و سرد شدن ثابت می‌ماند.

یک موتور استرلینگ واقعی از طریق یک نسخه پیچیده‌تر و کمتر ایده‌آل نسبت به این چرخه کار می‌کند، که خارج از حوصله این آموزش است. فقط کافی است به این نکته توجه داشته باشید که چهار مرحله به طور از هم جدا نمی‌شوند، اما با یکدیگر ترکیب می‌شوند.

انیمیشن طرز کار موتور استرلینگ

علاوه بر آنچه که دیدیم، ویکی‌پدیا یک انیمیشن دیگر از موتور استرلینگ نوع بتا ارائه کرده که اگرچه به زیبایی طراحی شده است، اما پیگیری جزئیات آن اندکی دشوار است، زیرا مراحل جداگانه در کنار آن توضیح داده نشده است. این انیمیشن در زیر آورده شده است.

انیمیشن طرز کار موتور استرلینگ 

در سایت دانشگاه MIT نیز یک انیمیشن کوچک زیبا ارائه شده که توضیحات همراه آن نیز تقریباً کم است.

انیمیشن طرز کار موتور استرلینگ

موتورهای استرلینگ در چه مواردی قابل استفاده هستند؟

اگرچه مهندسان سعی کرده‌اند خودروهایی را با موتور استرلینگ ارائه کنند، اما آزمایش‌ها چندان موفق نبوده است. زمان زیادی طول می‌کشد تا سرعت موتور استرلینگ به حد قابل قبولی برسد و همچنین نمی‌تواند توقف و شروع به حرکت را به خوبی انجام دهد، که باعث می‌شود کمتر از یک موتور احتراق داخلی معمولی برای خودرو مناسب باشد. بعید به نظر می‌رسد که پیشرفت بیشتری در این زمینه وجود داشته باشد. خودروهای آینده به احتمال زیاد از موتورهای الکتریکی یا پیل‌های سوختی استفاده می‌کنند.

کاربرد موتور استرلینگ

موتورهای استرلینگ در ماشین‌هایی که نیاز به تولید مداوم برق با استفاده از تفاوت بین دمای گرم و سرد دارند، بهترین عملکرد را خواهند داشت. آن‌ها برای نیروگاه‌های خورشیدی ایده‌آل هستند که گرمای خورشید به عنوان منبع گرما روی آینه‌ای جمع می‌شود؛ همچنین برای نیروگاه‌های تولید همزمان برق و حرارت (CHP) با کارایی بالا برای تولید برق. اخیراً، «دین کامن» (Dean Kamen)، مخترع «سگ‌وی پی‌تی» یا «رانَک» (Segway) با استفاده از موتورهای استرلینگ به عنوان پایه‌ای برای یک تولید برق جمع‌و‌جور و خانگی، به نام Beacon 10، تقریباً به اندازه ماشین لباسشویی خانگی، به افزایش علاقه به این موتورها کمک کرده است.

در یک موتور استرلینگ معمولی، گرما از انتهای داغ دستگاه (منبع حرارت) وارد می‌شود و از مکانی دیگر و خنک‌تر (هیت سینک) کار مکانیکی انجام می‌شود و گرمای کمتری خواهیم داشت. همان‌طور که می توان از موتورهای الکتریکی به صورت معکوس به عنوان ژنراتور استفاده کرد، می‌توانی به موتور استرلینگ انرژی داد و آن را به عقب برگرداند، و به طور مؤثر گرما را از هیت سینک خارج کرده و از منبع گرفت. این کار موتور استرلینگ را به «کریوکولر» (Cryocooler) تبدیل می‌کند که یک دستگاه خنک‌کننده بسیار کارآمد است. کولرهای موتور استرلینگ در ابررسانایی و تحقیقات الکترونیکی استفاده می‌شوند.

مزایا و معایب موتورهای استرلینگ

بزرگ‌ترین مزیت موتورهای استرلینگ این است که بسیار کارآمدتر از موتورهای بخار هستند (عمدتاً به دلیل چرخه بسته و مبدل حرارتی بازیاب). این موتورها دیگ‌های قابل انفجار ندارند، به منابع آب احتیاج ندارند و فاقد سیستم پیچیده باز و بسته شدن شیرها هستند که موتورهای بخار به آن‌ها نیاز دارند. این یکی از دلایلی است که موتورهای استرلینگ بسیار کم‌صداتر از موتورهای بخار هستند و چون لزوماً سوختن در آن‌ها اتفاق نمی‌افتد، می‌توانند بسیار تمیزتر باشند. برخلاف موتورهای بخار، که معمولاً زغال‌سنگ را برای جوشاندن آب می‌سوزانند، موتورهای استرلینگ می‌توانند از انواع سوخت‌های مختلف استفاده کنند.

