تحلیل و عملکرد موتورهای چرخه استرلینگ
نویسنده: مبین بنی‌عم تاریخ انتشار: ۱۴۰۱/۰۱/۱۰ مدت زمان تقریبی مطالعه: ۲۰ دقیقه
۱- چکیده:
عملکرد موتور استرلینگ نیازهای استفاده بهینه از انرژی را بر آورده می‌کند، بنابراین به موضوع جالب توجه تبدیل شده است و تحقیق و توسعه موتور استرلینگ توسط موسسات علمی و شرکت های تجاری مورد توجه قرار گرفته است. موتور استرلینگ هم از نظر عملی و هم از نظر تئوری موضوعی قابل توجه است، مزیت عملی آن ساده، قابل اعتماد و ایمن بودن است. چرخه استرلینگ در سال ۱۸۱۶ توسط روبرت استرلینگ اختراع شده است. موتور در یک چرخه ترمودینامیکی بسته که برگشت پذیر است کار می کند. امروزه سیستم‌های مبتنی بر چرخه استرلینگ به عنوان پمپ حرارتی، تبرید برودتی و مایع سازی هوا مورد استفاده قرار می گیرند.
۲- مقدمه:
موتور استرلینگ در سال ۱۸۱۶ توسط روبرت استرلینگ، در اسکاتلند اختراع شد، که تقریبا ۸۰ سال قبل از اختراع موتور دیزل بود و تا سال ۱۹۰۰ از موفقیت تجاری قابل توجهی برخوردار گردید. چرخه استرلینگ یک دستگاهی است که در چرخه بسته ترمودینامیکی همراه با تراکم و انبساط چرخه ای سیال عامل در دماهای مختلف کار می کند. جریان با تغییرات حجم کنترل می شود به طوری که یک تبدیل خالص گرما به کار و بلعکس وجود دارد. موتور استرلینگ اغلب با نام های دیگر موتورهای هوای گرم یا گاز گرم یا با یکی از نام گذاری‌هایی که برای چیدمان موتور خاص در نظر گرفته شده است، شناخته می‌شود. در اوایل قرن ۱۹ به دلیل پیشرفت سریع موتورهای احتراق داخلی و ماشین‌های برقی، توسعه بیشتر موتورهای استرلینگ به شدت با مشکل مواجه شد. بازده حرارتی بالا، عملکرد با صدای کم و قابلیت استفاده از چند نوع سوخت توسط موتور های استرلینگ باعث می‌شود که استفاده بهینه از انرژی را داشته باشند. در سال ۱۹۸۰ که جهان با بحران سوخت مواجه بود، با پیشرفت سریع در تکنواوژی مواد، موتور های استرلینگ به طرحی که قابلیت پیشرفت داشت تبدیل شد که این دومین مرحله از تحول موتور های استرلینگ بود.
نیاز های آینده نیرو گاه ها و ویژگی های مهم موتور استرلینگ در جدول ۱ آمده است که اهمیت این نوع موتور را تاکید می‌کند.
