تاریخچه : 

 موتور استر لینگ توسط دكتر ارجمند ، رابرت استرلینگ وبرادر مهندس اش جیمز در سال 1816 اختراع شد و گستر ش یافت .موتور استرلینگ معروف به صرفه جو كننده و بهبود دهندة مصرف سوخت بود.


موتور های استرلینگ

 

 تاریخچه : 

 موتور استر لینگ توسط دكتر ارجمند ، رابرت استرلینگ وبرادر مهندس اش جیمز در سال 1816 اختراع شد و گستر ش یافت .موتور استرلینگ معروف به صرفه جو كننده و بهبود دهندة مصرف سوخت بود.

پیكربندی موتورهای استرلینگ:

1) پیستون قدرت گاز را فشرده كرده لذا پیستون جابجا كننده به طرف مبدل حرارتی حرکت می کند.  

 

 2)حرارت گاز فشار را افزایش  داده و باعث راندن پیستون درون سیلندر می شود این عمل را توان ضربه زنی (كوبش) گویند .

3) اكنون پیستون جابجا شده و گاز را به انتهای سرد سیلندر منتقل می كند

 4) گازسرد شده در این ناحیه بوسیله حركت چرخ طیار (فلایویل) فشرده می شود. این عمل باعث كاهش انرژی وافت فشار می شود.                      

 

 Image and video hosting by TinyPic

 مهندسین موتورهای استرلینگ را به سه دستة  متفاوت تقسیم بندی می كنند :

1) موتور استرلینگ نوع آلفا

یك موتور استر لینگ آلفا شامل دوپیستون توان در دو سیلندر مجزا كه یكی پیستون داغ ودیگری پیستون خنك است . سیلندر پیستون داغ در كنار مبدل حرارتی با دمای بالا واقع است وسیلندر پیستون خنك در كنار مبدل حرارتی با دمای پایین قرار دارد.این نوع موتورها نسبت توان به حجم بسیار بالایی رادارنداما معمولاًٌ دارای مشكل تكنیكی خاصی هنـگام كاردر دمای بالاو به طور مداوم در پیستـــون داغ هستند.در موتور های استر لیـــنـــگ دو سیلندره یا ساختار آلفا یك سیلندر به طور كامل برای گرما وسیلندر دیگر برای نـــــگه داشتن قسمت سرما به كار می رود.در شكل با شعله ورشد ن سوخت ، قسمت پایین تر وچپ سیلندر گرم شده است و سیلندر دیگر سرد نگه داشته می شود .

 

 **یك سیكل استرلینگ ممكن است از چهار فاز متفاوت ایجاد شود :

 ۱- انبساط : در این نقطه اكثر گاز موجود در سیستم به سیلندر هدایت می شودگاز داغ و منبسط شده هردو پیستون را به حركت در می آورد .

 Image and video hosting by TinyPic

  ۲- انتقال :در این نقطه گاز منبسط شده (در حدود سه برابر این مقدار دراین مثال ). بیشتر گاز (در حدود  rds 2.3 ) موجود در سیلند رحرارتی در این قسمت واقع شده است. حركت چرخ طیار (فلایویل) باعث می گردد به اندازه 90 در جه حركت كند . مقداری از گاز به سیلندر خنك كننده انتقال خواهد یافت .

 

 Image and video hosting by TinyPic

  ۳- انقباض : اكنون بیشتر گاز منبسط شده به سیلنر خنك كننده انتقال می یابد ؛ این گاز سرد ومنقبض است كه در شكل برای هر دو پیستون به طرف خارج رسم شده است .

 

 Image and video hosting by TinyPic

 ۴- انتقال : اكنون گاز منقبض شده در سیلندر خنك كننده به صورت ثابت قرار دارد (بی حركت است ). لذا با حركت (قدرت ) فلایویل باعث می شود بار دیگر میل لنگ را به اندازه 90 درجه جابجا كند (حمل كند ) در این حالت گاز به عقب منتقل شده وبه سیلندر گرم (جایی كه از پایین به سیلندر حرارت داده شده است) می رسد تا چرخه كامل شود.

 Image and video hosting by TinyPic

 موتور آلفا همچنین می تواند بایك ساختار سیلندر فشرده چندگانه تركیب شده باشد كه توانایی ایجاد توان خروجی بالایی را دارد.بایدتوجه داشت كه هر چهار سیلندر به یكدیگر متصل هستند بنابراین فضای منبسط شده از یك سیلندر كه در تماس با فضای فشرده شده از سیلندر مجاور كه بایك سری گر مكن ، بازیاب و خنك كن به   یكدیگر متصل هستند .پیستون معمولاً بوسیلة جابجا كننده هدایت شده ومنجر به حركت سینوسی كامل با فاز 90 درجه بین دو پیستون مجاور می شود. (بایكدیگر به اندازه زاویه 90درجه اختلاف دارند.)

