موتور استرلینگ چیست و چه قطعاتی دارد؟

موتورها از زمان انقلاب صنعتی نیروهای مورد نیاز ما را تامین می‌کنند.

اول، موتورهای بخار کثیف با موتور زغال‌سنگ بودند، سپس موتورهای بنزینی تمیزتر و کارآمدتر و اخیراً موتورهای جت در هواپیماها به وجود آمدند.

یکی از موتورهایی که ممکن است اخیراً زیاد در مورد آن شنیده باشید، موتور استرلینگ است که کمی شبیه موتور بخار است؛ اما از بخار استفاده نمی‌کند، در عوض، همان هوا یا گاز را بارها و بارها گرم، خنک و بازیافت می‌کند تا نیروی مفیدی تولید کند که می‌تواند ماشین را به حرکت درآورد.

موتورهای استرلینگ که با نیروی خورشیدی و سایر فناوری‌های جدید ترکیب شده‌اند، شبیه فناوری‌های پیشرفته به نظر می‌رسند؛ اما در واقع از سال 1816 وجود داشته‌اند.

در این مقاله نگاهی دقیق‌تر به موتور استرلینگ و نحوه کار آن می‌اندازیم.

1# موتور استرلینگ چیست؟

موتور استرلینگ نوعی موتور حرارتی خارجی رفت و برگشتی است که از یک یا چند پیستون برای دستیابی به کار مفید از طریق مقداری گرمای ورودی از یک منبع خارجی استفاده می‌کند.

این نوع موتورها، به‌ شدت با موتورهای احتراق داخلی که در اکثر خودروها دیده می‌شوند، تفاوت دارند.

موتورهای استرلینگ بر خلاف موتورهای احتراق داخلی که دائماً گاز را جذب و تخلیه می‌کنند، بارها و بارها از گازی یکسان استفاده می‌کنند.

علاوه بر این موتورهای استرلینگ مانند موتورهای بنزینی معمولی از انفجار استفاده نمی‌کنند، بنابراین بسیار بی‌صدا هستند.

2# تاریخچه موتور استرلینگ

رابرت استرلینگ برای اولین موتور استرلینگ را پایه‌گذاری کرد و در سال 1816 حق امتیاز آن‌ را دریافت کرد.

اختراع او برای اولین بار به‌عنوان یک ابزار خنک کننده در سال 1834 توسط اخترشناس جان هرشل مورد استفاده قرار گرفت.

سپس جان گوری، یک مهاجر اسکاتلندی ساکن ایالات متحده، در سال 1876 به‌ عنوان اولین فردی که از موتور برای تولید یخ استفاده کرد، شناخته شد.

این سه مرد پدران بنیانگذار موتور استرلینگ هستند.

آن‌ها راهی را ترسیم کردند که ما را به تولید کم مصرف‌ترین فریزر در صنعت سوق داده است.

با گذشت زمان، پیشرفت‌ها در ماشین‌های چرخه استرلینگ کمتر شد و این ماشین‌ها تقریباً تا سال 1900 ناپدید شدند، تا اینکه در دهه 1940 توسط محققان فیلیپس در هلند دوباره کشف شدند.

در سال 1946، تحت هدایت JWL Köhler، فیلیپس از چرخه استرلینگ برای استفاده در دمای عمیق در تولید گازهای مایع استفاده کرد.

پیکربندی‌های مختلف موتور استرلینگ با پیستون آزاد در دهه 1960 اختراع شد و توسعه یافت.

این ماشین‌ها نیازی به اتصال مکانیکی ندارند؛ زیرا قطعات متحرک یا توسط فشار گاز داخلی یا موتور و دینام خطی هدایت می‌شوند.

پیشرفت‌های بعدی شامل یاتاقان‌های گازی بود که در آن پیستون و جابه‌جایی هر دو بر روی یاتاقان‌های هلیوم پشتیبانی می‌شوند، بنابراین نیاز به هرگونه روغن‌کاری را از بین می‌برند.

در ادامه و در سال‌های متوالی این نوع موتورها با تلاش دانشمندان به پیشرفت‌های قابل ملاحظه‌ای در ساختار و عملکرد دست یافتند.