جدول ۱- نیاز ها و روند پیش رو نیروگاه‌ها در آینده و ویژگی‌های موتور استرلینگ
| ویژگی های استرلینگ | نیاز ها و روند های پیش رو |
|
قابلیت استفاده از چندین نوع سوخت مصرف سوخت پایین |
کاهش سوخت های معمول و رایج |
| استفاده از سوخت های غیر فسیلی | افزایش هزینه سوخت فسیلی |
| قابلیت استفاده از چندین نوع سوخت | استفاده از سوخت های جایگزین |
|
احتراق با آلایندگی کمتر سر و صدای کمتر |
نیاز به آلایندگی و صدای کمتر نیروی محرکه |
| عملکرد در دمای کم | بازیابی حرارت هدر رفته |
۳- موتور چرخه استرلینگ از نظر ترمودینامیکی:
موتور و چرخه موتور روی نمودار های P-V و T-S شکل ۱ نشان داده شده است. چرخه شامل ۴ مرحله است که عبارت هستند از تراکم و انبساط هم دما، افزودن و دفع حرارت به صورت آیزنتروپیک که به ترتیب در شکل ۱ نمایش داده شده است. یک سیلندر را در نظر بگیرید که شامل ۲ پیستون در جهت مخالف هم و دارای یک بازیاب مطابق شکل ب-۱ بین آن دو است که به طور متناوب گرما را جذب و دفع می‌کند. بازیاب به صورت ماتریسی از فلز ریز تقسیم شده به شکل سیم یا نوار است. حجم بین بازیاب وپیستون سمت راست، حجم انبساط و حجم بین بازیاب و پیستون سمت چپ، حجم تراکم است. حجم انبساط به صورت دما بالا و حجم تراکم به صورت دما پایین نگه داشته می شود که باعث می شود گرادیان دمایی بین بیشترین دما و کمترین دما در بین دو انتهای بازیاب به وجود آید.
۴- چرخه موتور:
یک سیکل را فرض می کنیم که پیستون بین فضای تراکم در نقطه مرده بیرونی و فضای انبساط در نقطه مرده درونی نزدیک به بازیاب قرار دارد. تمام سیال عامل در فضای تراکم سرد قرار دارد. حجم تراکم در حالت بیشینه ودما و فشار آن در حالت کمینه قرار دارد که روی نمودار P-V و T-S با نقطه ۱ به نمایش در آمده است.
فرایند ۲-۱، فرایند تراکم هم دما
در حین فرایند تراکم از ۱ به ۲، پیستون تراکم به سمت بازیاب حرکت می کند در حالیکه پیستون انبساط ثابت باقی می ماند. سیال عامل در فضای تراکم، متراکم می شود و فشار از P1 به P2 افزایش پیدا می کند. دما به دلیل جریان گرما از فضای سرد به اطراف ثابت باقی می ماند. کاری که روی سیال عامل انجام می شود برابر با مقداری گرمای دفع شده از چرخه است. هیچ تغییری در انرژی درونی چرخه وجود ندارد، همچنین با کاهش آنتروپی مواجه هستیم. تراکم هم دمای سیال عامل شامل انتقال گرما از سیال عامل به بیرون در حداقل دما (Tmin) است.
( الف ) نمودار P-V و T-S برای موتور استرلینگ
( ب ) آرایش موتور و پیستون
شکل۱- چرخه استرلینگ
روابط ترمودینامیکی تحلیل فرایند تراکم:
فرایند ۳-۲، فرایند حجم ثابت
در فرایند ۳-۲، هر دو پیستون به صورت همزمان حرکت می‌کنند یا به عبارتی دیگر، پیستون تراکم به سمت بازیاب و پیستون انبساط از بازیاب دور می‌شود پس حجم بین پیستون ها ثابت باقی می‌ماند. سیال عامل موجود در حجم تراکم از طریق محیط متخلخل بازیاب به حجم انبساط انتقال داده می شود. دمای سیال عامل از حالت کمینه (Tmin) با انتقال گرما از بازیاب به سیال عامل به بیشینه مقدار (Tmax) می رسد. افزایش تدریجی در دمای سیال عامل هنگام عبور از بازیاب باعث افزایش فشار می‌شود. در این فرایند هیچ کاری انجام نمی‌گیرد و با افزایش آنتروپی و انرژی درونی سیال عامل همراه است.
انتقال گرما در حجم ثابت از ماتریکس بازیاب به سیال عامل:
که نسبت دمایی است که توسط Gustav schmidt ، تعریف شده است.
