hvac

موتور استرلینگ

یک «موتور استرلینگ» از خانواده موتورهای حرارتی است. این یک موتور هوای گرم (یا گاز دائمی دیگر) با چرخه بسته است. چرخه بسته به این معنی است که حجم ثابتی از “سیال کار” در سیستم وجود دارد. هیچ ورودی وجود ندارد، اگزوز وجود ندارد.

موتور استرلینگ برای اولین بار در سال 1816 توسط دکتر رابرت استرلینگ به ثبت رسید. حق ثبت اختراع اصلی بیشتر بر روی “Economizer” متمرکز بود که یک واحد تبادل حرارت بود که به عنوان اولین تجسم آبگرمکن خورشیدی مورد توجه اصلی قرار گرفت.

در اصل موتور استرلینگ توسط رابرت استرلینگ و برادرش جیمز ساخته شد. منجر به ثبت اختراعات بسیاری شد و اولین استرلینگ در استفاده تجاری برای پمپاژ آب در یک معدن در سال 1818 مورد استفاده قرار گرفت. پس از توسعه بیشتر، ثبت اختراعات بسیاری برای بهبودهای مختلف، از جمله فشار، که مستقیماً بر میزان کار یا نیرویی که موتور می‌توانست تولید کند، تحت تأثیر قرار گرفت. تقریباً در سال 1845. در این زمان، قدرت خروجی این موتور به حدی رسیده بود که می توانست تمام ماشین آلات یک ریخته گری آهن داندی را به حرکت درآورد.

این موتور به عنوان یک موتور بسیار صرفه جویی در سوخت معرفی شد و به عنوان جایگزین ایمن تری برای موتورهای بخار آن زمان که حوادث مرگبار زیادی شامل انفجار دیگ های بخار داشت، تحت فشار قرار گرفت. با این حال، به دلیل گرمای مورد نیاز و سطح مبادله مورد نیاز، همراه با مواد روز، موتور استرلینگ هرگز نمی‌توانست واقعاً رقابت جدی برای موتور بخار ایجاد کند، و در اواخر دهه 1930 استرلینگ در علم و صنعت رایج فراموش شد. و فقط در اسباب بازی های عجیب و غریب و فن های تهویه کوچک نشان داده شده است.

تقریباً در این زمان، فیلیپس، سازنده بزرگ برق و الکترونیک، قصد داشت بازار خود را برای دستگاه‌های رادیویی به مناطقی گسترش دهد که منبع تغذیه یا منبع باتری ناپایدار در نظر گرفته می‌شد. فیلیپس موتور استرلینگ را در طول جنگ جهانی دوم توسعه داد و در واقع فقط با کرایوکولر “موتور استرلینگ معکوس” به موفقیت تجاری دست یافت. با این حال فیلیپس تعداد زیادی پتنت به دست آورد و اطلاعات زیادی در مورد موتور استرلینگ به دست آورد.

از آنجایی که موتور استرلینگ یک چرخه بسته است، حاوی جرم ثابتی از گاز به نام «سیال کار» است که معمولاً هوا، هیدروژن یا هلیوم است. در حالت عادی موتور آب بندی می شود و هیچ گازی به موتور وارد یا خارج نمی شود. بر خلاف انواع دیگر موتورهای پیستونی، نیازی به شیر نیست. موتور استرلینگ، مانند اکثر موتورهای حرارتی، چهار فرآیند اصلی را طی می کند: خنک سازی، فشرده سازی، گرمایش و انبساط. این کار با حرکت دادن گاز به عقب و جلو بین مبدل های حرارتی سرد و گرم انجام می شود. مبدل حرارتی گرم با یک منبع حرارتی خارجی، به عنوان مثال یک مشعل سوخت، و مبدل حرارتی سرد در تماس حرارتی با یک هیت سینک خارجی، به عنوان مثال پره های هوا است. تغییر در دمای گاز باعث تغییر متناظر در فشار گاز می شود، در حالی که حرکت پیستون باعث می شود گاز به طور متناوب منبسط و فشرده شود.