3# قطعات کلیدی موتور استرلینگ

طرح‌های متفاوتی از موتورهای استرلینگ وجود دارد و ما یک نوع خاص را که به‌عنوان موتور استرلینگ (همچنین موتور استرلینگ بتا) جابه‌جایی شناخته می‌شود  در نظر خواهیم گرفت.

این‌ها بخش‌های کلیدی هستند:

1-3# منبع حرارت

منبع گرما جایی است که موتور تمام انرژی خود را از آنجا می‌گیرد و می‌تواند هر چیزی باشد؛ از آتش زغال‌سنگ گرفته تا آینه خورشیدی که گرمای خورشید را متمرکز می‌کند.

اگرچه موتورهای استرلینگ به‌ عنوان موتورهای احتراق خارجی توصیف می‌شوند؛ اما موتورهای استرلینگ به‌ هیچ‌وجه نیازی به استفاده از احتراق ندارند.

آن‌ها صرفاً به تفاوت دما بین منبع گرما (جایی که انرژی از آن می‌آید) و سینک حرارتی (جایی که در آن وجود دارد) نیاز دارند.

انرژی‌ای که موتور خارج می‌کند از تفاوت دما بین منبع حرارت و سینک حرارتی ناشی می‌شود.

شایان‌ ذکر است که با یک موتور استرلینگ کوچک فقط به این دلیل که انرژی نسبتاً کمی دارد و خیلی سریع مصرف می‌شود، کار زیادی می‌توان انجام داد.

2-3# گاز

یک حجم گاز به طور دائم در داخل دستگاه در یک سیلندر بسته وجود دارد.

این می‌تواند هوای معمولی، هیدروژن، هلیوم یا هر ماده دیگری باشد که به‌ راحتی در دسترس است که در طول چرخه کامل موتور (سری عملیات مکرر که طی می‌کند) به‌ صورت گاز باقی می‌ماند.

تنها هدف آن انتقال انرژی گرمایی از منبع گرما به سینک حرارتی، تأمین انرژی پیستونی که دستگاه را به حرکت در می‌آورد و سپس بازگشت دوباره برای برداشتن مقداری دیگر است.

گازی که گرما را حرکت می‌دهد گاهی اوقات سیال کار نامیده می‌شود.

3-3# سینک حرارتی

مکانی که گاز داغ قبل از بازگشت به منبع گرما خنک می‌شود.

این بخش معمولاً نوعی رادیاتور (یک قطعه فلز با باله‌های متصل) است که گرمای اتلاف را به اتمسفر دفع می‌کند.

4-3# پیستون‌ها

انواع مختلفی از موتور استرلینگ وجود دارد؛ اما همه آن‌ها دارای دو پیستون هستند.

این یکی از واضح‌ترین چیزهایی است که آن‌ها را از سایر موتورها متمایز می‌کند.

در یک طرح رایج به نام موتور دو پیستونی (آلفا) استرلینگ، دو پیستون و سیلندر یکسان وجود دارد و شاتل‌های گاز بین آن‌ها به جلو و عقب حرکت می‌کنند، قبل از تکرار چرخه، گرم و منبسط می‌شوند، سپس خنک و فشرده می‌گردند.

در طراحی متفاوتی به نام موتور استرلینگ با جابه‌جایی (بتا)، یک پیستون کاملاً داخلی به نام جابه‌جایی وجود دارد که وظیفه آن انتقال گاز بین منبع گرما و سینک حرارتی است.

بر خلاف پیستون معمولی در موتور بخار، جابه‌جایی بسیار سست قرار می‌گیرد (با فضای کمی بین لبه پیستون و دیواره سیلندر) و هنگام حرکت به جلو و عقب، گاز در اطراف بیرون آن جریان دارد.

همچنین یک پیستون کار دیگر وجود دارد که محکم در سیلندر قرار می‌گیرد و انبساط گاز را به کار مفیدی تبدیل می‌کند که هر چیزی را که موتور به آن نیرو می‌دهد، به حرکت در می‌آورد.

در موتورهای استرلینگ بزرگ‌تر، پیستون کار معمولاً دارای یک فلایویل سنگین است که برای ایجاد تکانه و حفظ عملکرد نرم و روان دستگاه متصل است.

پیستون کار و پیستون جابه‌جایی هر دو به طور مداوم در حال حرکت هستند؛ اما آن‌ها از مرحله (یک‌چهارم سیکل یا 90 درجه خارج از فاز) با یکدیگر خارج هستند.