فرایند ۴-۳، فرایند انبساط هم دما
در فرایند انبساط ۴-۳، پیستون انبساط به دور شدن از بازیاب به سمت نقطه مرده بیرونی ادامه می دهد در حالی که پیستون تراکم در نقطه مرده درونی مجاور بازیاب ثابت باقی می‌ماند. با ادامه عمل انبساط و افزایش حجم، فشار کاهش می یابد. دما با افزودن گرما از منبع خارجی در دمای بیشینه ( Tmax) ثابت باقی می‌ماند. کار انجام گرفته توسط سیال عامل روی پیستون برابر با گرمای تولید شده است. هیچ تغییری در انرژی درونی سیستم رخ نمی دهد، ولی با افزایش آنتروپی همراه است.
فرایند۱-۴، فرایند حجم ثابت
در فرایند ۱-۴ هر دو پیستون ها به صورت هم زمان حرکت می کنند تا سیال عامل را از فضای انبساط توسط بازیاب به فضای تراکم در حجم ثابت انتقال دهد. هنگام عبور سیال عامل از بازیاب ، گرما از سیال عامل به ماتریکس بازیاب داده می شود و دمای سیال عامل به مقدار کمینه (Tmin ) می رسد. در این فرایند هیچ کاری انجام نمی شود و با کاهش انرژی درونی و آنتروپی همراه است.
دفع گرما در حجم ثابت از سیال عامل به ماتریکس بازیاب:
اگر 
، کل گرمای تولید شده با 
و کل گرمای دفع شده با 
برابر است. پس بازده را می توان به صورت زیر نوشت.
چرخه استرلینگ یک سیکل ترمودینامیکی بسیار ایده آل است که شامل ۲ فرایند هم دما و ۲ فرایند حجم ثابت است و چرخه از نظر ترمودینامیکی برگشت پذیر می‌باشد. فرض اول که کار و انتقال گرما هم دما است نیاز بر آن است که مبدل های حرارتی با بازده بالا کار کنند و نرخ انتقال گرما بین دیواره سیلندر و سیال عامل به بهترین شکل انجام بگیرد. فرض دوم نیاز بر آن دارد که انتقال گرما بین دیواره سیلندر و سیال عامل صفر باشد. هر دو فرض در عملکرد موتور واقعی ناممکن است.
۵- موتور چرخه استرلینگ واقعی:
چرخه موتور استرلینگ ایده آل مورد بررسی قرار گرفت، اما واقعیت های عملی مانند آدیاباتیک و یا هم دما بودن، مبدل های حرارتی، انتقال حرارت از دیواره سیلندر و عوامل کلی در نظر گرفته نشده است. تاثیر عوامل عملی مختلف که باعث می شود چرخه واقعی از ایده آل فاصله بگیرد، نیازمند آن است که به صورت جداگانه مورد بررسی قرار بگیرد تا اثر آنها به طور دقیق مشخص شود. در واقع دیواره‌های سیلندر به اندازه ی کافی انتقال حرارت به محیط انجام نمی دهند تا این اطمینان را بدهند که دمای گاز ثابت باقی می ماند. حتی استفاده از مبدل های حرارتی لوله ای، شرایط هم دما بودن در ورودی و خروجی بازیاب را به فراهم نمی کنند. تفاوت از شرایط هم دما بودن در سمت گرم موتور بیشتر از سمت سرد است. مطابق شکل۲، چرخه ایده آل ۴-۳-۲-۱ به دلیل اثرات انتقال گرما به چرخه ‘۴-‘۳-‘۲-‘۱ تبدیل شده است.
Kaushik و Kumar ، ارزیابی ترمودینامیکی چرخه های برگشت ناپذیر اریکسون و استرلینگ را انجام دادند. تجزیه و تحلیل برای تلفات گرماگیر با توان خروجی موتور بر اساس گاز ایده آل و بازیابی کامل انجام شده است. Shoureshi، سعی کرده است تا خنک کننده، گرم کن و بازیاب را بر اساس عدد ماخ، نسبت دمای عملکرد و درصد حجم مرده مبدل حرارتی بهینه سازی بکند.