کاربرد موتور استرلینگ

البته موتورهای استرلینگ معایبی نیز دارند. این موتورها فوراً شروع به کار نمی‌کنند (گرم شدن مبدل حرارتی طول می‌کشد و افزایش سرعت چرخ طیار زمان‌بر است) و در عملکرد شروع-توقف به خوبی کار نمی‌کنند (برخلاف موتورهای احتراق داخلی). آن‌ها همچنین به رادیاتورهای بزرگی نیاز دارند که می‌توانند گرمای اضافی را دفع کنند و این مورد برای برخی از کاربردها مناسب نیست.

چه کسی موتور استرلینگ را اختراع کرد؟

تصویر زیر از موتور اصلی «رابرت استرلینگ» (Robert Stirling)، بر اساس ثبت اختراع وی در سال 1827، شبیه یک موتور بخار معمولی، اما پیچیده‌تر است. دو محفظه هوای چدنی بزرگ در سمت چپ در پایین گرم و در بالا سرد هستند (منبع گرما و سینک حرارتی) و پیستون‌های جابه‌جایی در داخل آن‌ها به جلو و عقب حرکت می‌کنند. در پشت، می‌توانید پیستون و فلایویل کار را ببینید.

موتور استرلینگ اولیه

موتورهای استرلینگ را یک روحانی اسکاتلندی به نام رابرت استرلینگ در سال 1816 اختراع کرد. او امیدوار بود موتوری مطمئن‌تر و کارآمدتر از موتورهای بخار ایجاد کند که حدود یک قرن قبل توسط توماس نیوکومن (و بعداً توسط جیمز وات و دیگران بهبود یافت). افزایش موتورهای احتراق داخلی (موتورهای بنزینی و دیزلی) باعث شد موتورهای استرلینگ کنار گذاشته شوند، هرچند که در اواسط قرن بیستم توسط شرکت فیلیپس دوباره توجه به آن‌ها جلب شد.

اخیراً، این موتورها در نیروگاه‌های خورشیدی و سایر انواع انرژی‌های تجدیدپذیر محبوبیت زیادی پیدا کرده اند، زیرا در این نیروگاه‌ها که کارایی بالاتر مورد توجه است. این فناوری در دهه 1980 هنگامی افزایش یافت که ایو کولین از دانشگاه زاگرب و جیمز سنفت از دانشگاه ویسکانسین طراحی جدید و بسیار فشرده‌ای از موتور استرلینگ را ایجاد کردند که می‌تواند با تفاوت‌های اندک بین منبع گرما و سینک توان تولید کند.

معرفی فیلم آموزش آشنایی با موتور استرلینگ و کاربردهای آن

آموزش آشنایی با موتور استرلینگ و کاربردهای آن

برای آشنایی بیشتر با طرز کار موتور استرلینگ ، پیشنهاد می‌کنیم به فیلم آموزش آشنایی با موتور استرلینگ و کاربردهای آن مراجعه کنید که در ۳ ساعت و ۱۰ دقیقه و در قالب ۷ درس تهیه شده است. در درس یکم این فیلم آموزشی، به تاریخچه موتورهای استرلینگ شامل چگونگی توسعه موتور استرلینگ، رابرت استرلینگ (Robert Stirling)، تاریخچه موتور استرلینگ و چرخه ترمودینامیکی موتور استرلینگ پرداخته شده است.

موضوع درس دوم مقایسه ترمودینامیکی موتور استرلینگ با موتورهای دیزل و اتو است و در آن، موتورهای احتراق داخلی، موتور دیزل و موتور اتو معرفی شده و مقایسه ترمودینامیکی و عملی موتور استرلینگ با چرخه‌های موتورهای دیزل و اتو بیان شده است. در درس سوم به اصول کاری موتورهای استرلینگ و پارامترهای مؤثر بر آن پرداخته شده و مباحثی از قبیل اصول کاری موتور استرلینگ، ملاحظه‌های مرتبط با شرایط واقعی در چرخه استرلینگ و اجزای موتور استرلینگ و مشخصه‌های آن‌ها معرفی شده‌اند.

درس چهارم شامل انواع موتورهای استرلینگ و مشخصه‌های آن‌ها است و طبقه‌بندی انواع مختلف موتورهای استرلینگ از قبیل موتور استرلینگ آلفا (Alpha)، موتور استرلینگ دو‌ عمله، موتور استرلینگ بتا (Beta)، موتور استرلینگ گاما (Gamma) و سایر مدل‌های مرسوم موتور استرلینگ بیان شده است.

در درس پنجم به پارامترهای مهم در طراحی و عملکرد موتور استرلینگ پرداخته شده و اصول کاری موتور استرلینگ به همراه ملاظه‌های مرتبط با شرایط واقعی در چرخه استرلینگ و اجزای موتور استرلینگ و مشخصه‌های آن‌ها معرفی شده است.