آن‌ها توسط یک چرخ تغذیه می‌شوند؛ اما پیستون جابه‌جایی همیشه یک‌چهارم سیکل (90 درجه) جلوتر از پیستون کار است.

5-3# مبدل حرارتی

مبدل حرارتی که به‌ عنوان احیاگر نیز شناخته می‌شود، در محفظه بسته بین منبع گرما و سینک حرارتی قرار می‌گیرد.

همانطور که گاز داغ از کنار احیاکننده عبور می‌کند، مقداری از گرمای خود را که احیاکننده در خود نگه می‌دارد، از دست می‌دهد.

وقتی گاز به عقب حرکت می‌کند، دوباره این گرما را می‌گیرد.

بدون احیاگر، این گرما در جو از بین می‌رود و هدر می‌رود.

مبدل حرارتی راندمان و قدرت موتور را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد.

برخی از موتورهای استرلینگ چندین مبدل حرارتی دارند.

4# انواع موتورهای استرلینگ

انواع مختلفی از موتور استرلینگ وجود دارند که بعضی از آن‌ها به‌ صورت زیر هستند:

1-4# آلفا

در این پیکربندی، سیلندرها از یکدیگر جدا می‌شوند و توسط یک لوله با یک احیاکننده به هم متصل می‌شوند.

سیلندرها را می‌توان در فاصله 90 درجه از هم جدا کرد.

یک نوع موتور آلفا به نام Ross Yoke وجود دارد که یکی از کارآمدترین آن‌ها است؛ زیرا این مکانیسم نیروهای جانبی روی پیستون را حذف می‌کند و اصطکاک را بسیار کاهش می‌دهد.

2-4# بتا

در این پیکربندی فقط یک محفظه و دو پیستون وجود دارد.

پیستون جابه‌جایی بین حجم‌های سرد و گرم است، در حالی‌ که پیستون کار به مهار سیال کمک می‌کند و موتور را حرکت می‌دهد.

موتور بتا می‌تواند یک درایو لوزی برای بهبود کارایی و تعادل داشته باشد.

3-4# گاما

در این پیکربندی سیلندرها از هم جدا می‌شوند و جابه‌جایی گاز بین دو طرف سرد و گرم محفظه قرار دارد.

5# موتور استرلینگ چگونه کار می‌کند؟

یک موتور استرلینگ از نوع جابه‌جایی ساده شده را در نظر بگیرید.

آنچه اتفاق می‌افتد این است که گاز داخل به طور متناوب منبسط و منقبض می‌شود و در این بین از سمت داغ سیلندر به سمت سرد می‌رود و دوباره برمی‌گردد.

وظیفه پیستون کار این است که از انرژی حاصل از انبساط گاز برای به حرکت درآوردن ماشینی که موتور در حال کار است استفاده کند، سپس گاز را فشرده کند تا چرخه تکرار شود.

وظیفه پیستون جابه‌جایی این است که گاز را از سمت داغ سیلندر به سمت سرد و عقب انتقال دهد.

این دو پیستون با کار تیمی تضمین می‌کنند که انرژی گرمایی مکرراً از منبع به سینک منتقل می‌شود و به کار مکانیکی مفید تبدیل می‌شود.

اگرچه موتور چرخه‌ای را طی می‌کند و همان جایی که شروع شده به پایان می‌رسد، این یک فرایند متقارن نیست و انرژی دائماً از منبع خارج می‌شود و در سینک رسوب می‌کند؛ زیرا گاز داغ هنگام انبساط، مقدار مشخصی کار روی پیستون کار انجام می‌دهد؛ اما پیستون کار کمتری برای فشرده‌سازی گاز خشک‌شده و برگرداندن آن به شروع کار انجام می‌دهد.

حالا ممکن است فکر کنید: “این‌همه بسیار پیچیده است! چرا باید با دو پیستون به هم بریزید، در حالی‌ که یک موتور بخار ساده می‌تواند تنها با یک پیستون کار کند؟ چرا این‌همه مراحل جداگانه؟ چرا کل کار را ساده‌تر نکنید؟”

برای پاسخ صحیح به این سؤالات، باید تئوری موتورها را درک کنید: اینکه یک موتور کارآمد، گاز را در چرخه‌ای از فرایندها مطابق با قوانین گاز (قوانین اساسی فیزیک کلاسیک که چگونگی فشار، حجم و دمای گاز را توصیف می‌کند) حرکت می‌دهد.