شکل ۲- نمودارچرخه استرلینگ واقعی
۶- آرایش موتور:
اجزای موتور استرلینگ شامل ۲ حجم در دماهای مختلف است که از طریق مبدل حرارتی بازیاب ومبدل های حرارتی کمکی به یکدیگر متصل می شوند. به منظور برآورده کردن نیاز های ترمودینامیک، دینامیک گاز و انتقال حرارت موتور، این دو حجم باید به صورت دوره ای تغییر کنند. بنابراین نقش اصلی مکانیزم محرک باید تولید این تغییرات حجمی دقیق تا حد امکان باشد. این اجزا می توانند به صورت آرایش های مختلف به هم متصل شوند تا نیاز های ذکر شده را بر آورده کنند. فهرست جامعی از آرایش های موتور توسط Walker ارائه شده است. هنگام انتخاب آرایش موتور باید مکانیزم محرک در نظر گرفته شود زیرا همه مکانیزم ها با هر آرایش موتور سازگار نیست. پارامتر های اصلی موتور نیز مانند عدد بیل، ( سرعت موتور، فشار و جابه جایی ) مهم هستند. Garry Wood، پارامتر های زیر را فهرست کرد که نیاز است آنها را در آرایش موتور در نظر گرفت. Senft اشاره کرد که هندسه بهینه موتور بر اساس پارامتر های زیر خواهد بود:
- چیدمان سیلندر موتور
- مکانیزم موتور
- نوع گرم کن
- نوع پیستون و جابه جایی
- نوع و اندازه بازیاب
- نوع میل لنگ
سه نوع طبقه بندی برای موتور چرخه استرلینگ داریم که بر اساس حالت عملکرد، نحوه اتصال سیلندر و نحوه اتصال پیستون است که در ادامه به ۲ حالت نحوه عملکرد و نحوه اتصال سیلندر می پردازیم.
الف- حالت عملکرد
- تک اثره
- جفت اثره
- تک فاز
- چند فاز
- تشدید شده
- تشدید نشده
ب- شکل اتصال سیلندر
- اتصال آلفا
- اتصال بتا
- اتصال گاما
حالت عملکرد
موتور های استرلینگ را می‌توان به طور کلی در ۲ دسته تک اثره و جفت اثره تقسیم بندی کرد. واژه ی تک اثره و جفت اثره در تکنولوژی موتور استرلینگ برای حالت عملکرد موتور خاص استفاده می‌شود. در موتور های تک اثره سیال عامل فقط با یک طرف پیستون در تماس است. سیال عامل از یک سیلندر به سیلندر دیگر جا‌به‌جا می‌شود. اولین موتور تک اثره در سال ۱۸۱۵ توسط روبرت استرلینگ اختراع شد.
موتور جفت اثره توسط Babcock در سال ۱۸۸۵ ارائه شد. موتور جفت اثره از هر دو طرف پیستون برای انتقال سیال از یک فضا به فضای دیگر استفاده می‌کند. اعتقاد بر این بود که موتور جفت اثره که ذاتا دارای فضاهای کاری متعدد است برای آرایش موتور به دلیل نیاز به کانال هایی برای اتصال فضاهای کاری با بازیاب، پیچیده باشد. توسعه یافته ترین موتور جفت اثره که به تولید انبوه رسیده است نوع سری P’ است که توسط Bratt ، ساخته شده است.
شکل اتصال سیلندر
موتورهای آلفا دارای ۲ پیستون در سیلندر های جداگانه هستند که به صورت سری توسط گرم کن، بازیاب وخنک کننده مطابق شکل۳ به هم وصل شده اند. این نوع موتور از نظر مفهومی ساده ترین نوع موتور است. به هر حال موتور آلفا باید دارای آب بندی کامل باشد تا گاز عامل را در خود جای دهد. موتور آلفا می تواند با آرایش موتور چند سیلندر فشرده ترکیب شود که باعث می شود توان ویژه بالایی به دست آید که برای موتور اتوموبیل نیاز است. در نمونه چند سیلندر، تعدادی از سیلندر ها به هم وصل شده اند به این ترتیب که فضای انبساط یک سیلندر به فضای تراکم سیلندر مجاور توسط گرم کن، بازیاب و خنک کننده متصل شده است.