شركت ویسپرتیك در نیوزلند در حال ساخت یك ماشین جفت– ارتــــعاشی (wobble-yoke )برای كار بردهای تولید قدرت كه چند منظوره هستند

طرح دیگری از ایــــن موتور (موتور استرلینگ آلفا) STM-4-120 است كه از موتور استــرلینگ حرارتـــی ساخته شده است .

اخیراً ویلیام ازشركت سان پور طرحی ابداع كرد كه در آن وی چـــهار سیلندر پیستون-آزاد ،موتور آلفا را با یك توربین گازی با خروجی مرحله به مرحله تركیب كرد چهار سیلندر از لحاظ فیزیكی با اختلاف 90 درجه نسبت به هر پیستون به كمپرسور گاز متصل هستند. كمپرسور گاز باعث می شود كه گاز توربین همانند شكل منبسط شودمزیت اصلی این سیستم آن است كه قدرت بسیاربالاوهمچنین مهمتر آنكه قابلیت اعتماد بالا ونیز طول عمر بالای قطعات در اثر تحمل بارهای سنگین رادارد زیرا كه هیچ بار جانبی بر یاتاقانهاوارد نمی شود اما ماشین واقعی با دو كمپرسور كار می كند لذا در این حالت هشت جهش گازی در توربین برای هر سیكل از چهار سیلندر ماشین اتفاق می افتد.

موتور استرلینگ نوع بتا

بتا استرلینگ نتها یك پیستون توان (قدرت) دارد كه در همان سیلندر همانند شفت به عنوان جابجاكنندة پیستون قراردارد.پیستون جابجاكننده آزادانه می تواند حركت كند ولی هیچ توانی را از گاز منبسط خارج نمی كند بلكه به تنهایی در انتقال گاز عامل از مبـــدل حرارتی گرم به مبدل سرد كمك می كند.یكی دیگر از مهمترین موتورهای بتا ماشیـــــن لهمن است كه گوسا واسمیت اولین تركیب این موتور را(استرلینگ نوع بتا)درســـــال 1817انجام دادند.اخیراًیك مدل كوچك از ماشین لهمن را كه براساس موتور هوایی كار می كند ساخته است كه هردوی آنهابراساس ساختار موتورتك سیلندر بتا به صورت زیر نمایش داده شده است.

موتور استرلینگ تك سیلند ر 

این نوع از موتور های استر لینگ به موتور استر لینگ گروه بتامعروف هستندكه بخش عمده آن تنها با گرم وسرد كردن انتهای سیلندر انجام می گیرد.گاز عامل بوسیله دستگاهی كه به آن جابجاكننده (displacer) گفته می شود (كه در شكل با رنگ آبی نشان داده شده است ) از یك انتها به انتهای دیگر هدایت می گردد. جابجاكننده شبیه یك پیستون بزرگ است جز آنكه قطری كمتر از سیلندر دارد، بدینسان حركت آن حجم گاز موجوددر سیلندر را تغییر نمی دهد بلكه به تنهایی باعث انتقال گاز درون سیلندر می شود:

این

 چهار حالت سیكل استرلینگ( تك سیلندر) درزیر وجود دارد :

1۱۱)انبساط : در این نقطه بشتر گاز درون سیستم به قسمت داغ انتهای سیلندر هدایت می شود .لذا گاز داغ و منبسط شده وپیستون رابه بیرون می راند.

 Image and video hosting by TinyPic

  (2انتقال : در این نقطه گاز منبسط می شود .بیشتر گاز در قسمت انتهای سیلندر می ماند؛حركت چرخ طیار (فلایویل )باعث می شود كه میل آن به اندازه ربع دوربچرخد.مقداری از از طراف جابجاكننده به قسمت انتهای سرد سیلندر منتقل می شود .

  

  Image and video hosting by TinyPic

 (3انقباض: اكنون قسمت منبسط شده به اننهای سرد منتقل می شوددر این حالت گاز منقبض شده كه (بافلش)در شكل به طرف داخل پیستون نشان داده شده است .

  Image and video hosting by TinyPic

 (4انتقال : گاز منقبض شده در نزدیكی انتهای سرد سیلندر قرار می گیرد. حركت چرخ طیار   ( فلایویل) باعث می شود كه میل لنگ ربع چرخش دیگری بزند كه به نوبه خود باعث حركت جابجاكننده (displacer)  می شودومقداری ازآن گاز به انتهای سیلندر(انتهای گرم سیلندر ) منتقل می شود.

 

 Image and video hosting by TinyPic

  موتور گاما استرلینگ

موتور گامااسترلینگ ازموتور بتااسترلینگ ساده تراست زیراكه درآن پیستون قدرت برروی سیلندر مجزادرطول حركت پیستون جابجاكننده سوارشده است نسبت تراكم كمتری داردلذاازلحاظ مكانیكی ساده تر بوده ومعمولاًدرموتورهای استرلینگ كاربردمتفاوتی دارد.باید توجه داشت كه حجم مرده (لقی)اندكی بیشتر ازدونمونه دیگر(آلفاوبتا)است.