شناخته‌شده‌ترین و ایده‌آل‌ترین چرخه، چرخه کارنو نامیده می‌شود و شامل تکرار یک‌چرخه انبساط هم‌دما (دمای ثابت) و آدیاباتیک (حفظ حرارت) و به دنبال آن فشرده‌سازی هم‌دما و آدیاباتیک است.

6# چرخه کار موتور استرلینگ

مانند یک موتور بخار یا یک موتور ماشین احتراق داخلی، موتور استرلینگ انرژی گرمایی را با تکرار یک سری عملیات اساسی که به‌عنوان چرخه آن شناخته می‌شود، به انرژی مکانیکی (کار) تبدیل می‌کند.

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

1. فشرده‌سازی هم‌دما (دمای ثابت): مرحله (1) که در آن حجم گاز کاهش می‌یابد و فشار افزایش می‌یابد؛ زیرا گرما را به سینک می‌دهد.
2. گرمایش ایزوولومتری (حجم ثابت): مرحله (2) که در آن حجم گاز با عبور از احیاکننده و بازیابی مقداری از گرمای قبلی خود ثابت می‌ماند.
3. انبساط هم‌دما (دمای ثابت): مرحله (3) که در آن گاز انرژی را از منبع جذب می‌کند، حجم آن افزایش می‌یابد و فشار آن کاهش می‌یابد، درحالی‌که دما ثابت می‌ماند.
4. خنک‌سازی ایزوولومتری (حجم ثابت): مرحله (4) در بالا که در آن حجم گاز در حین انتقال از طریق احیاکننده و سرد شدن، ثابت می‌ماند.

یک موتور استرلینگ واقعی از طریق یک نسخه پیچیده‌تر و کمتر ایده‌آل از این چرخه کار می‌کند.

توجه به این نکته کافی است که چهار مرحله کاملاً از هم جدا نیستند و با یکدیگر ترکیب می‌شوند.

7# کاربرد موتور استرلینگ

موتور استرلینگ در ماشین‌هایی که نیاز به تولید مداوم نیرو با استفاده از تفاوت بین یک چیز گرم و یک چیز سرد دارند، بهترین عملکرد را دارد.

آن‌ها برای نیروگاه‌های خورشیدی، جایی که گرمای خورشید بر روی آینه‌ای که به‌عنوان منبع گرما عمل می‌کند، ایده‌آل هستند.

همچنین در نیروگاه‌های ترکیبی حرارت و برق (CHP) با راندمان بالا که نیاز به تولید منابع ثابت برق دارند، کاربرد دارند.

اخیراً، دین کامن، پیشگام Segway، با استفاده از موتورهای استرلینگ به‌عنوان پایه‌ای برای یک ژنراتور برق خانگی جمع‌وجور، به نام Beacon 10 که تقریباً به‌اندازه یک ماشین لباسشویی خانگی است، به موتورهای استرلینگ کمک کرده است.

در یک موتور معمولی استرلینگ، شما گرما را در انتهای داغ دستگاه (منبع حرارت) وارد می‌کنید و کار مکانیکی و گرمای کمتری را از انتهای سردتر دیگر (هیت‌سینک) خارج می‌کنید.

همانطور که از موتورهای الکتریکی می‌توان به‌صورت معکوس به‌عنوان ژنراتور استفاده کرد، بنابراین می‌توانید انرژی را در موتور استرلینگ قرار دهید و آن را به عقب برگردانید و به طور مؤثر گرما را از هیت‌سینک خارج کنید و آن را از منبع خارج کنید.

این فرایند یک موتور استرلینگ را به “کرایوکولر” یک دستگاه خنک‌کننده بسیار کارآمد تبدیل می‌کند.

خنک‌کننده‌های موتور استرلینگ در تحقیقات ابررسانایی و الکترونیکی استفاده می‌شوند.

8# مزایای موتور استرلینگ

بزرگ‌ترین مزیت موتور استرلینگ این است که بسیار کارآمدتر از موتورهای بخار است. (بیشتر به دلیل چرخه بسته و مبدل حرارتی احیاکننده)

آن‌ها دیگ‌هایی ندارند که منفجر شوند، به منابع آب نیاز ندارند و سیستم پیچیده باز و بسته کردن دریچه‌ها را که موتورهای بخار به آن نیاز دارند، ندارند.