شکل ۳- آرایش آلفا
همان طور که در شکل۴ نمایش داده شده است، موتورهای بتا دارای یک محفظه اصلی بوده که هر دو پیستون قدرت و جابهجایی درآن قرار دارند. حجم تراکم در این حالت شامل فضایی است که توسط قسمت زیرین پیستون جابهجایی و قدرت جاروب می‌شود. پیستون قدرت و جابهجایی ممکن است باهم تماس فیزیکی داشته باشند یا نداشته باشند، ولی هر دو آن ها با اتصال جداگانه به میل‌لنگ متصل می‌شوند تا زاویه فاز مورد نظر را حفظ کنند.
شکل ۴- آرایش بتا
همان طور که در شکل۵ مشاهده می‌شود، موتورهای گاما از نظر آرایش مانند موتورهای بتا هستند با این تفاوت که پیستون قدرت و جابهجایی در سیلندرهای متفاوت قرار دارند. در این نوع موتور فضای تراکم بین دو سیلندر تقسیم شده است. این آرایش مزیت مکانیزم ساده میل‌لنگ را فراهم می‌کند.
شکل ۵- آرایش گاما
برای دانلود PDF این مطلب بر روی لینک کلیک نمایید.
منابع
- Robert Stirling, Patent no. 4081, Stirling air engine and the heat regenerator, 1816
- Petrescu S, Costea M, Harman C, Florea T. Application of the direct method to irreversible Stirling cycles with finite speed. International Journal of Energy Research. 2002;26(7):589-609
- Mancini T, Heller P, Butler B, Osborn B, Schiel W, Goldberg V, et al. Dish-Stirling systems: An overview of development and status. J Sol Energy Eng. 2003;125(2):135-51
- Schmidt G. Classical analysis of operation of Stirling engine. A report published in German engineering union (Original German). 1871;15:1-12
- Kaushik S, Kumar S. Finite time thermodynamic analysis of endoreversible Stirling heat engine with regenerative losses. Energy. 2000;25(10):989-1003
- Shoureshi R. General method for optimization of Stirling engines. IECEC’82. 1982:1688-93
- Walker M. Stirling cycle machines. Oxford: Clarendon Press; 1973 (p. 65–۸۳)
- Beale WT, Wood JG, Chagnot BF. Stirling engine for developing countries. American Institute of Aeronautics and Astronautics 1980;809399:1971–۵
- Wood JG, Chagnot B, Penswick L. Design of a low pressure air engine for third world use: Sunpower Incorporated; 1982
- Senft JR. Optimum Stirling engine geometry. International Journal of Energy Research. 2002;26(12):1087-101
- Bratt C. Design characteristics and test results of the United Stirling P 40 engine. Energy to the 21 st century. 1980:1964-6
واژه‌نامه
| ردیف | معادل فارسی | لاتین |
| ۱ | بازیاب | Regenerator |
| ۲ | حجم تراکم | Compression volume |
| ۳ | حجم انبساط | Expansion volume |
| ۴ | نقطه مرده بیرونی | Outer dead point |
| ۵ | نقطه مرده درونی | Inner dead point |
| ۶ | ماتریکس بازیاب | Regenerator matrix |
| ۷ | پیستون انبساط | Expansion piston |
| ۸ | پیستون تراکم | Compression piston |
| ۹ | تک اثره | Single acting |
| ۱۰ | جفت اثره | Double acting |
| ۱۱ | گرماگیر | Heat sink |
بازدیدها: 471