سیكل استرلینگ

سیكل استرلینگ دارای چهار فرآیند موثر ترمودینامیكی روی سیال عامل می باشد:

1)تراكم همدما2)حجم ثابت (به صورت گرماگیر)3)انبساط همدما4) حجم ثابت (به صورت گرمازا)

1-تحلیل ایده آل حالت د ما ثابت 

در ابتدا گاز منبسط شده و گرمكن در دمای در دمای ثابتی بالا تر از منبع حرارتی قرار داردو گاز در هنگام فشرده شدن حجم اش كم شده ودر دمای ثابتی زیر دمای سرد كننده قرار دارد این فرض همدما برای ساده سازی توصیف رفتار گاز عامل بالاخص فشار گاز عامل به عنوان تابعی از تغییرات حجم بكاربرده می شود

2- تحلیل ایده آل حالت آدیاباتیك(برگشت پذیر)

در ماشینهای واقعی فضای كار به عنوان آدیاباتیك در نظر گرفته می شود نه همدما زیرا كه انتقال حرارت خالص بیشتر از سیكل توسط یك مبدل حرارتی مهیا می شود.در شكل زیرجهت پیكان (فلش) در سطح میانی در جهت مثبت جریان،ترجیحاً تراكم وانبساط فضا را نشان می دهد.توجه شود كه از روی نمودار دمای حالت انبساط وتراكم (Tc , Te) ثابت نیست اما بسیار بالاتر از دمای سیكل در حالت انقباض و دمادر فضای كاری می باشدپس جریان آنتالپی از خلال لایه میانی (CK) انجام می گیردونیز باقسمتی كه دمای آن بسیار بالاست رابطه دارد (Tck)

 

 Image and video hosting by TinyPic

 امتیازات موتورهای استرلینگ

۱- حرارت ازبیرون تامین می شود واشتعال سوخت وهوابادقت بیشتری كنترل می شود.

2- موتورهای استرلینگ می توانند مستقیماًبا هر نوع منبع حرارتی (منابع خورشیدی ،زیست محیطی (بیولوژیكی) ویا هسته ای )كار كنند.

3-فرآیند تركیب همواره می تواند حرارت را مهیا كند بنابراین سوخت غیر مشتعل

می تواند به طور عمده كاهش یابد.

4- اغلب انواع موتور استرلینگ در قسمت خنك كننده دارای یاتاقان آب بندی شده هستند.لذا این عامل باعث می شود روانكاری كمترودر  مقایسه باموتور های رفت وبرگشتی (احتراق داخلی ) بهتر باشند.

5-به طور كلی این موتورها ازپیچیدگی كمتری نسبت به موتورهای رفت وبرگشتی برخوردارندیعنی نیاز به سوپاپ نداشته وسیستم سوخت رسانی بسیار ساده است.

6-درفشار نسبتاً پایینی كار می كنند لذا در مقایسه با انواع موتورهای بخار مطمئن تر هستندوبه علت كاركرد درفشار پایین نیروی وزن كمتری به سیلندر وارد می شود.

7- این موتور ها می توانند برای راه اندازی بسیار آرام وبدون هوادر زیر دریاییها ویا در فضا پیما ها ساخته شوند.(سروصدا ندارند)

8-آنها به آسانی در آب وهوای خنك باراندمان بالا برخلاف موتورهای احتراق داخلی هم ردة خودكار می كنند .

9-یك موتور استرلینگ كه آب را پمپاژ می كند می تواند از آب پمپاژ شده برای خنك كردن بخش خنك كن خود استفاده كند.

10-آنها بسیار انعطاف پذیر هستندلذا می توانند درزمستان به عنوان CHP (تركیب حرارت وقدرت ) ودر تابستان به عنوان یك خنك كننده مورد استفاده واقع شوند

معایب موتورهای استرلینگ:

1- طرحهای موتور استرلینگ نیازمند ورودی وخروجی هستندكه هركدام شامل فشار سیال عامل در دمای بالا ومقاومت دربرابر اثر خوردگی ناشی از منابع حرارتی واتمسفرمی باشد.

2- موتورهای استرلینگ كه در دماهای پایین وناهمسان كار می كنند لذا دراثرافزایش این دماهای ناهمسان  یا فشار باعث می شود كه موتور استرلینگ توان بیشتری را نیاز مند باشد.

3-بررسی اتلاف حرارتی بسیار پیچیده است زیرا دمای خنك ساز (سرد كن) پایین نگه داشته می شود تا بازدةحرارتی افزایش یابد

4- موتور استرلینگ به طور خودكار،كار نمی كنندلذا نیازمنددومرحله گرمایش است

5- موتور استرلینگ تنها به عنوان یك موتوربا سرعت ثابت به كار می رود.

6-قدرت خروجی در موتور استرلینگ همواره ثابت بوده وملحقات آن نیازمند طراحی بسیار پیچیده ودقیق تر وگاهی اوقات مكانیزمهای اضافی می باشد.

نوشته شده در تاریخ جمعه 6 آذر 1388    | توسط: مسعود عجمی & سامان تبریی    | طبقه بندی: مقالات علمی،     | نظرات()