این یکی از دلایلی است که چرا آن‌ها بسیار کم‌صداتر از موتورهای بخار هستند و به دلیل اینکه لزوماً شامل سوختن سوخت نیستند، می‌توانند بسیار تمیزتر باشند.

برخلاف موتورهای بخار که معمولاً زغال سنگ را برای جوشاندن آب می‌سوزانند، موتورهای استرلینگ می‌توانند از انواع سوخت‌های مختلف کار کنند.

9# معایب موتور استرلینگ

چند ویژگی کلیدی وجود دارد که موتور استرلینگ را برای استفاده در بسیاری از برنامه‌ها، ازجمله در بیشتر خودروها و کامیون‌ها، غیرعملی می‌سازد.

از آنجایی‌ که منبع گرما خارجی است، مدتی طول می‌کشد تا موتور به تغییرات مقدار گرمای اعمال شده به سیلندر پاسخ دهد و زمان لازم است تا گرما از طریق دیواره سیلندر و به گاز داخل سیلندر هدایت شود.

این بدان معنی است که:

• موتور قبل از این‌که بتواند قدرت مفیدی تولید کند به زمانی برای گرم شدن نیاز دارد.
• موتور نمی‌تواند قدرت خروجی خود را به‌سرعت تغییر دهد.

همچنین موتور استرلینگ به رادیاتورهای بزرگی نیاز دارد که بتواند گرمای اتلاف را دفع کند که آن را برای برخی کاربردها نامناسب می‌کند.

این کاستی‌ها به جز این تضمین می‌کنند که جایگزین موتور احتراق داخلی در خودروها نخواهد شد.

اگرچه مهندسان سعی کرده‌اند خودروها را با موتورهای استرلینگ تأمین کنند؛ اما این آزمایش‌ها چندان موفقیت‌آمیز نبودند.

سرعت یک موتور استرلینگ به زمان نیاز دارد و نمی‌تواند به‌خوبی از پس توقف و استارت برآید که باعث می‌شود در مقایسه با یک موتور احتراق داخلی معمولی برای نیرو دادن به خودرو مناسب نباشد.

بعید است شاهد پیشرفت بیشتری در این زمینه باشیم.

خودروهای آینده به‌احتمال زیاد از موتورهای الکتریکی یا سلول‌های سوختی استفاده می‌کنند.

با این‌ حال، یک خودروی هیبریدی با موتور استرلینگ ممکن است امکان‌پذیر باشد.

نتیجه‌گیری

موتور استرلینگ موتور احتراق خارجی است که از هوا یا گازهای دیگر به‌عنوان سیال کار استفاده می‌کند.

اگرچه موتور استرلینگ یک ماشین قدیمی است؛ اما مواد مدرن و روش‌های طراحی آن را بسیار جذاب‌تر کرده است.

موتور استرلینگ با میل‌لنگ قطعاً برای هر کسی که سوخت جامد دارد، مفید است.

آن‌ها می‌توانند هر سوخت جامد یا مایع را به‌عنوان منبع گرمایی خود برای تولید برق، پمپاژ آب یا انجام کارهایی که نیاز به نیروی مکانیکی مانند پردازش مواد غذایی دارند، بسوزانند.

این آن‌ها را به‌ویژه در شرایطی که سوخت‌های معمولی گران هستند و به‌سختی به دست می‌آیند، بسیار جذاب می‌کند.

از آنجایی‌ که ساخت برخی از انواع موتورهای استرلینگ بسیار ساده و در عین‌ حال بسیار مؤثر است، گزینه‌های عالی برای تولید برق در کشورهای درحال‌توسعه هستند.

از آنجایی‌ که موتور استرلینگ به تازگی مجدداً معرفی شده است، پیش‌بینی هزینه‌های خرید نسبی انواع مختلف ماشین‌های استرلینگ دشوار است.

این احتمال وجود دارد که موتور استرلینگ بیشتر از موتور احتراق داخلی جرقه‌ای و تقریباً مشابه یک موتور دیزلی کم‌سرعت با همان کیفیت باشد؛ اما موتور استرلینگ به دلیل سادگی زیاد، احتمالاً هزینه تعمیر و نگهداری کمتری نسبت به هر یک از این‌ها دارد.