ما هو محرك "ستيرلنغ"؟ كيف يعمل محرك "ستيرلنغ"؟ كيف تم اكتشاف محرك "ستيرلنغ"؟ في أي مجالات يتم استخدامه؟ كيف يتم تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة الحركة؟ التفاصيل حول محركات "ستيرلنغ" موجودة في مقالتنا.
ما هو محرك ستيرلينغ؟
محرك "ستيرلنغ" عبارة عن آلة تحول الطاقة المتولدة من التسخين الخارجي لغرفة مغلقة إلى طاقة ميكانيكية. يُعرف أيضًا باسم محرك الهواء الساخن. عندما يتمدد الهواء الساخن ويضغط ، يبدأ المحرك في التحرك. اخترعها القس الاسكتلندي الموقر روبرت ستيرلنغ عام 1816. تم تطوير المحرك من قبل شقيقه ، جيمس ستيرلنغ. في زمن المخترعين ، تم استخدام الآلات التي تعمل بالبخار وكانت خطيرة للغاية. شرعوا في إيجاد بديل أكثر موثوقية. ما أرادوه هو تحويل الطاقة الحرارية مباشرة إلى طاقة الحركة.
ماذا يوجد في محرك ستيرلينغ؟
- مكبس الطاقة (النازع): إنه يعمل على تحريك الغاز في الغرفة المغلقة. يستخدم بشكل عام في محركات النوع بيتا ونوع ألفا.
- مكبس: يساعد على تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية عن طريق تحريك الأسطوانات في المحرك.
- دولاب الموازنة: إنه الهيكل الذي ترتبط به المكابس. تتمثل مهمة هذا الهيكل في نقل الطاقة الميكانيكية المتولدة إلى الأجزاء المتحركة.
- المبرد: يساعد على تبريد الغاز في الغرفة المغلقة. يساعد على استخدام المحرك لفترات أطول.
- سخان: إنه أهم جزء في المحرك. يتم استخدامه لتسخين الغاز في الغرفة المغلقة لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة الحركة.
بالإضافة إلى ذلك ، في بعض أنواع المحركات ، يمكن استخدامه في مكونات مختلفة غير هذه. هذا بالكامل وفقًا لتقدير المطورين.
مبدأ العمل لمحرك ستيرلينغ
يعمل محرك "ستيرلنغ" عن طريق التسخين والتبريد المتكرر لكمية معزولة من الغاز العامل (عادة الهواء أو الغازات مثل الهيليوم والهيدروجين).
يُظهر الغاز السلوك الذي تحدده قوانين الغاز (بالنسبة إلى الضغط ودرجة الحرارة والحجم). عندما يسخن الغاز ، لأنه في مكان معزول ، يرتفع ضغطه ويؤثر على مكبس الطاقة ، مما ينتج عنه ضربة كهربائية. عندما يبرد الغاز ، ينخفض الضغط ونتيجة لذلك يستخدم المكبس بعض الشغل المبذول في شوط العودة لإعادة ضغط الغاز. صافي العمل الناتج يخلق قوة على المغزل. يتدفق غاز العمل بشكل دوري بين المبادلات الحرارية الساخنة والباردة. يتم غلق غاز العمل داخل اسطوانات المكبس. لذلك لا يوجد غاز عادم هنا. على عكس الأنواع الأخرى من المحركات المكبسية ، ليست هناك حاجة للصمامات.
تستخدم بعض محركات "ستيرلنغ" مكبسًا فاصلًا لتحريك الغاز العامل ذهابًا وإيابًا بين الخزانات الباردة والساخنة. يتحرك غاز العمل عن طريق الحفاظ على الأسطوانات في درجات حرارة مختلفة ، وذلك بفضل الترابط بين مكابس الطاقة للأسطوانات المتعددة.
في محركات "ستيرلنغ" الحقيقية ، يتم وضع مُجدد بين الخزانات. يتم نقل هذه الحرارة من المجدد حيث تحدث دورة الغاز بين الجانبين الساخن والبارد. في بعض التصميمات ، يكون المكبس الفاصل هو المجدد نفسه. يساهم هذا المُجدِّد في كفاءة دورة "ستيرلنغ". الهيكل المشار إليه هنا باسم المُجدد هو في الواقع هيكل صلب لن يمنع بعض الهواء من المرور عبره. على سبيل المثال ، يمكن استخدام الكرات الفولاذية لهذه الوظيفة. عندما يتحرك الهواء بين غرفة باردة وغرفة دافئة ، فإنه يمر عبر هذا المُجدِّد. قبل أن يصل الهواء الساخن إلى الجزء البارد ، يترك بعض الطاقة الحرارية على هذه الكرات. عندما يمر الهواء البارد إلى الجانب الساخن ، يسخن قليلاً مع إطلاق الطاقة الحرارية من قبل. بمعنى آخر ، يزيد من كفاءة المحرك عن طريق التسخين المسبق للهواء قبل دخول الجزء الساخن والتبريد المسبق قبل دخول الجزء البارد.
تتمتع دورة محرك ستيرلينغ المثالية بنفس الكفاءة النظرية مثل محرك كارنو الحراري لنفس درجات حرارة المدخل والمخرج. كفاءتها الديناميكية الحرارية أعلى من المحركات البخارية. (أو بعض محركات الاحتراق الداخلي والديزل البسيطة)
يمكن لأي مصدر حرارة تشغيل محرك "ستيرلنغ". محرك الاحتراق الخارجي ، غالبًا ما يساء فهم الاحتراق في التعبير. يمكن توليد مصدر الحرارة عن طريق الاحتراق ، ولكن يمكن أن يكون أيضًا طاقة شمسية أو طاقة حرارية أرضية أو طاقة نووية. وبالمثل ، يمكن أن يكون مصدر التبريد المستخدم في إحداث فرق في درجة الحرارة عبارة عن مواد مختلفة أقل من درجة الحرارة المحيطة. يمكن تحقيق التبريد باستخدام الماء البارد أو المبرد. ومع ذلك ، نظرًا لأن فرق درجة الحرارة الذي سيتم الحصول عليه من المصدر البارد سيكون منخفضًا ، فسوف يتطلب الأمر العمل بكتل أكبر ، وسيؤدي فقد الطاقة الذي سيحدث في الضخ إلى تقليل كفاءة الدورة. لا تتلامس منتجات الاحتراق مع الأجزاء الداخلية للمحرك. عمر زيت التشحيم في محرك "ستيرلنغ" أطول منه في محركات الاحتراق الداخلي.
أنواع محركات ستيرلينغ
هناك 3 أنواع رئيسية من محركات ستيرلينغ. أنواع المحركات الأخرى هي إصدارات محسنة من 3 محركات.
- محرك ستيرلينغ من نوع ألفا:
وتتكون من مكبسين ، وحدافة ، وغرفة غاز مغلقة بها مكابس ، ومبادلات حرارية ، ومولد حراري ، وحدافة. يهدف إلى تنشيط الغاز الموجود فيه عن طريق تسخين منطقة المكبس الموضوعة في الأعلى بمصدر حرارة. يبدأ الغاز المسخن في دفع المكبس للخلف وللأمام ، ويبدأ المكبس المتصل الآخر في التحرك ، بحيث يتم إزاحة الغاز الساخن والبارد في الحجرة. يتم نقل الطاقة المتولدة بمساعدة دولاب الموازنة الذي يتصل به هذان المكابسان.
- محرك ستيرلينغ من نوع بيتا:
يوجد 2 مكابس على نفس العمود. هذان المكابسان متصلان ببعضهما البعض. عن طريق تسخين الغرفة بالمكبس في الأسفل ، يتم تسخين الغاز الموجود في الغرفة المغلقة وتنشيطه. بهذه الطريقة ، يبدأ المكبس بحركته لأعلى. يساعد المكبس الآخر المتصل أيضًا الغاز البارد على التحرك في الغرفة. تقوم دولاب الموازنة ، التي تتصل بها المكابس ، بنقل الطاقة المتولدة.
- محرك ستيرلينغ من نوع جاما:
هناك نوعان من المكابس منفصلة. يتم تسخين الحجرة ذات المكبس الأكبر ويتم تنشيط الغاز الموجود بها. بهذه الطريقة ، تبدأ المكابس المتصلة ببعضها البعض مع دولاب الموازنة في التحرك.
مزايا محركات ستيرلينغ
- نظرًا لتطبيق الحرارة خارجيًا ، يمكننا التحكم بدقة في خليط الوقود والهواء.
- نظرًا لاستخدام مصدر حرارة مستمر لتوفير الحرارة ، فإن كمية الوقود غير المحترق صغيرة جدًا.
- يتطلب هذا النوع من المحركات صيانة وتزييتًا أقل من أنواع المحركات عند مستوى طاقتها.
- إنها بسيطة للغاية في الهيكل مقارنة بمحركات الاحتراق الداخلي.
- يمكنهم العمل حتى عند الضغط المنخفض ، فهم أكثر أمانًا من آلات مصدر البخار.
- يسمح الضغط المنخفض باستخدام أسطوانات أخف وزنا وأكثر متانة.
عيوب محركات ستيرلينغ
- التكلفة عالية من حيث الاقتصاد في استهلاك الوقود ، حيث أن الحرارة اللازمة مطلوبة في البداية الأولى للمحرك.
- من الصعب جدًا نقل سلطته إلى مستوى مختلف.
- بعض محركات ستيرلينغ لا يمكن أن تبدأ بسرعة. إنهم بحاجة إلى الدفء الكافي.
- بشكل عام ، يتم استخدام غاز الهيدروجين في غرفة مغلقة. ومع ذلك ، عندما تكون جزيئات هذا الغاز صغيرة جدًا ، يصعب الاحتفاظ بها في الحجرة. لذلك ، فإننا نواجه تكاليف إضافية.
- يجب أن يمتص الجزء الأكثر برودة حرارة كافية. إذا كان هناك الكثير من فقدان الحرارة ، ستنخفض كفاءة المحرك.
مجالات تطبيقات محركات ستيرلينغ
تستخدم محركات ستيرلينغ في محركات الطيران منخفضة الطاقة والمحركات البحرية والمضخات الحرارية وأنظمة الحرارة والطاقة المشتركة. اليوم ، يتم استخدامه في الغالب لتوليد الكهرباء في مجالات الألواح الشمسية.
كن أول من يعلق