مطلب پیشنهادی  سیستم های گرمایش از کف برقی

گاز از رفتاری پیروی می کند که توسط قوانین گاز توصیف شده است که چگونگی ارتباط فشار، دما و حجم گاز را توصیف می کند. هنگامی که گاز گرم می شود، زیرا در یک محفظه مهر و موم قرار دارد، فشار افزایش می یابد و سپس روی پیستون قدرت عمل می کند و یک ضربه قدرت ایجاد می کند. هنگامی که گاز خنک می شود فشار کاهش می یابد و این بدان معنی است که کار کمتری توسط پیستون برای فشرده سازی گاز در حرکت برگشت انجام می شود و در نتیجه توان خروجی خالص حاصل می شود.

هنگامی که یک طرف پیستون به اتمسفر باز است، عملکرد کمی متفاوت است. همانطور که حجم مهر و موم شده گاز کار با طرف داغ تماس پیدا می کند، منبسط می شود و کار را هم روی پیستون و هم روی جو انجام می دهد. هنگامی که گاز کار با طرف سرد تماس پیدا می کند، جو روی گاز کار می کند و آن را “فشرده” می کند. فشار اتمسفر، که بیشتر از گاز خنک کاری شده است، به پیستون فشار می آورد.

به طور خلاصه، موتور استرلینگ از اختلاف دما بین انتهای گرم و سرد خود برای ایجاد چرخه ای از توده ثابت گاز در حال انبساط و انقباض در موتور استفاده می کند، بنابراین انرژی حرارتی را به نیروی مکانیکی تبدیل می کند. هر چه اختلاف دما بین منابع گرم و سرد بیشتر باشد، بازده سیکل کارنو بیشتر است.

مزایا و معایب موتورهای استرلینگ

طرفداران

  • آنها می توانند مستقیماً بر روی هر منبع گرمایی موجود کار کنند، نه فقط منبع حرارتی که توسط احتراق تولید می شود، بنابراین می توان از آنها برای کار با گرمای ناشی از منابع خورشیدی، زمین گرمایی، بیولوژیکی، هسته ای یا گرمای اتلاف هر فرآیند صنعتی استفاده کرد.

  • برای تامین گرما می توان از فرآیند احتراق پیوسته استفاده کرد، بنابراین بیشتر انواع انتشار را می توان تا حد زیادی کاهش داد.

  • اکثر انواع موتورهای استرلینگ دارای بلبرینگ و مهر و موم در قسمت خنک موتور هستند. در نتیجه، آنها به روان کننده کمتری نیاز دارند و در بین تعمیرات اساسی نسبت به سایر انواع موتورهای رفت و برگشتی به طور قابل توجهی دوام بیشتری دارند.

  • مکانیزم موتور از جهاتی ساده تر از انواع دیگر انواع موتورهای رفت و برگشتی است، یعنی به هیچ سوپاپ نیازی نیست و سیستم مشعل سوخت می تواند نسبتاً ساده باشد.

  • یک موتور استرلینگ از یک سیال کار تک فاز استفاده می کند که فشار داخلی را نزدیک به فشار طراحی نگه می دارد و بنابراین برای سیستمی که به درستی طراحی شده باشد خطر انفجار نسبتاً کم است. در مقایسه، یک موتور بخار از یک سیال گاز/مایع دو فاز استفاده می‌کند، بنابراین یک شیر تخلیه معیوب می‌تواند باعث فشار بیش از حد و یک انفجار بالقوه خطرناک شود.

  • در برخی موارد، فشار کاری کم امکان استفاده از سیلندرهای سبک وزن را فراهم می کند.

  • آنها را می توان طوری ساخت که بسیار بی سر و صدا و بدون منبع هوا کار کنند، برای استفاده از پیشرانه مستقل از هوا در زیردریایی ها یا در فضا.

  • آنها به راحتی شروع می شوند (البته آهسته، پس از یک دوره گرم شدن) و در هوای سرد کارآمدتر کار می کنند، برخلاف احتراق داخلی که در هوای گرم به سرعت شروع می شود، اما نه در هوای سرد.

  • موتور استرلینگ که برای پمپاژ آب استفاده می شود را می توان طوری پیکربندی کرد که آب پمپ شده فضای فشرده سازی را خنک کند. البته این کار در هنگام پمپاژ آب سرد بسیار موثر است.

  • آنها فوق العاده انعطاف پذیر هستند. آنها را می توان به عنوان CHP (ترکیب حرارت و برق) در زمستان و به عنوان خنک کننده در تابستان استفاده کرد.

  • گرمای اتلاف نسبتاً آسان برداشت می شود (در مقایسه با گرمای هدر رفته از یک موتور احتراق داخلی) و باعث می شود موتورهای استرلینگ برای سیستم های گرما و قدرت دو خروجی مفید باشند.

مطلب پیشنهادی  انواع مختلف سیستم های HVAC برای ساختمان های تجاری

منفی

مشکلات قدرت و گشتاور

  • موتورهای استرلینگ، به ویژه آنهایی که با اختلاف دمای کوچک کار می کنند، نسبت به مقدار توانی که تولید می کنند (یعنی قدرت ویژه پایینی دارند) بسیار بزرگ هستند. این در درجه اول به دلیل ضریب انتقال حرارت پایین جابجایی گازی است که شار حرارتی قابل دستیابی در مبدل حرارتی داخلی را به حدود 4 تا 20 W/(m*K) محدود می‌کند. این امر، انتقال گرما به داخل و خارج از گاز کار را برای طراح موتور بسیار چالش برانگیز می کند. افزایش اختلاف دما و/یا فشار به موتورهای استرلینگ اجازه می‌دهد تا قدرت بیشتری تولید کنند، با این فرض که مبدل‌های حرارتی برای افزایش بار حرارتی طراحی شده‌اند و می‌توانند شار حرارتی همرفتی لازم را ارائه دهند.

  • موتور استرلینگ نمی تواند فوراً روشن شود. به معنای واقعی کلمه باید “گرم شود”. این در مورد همه موتورهای احتراق خارجی صدق می کند، اما زمان گرم کردن ممکن است برای استرلینگ ها کمتر از سایر موتورهای احتراق خارجی باشد. موتورهای استرلینگ بهتر است به عنوان موتورهای سرعت ثابت استفاده شوند.

  • توان خروجی یک استرلینگ ثابت است و تنظیم آن گاهی به طراحی دقیق و مکانیسم های اضافی نیاز دارد. به طور معمول، تغییرات در خروجی با تغییر جابجایی موتور (اغلب از طریق استفاده از آرایش میل لنگ سوششپلیت)، یا با تغییر مقدار سیال کار، یا با تغییر زاویه فاز پیستون/دیسپانسر، یا در برخی موارد به سادگی به دست می‌آیند. تغییر بار موتور این ویژگی در پیشرانه الکتریکی هیبریدی یا تولید ابزار “بار پایه” که در آن خروجی توان ثابت در واقع مطلوب است، کمتر اشکال دارد.

مسائل مربوط به انتخاب گاز

  • ویسکوزیته کم هیدروژن، هدایت حرارتی بالا و گرمای ویژه آن را به کارآمدترین گاز کاری از نظر ترمودینامیک و دینامیک سیالات برای استفاده در موتور استرلینگ تبدیل کرده است. با این حال، با توجه به سرعت انتشار بالای این گاز با وزن مولکولی کم، هیدروژن از طریق فلز جامد نشت می کند، بنابراین حفظ فشار در داخل موتور برای مدت زمان بدون جایگزینی گاز بسیار دشوار است. به طور معمول، سیستم های کمکی برای حفظ مقدار مناسب سیال کار باید اضافه شوند. این سیستم ها می توانند یک بطری ذخیره گاز یا یک ژنراتور گاز باشند. هیدروژن می تواند از طریق الکترولیز آب یا از واکنش اسید روی فلز تولید شود. هیدروژن همچنین می تواند باعث شکنندگی فلزات شود. هیدروژن نیز یک گاز بسیار قابل اشتعال است، در حالی که هلیوم بی اثر است.

  • بیشتر موتورهای استرلینگ از لحاظ فنی پیشرفته، مانند موتورهای توسعه یافته برای آزمایشگاه‌های دولتی ایالات متحده، از هلیوم به عنوان گاز فعال استفاده می‌کنند، زیرا عملکرد آن نزدیک به بازده و چگالی توان هیدروژن است و مسائل مربوط به مهار مواد کمتر است. هلیوم نسبتاً گران است و باید با گاز بطری تامین شود. یک آزمایش نشان داد که هیدروژن 5 درصد کاملاً (24 درصد نسبتا) کارآمدتر از هلیوم در موتور GPU-3 Stirling است.[14]

  • برخی از موتورها از هوا یا نیتروژن به عنوان مایع کار استفاده می کنند. این گازها از نظر ترمودینامیکی کارایی کمتری دارند اما مشکلات مهار و تامین گاز را به حداقل می‌رسانند. استفاده از هوای فشرده در تماس با مواد قابل اشتعال یا موادی مانند روغن روان کننده، خطر انفجار را به همراه دارد، زیرا هوای فشرده حاوی فشار جزئی بالایی از اکسیژن است. با این حال، اکسیژن را می توان از طریق یک واکنش اکسیداسیون از هوا حذف کرد یا می توان از نیتروژن بطری استفاده کرد.

مطلب پیشنهادی  تست بانک بار برای تأیید عملکرد ژنراتور

مسائل مربوط به اندازه و هزینه

  • طراحی‌های موتور استرلینگ به مبدل‌های حرارتی برای گرمای ورودی و خروجی حرارت نیاز دارند، و اینها باید حاوی فشار سیال کار باشند، جایی که فشار متناسب با توان خروجی موتور است. علاوه بر این، مبدل حرارتی سمت انبساط اغلب در دمای بسیار بالایی قرار دارد، بنابراین مواد باید در برابر اثرات خورنده منبع گرما مقاومت کنند و خزش (تغییر شکل) کمی داشته باشند. به طور معمول این نیازهای مواد به طور قابل ملاحظه ای هزینه موتور را افزایش می دهد. مواد و هزینه های مونتاژ برای یک مبدل حرارتی با دمای بالا معمولاً 40٪ از کل هزینه موتور را تشکیل می دهد. (هارگریوز)

  • تمام چرخه های ترمودینامیکی برای عملکرد کارآمد نیاز به اختلاف دمای زیاد دارند. با این حال، در یک موتور احتراق خارجی، دمای بخاری همیشه برابر یا بیشتر از دمای انبساط است. این بدان معنی است که الزامات متالورژیکی برای مواد بخاری بسیار سخت است. این شبیه به یک توربین گاز است، اما برخلاف موتور اتو یا موتور دیزل است، که در آن دمای انبساط می تواند بسیار بیشتر از حد متالورژیکی مواد موتور باشد، زیرا منبع گرمای ورودی از طریق موتور هدایت نمی شود. بنابراین مواد موتور نزدیکتر به دمای متوسط ​​گاز کار می کنند.

  • اتلاف گرمای اتلاف به ویژه پیچیده است زیرا دمای مایع خنک کننده تا حد امکان پایین نگه داشته می شود تا بازده حرارتی به حداکثر برسد. این باعث افزایش اندازه رادیاتورها می شود که می تواند بسته بندی را دشوار کند. همراه با هزینه مواد، این یکی از عوامل محدود کننده پذیرش موتورهای استرلینگ به عنوان موتورهای اصلی خودرو بوده است. با این حال، برای کاربردهای دیگر، چگالی توان بالا مورد نیاز نیست، مانند نیروی محرکه کشتی، و سیستم‌های ریز تولید ثابت با استفاده از حرارت و توان ترکیبی (CHP).[13]

    کاربردهای زیادی برای طرح استرلینگ وجود دارد. تحقیق و توسعه بیشتر به پیشبرد فناوری کمک خواهد کرد.



Source by Michael Motley

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.