درس ششم به کاربردهای موتورهای استرلینگ و تحلیل‌های تئوری رایج آن‌ها اختصاص یافته و در آن، موتورهای استرلینگ خورشیدی، موتورهای استرلینگ در خودروسازی، موتورهای استرلینگ در پزشکی و هوافضا، موتورهای استرلینگ در سایر کاربردها و روابط فیزیکی و تحلیل‌های ترمودینامیکی آن‌ها ارائه شده است. در نهایت، در درس هفتم، نمونه موتورهای استرلینگ ساختنی و مراجع تکمیلی معرفی شده‌اند و نمونه موتورهای استرلینگ قابل ساخت در منزل و اطلاعات و مراجع تکمیلی شرح داده شده است.

معرفی فیلم آموزش آشنایی با سیستم های تهویه مطبوع سرمایشی و گرمایشی (چیلرهای توربوکر و دیگ های چگالشی)

یکی از آموزش‌های فردارس در زمینه تهویه مطبوع، آموزش آشنایی با سیستم های تهویه مطبوع سرمایشی و گرمایشی (چیلرهای توربوکر و دیگ های چگالشی) است که در ۲ ساعت و ۱۶ دقیقه و در قالب دو درس تدوین شده است. در درس اول این آموزش، چیلرهای توربوکر (بدون روغن) و موضوعات مرتبط با آن به طور کامل معرفی می‌شوند. همچنین، در درس دوم، مباحث مفصلی درباره دیگ‌های چگالشی (Condensing boiler) بیان شده است.

  • برای مشاهده فیلم آموزش آشنایی با سیستم های تهویه مطبوع سرمایشی و گرمایشی (چیلرهای توربوکر و دیگ های چگالشی) + اینجا کلیک کنید.

معرفی فیلم آموزش اصول طراحی، نصب و سرویس سیستم های تهویه مطبوع حجم متغیر VRF

آموزش اصول طراحی، نصب و سرویس سیستم های تهویه مطبوع حجم متغیر VRF

سیستم‌های حجم متغیر VRF یکی دیگر از راهکارهای تهویه مطبوع هستند که آموزش اصول طراحی، نصب و سرویس سیستم های تهویه مطبوع حجم متغیر VRF در رابطه با آن‌ها توسط فرادرس تهیه شده است. مدت زمان این آموزش ۴ ساعت و ۸ دقیقه بوده و در ۸ درس تدوین شده است. موضوع درس یکم این آموزش، مقدمه‌ای بر تهویه مطبوع و وضعیت انرژی است. در درس دوم، سیستم VRF و اصول کارکرد آن معرفی شده است. ویژگی‌های سیستم VRF و اصول طراحی آن در درس‌های سوم و چهارم مورد بررسی قرار گرفته‌اند. نرم‌افزارهای تجاری طراحی این سیستم‌ها در درس پنجم معرفی شده‌اند. در درس‌های ششم و هفتم نصب سیستم‌های VRF و سرویس و نگهداری آن‌ها مورد بحث قرار گرفته‌اند و در نهایت، در درس هشتم، توجیه اقتصادی استفاده از سیستم VRF بیان شده است.

  • برای مشاهده فیلم آموزش اصول طراحی، نصب و سرویس سیستم های تهویه مطبوع حجم متغیر VRF + اینجا کلیک کنید.

معرفی فیلم آموزش برق و کنترل های تاسیسات

آموزش برق و کنترل های تاسیسات

یکی دیگر از آموزش‌های فرادرس که در آن‌ به مبحث تهویه مطبوع پرداخته شده، آموزش برق و کنترل های تاسیسات است که در زمان ۵ ساعت و ۳۰ دقیقه و در قالب ۸ درس تدوین شده است.

در درس یکم این فیلم آموزشی، مفاهیم اولیه سیستم‌های کنترل پرداخته شده است. موضوع درس دوم، معرفی کنترل‌کننده‌ها است. همچنین، محرک‌ها و اندازه‌گیری‌ها، به ترتیب، در درس‌های سوم و چهارم معرفی شده‌اند. کمپرسور در درس پنجم معرفی شده و چیلر در درس ششم مورد بررسی قرار گرفته است. سیستم‌های تهویه مطبوع موضوع درس هفتم است و در نهایت، در درس هشتم، نرم‌افزارهای مهم مربوط به کنترل تأسیسات معرفی شده‌اند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای 10 نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

سید سراج حمیدی دانش‌آموخته مهندسی برق است و به ریاضیات و زبان و ادبیات فارسی علاقه دارد. او آموزش‌های مهندسی برق، ریاضیات و ادبیات مجله فرادرس را می‌نویسد.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *