موتور استرلینگ Stirling engine

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesami رهام حسامی

محل اقامت: فعلا تهران قیطریه بلوار کتابی 8 متری صبا City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1848

سپاس: 3349

جنسیت:

تماس:

موتور استرلینگ Stirling engine

پست توسط rohamjpl »

Stirling engine

موتورهای احتراق خارجی (EC)موتور استرلینگ یک موتور رفت و برگشتی است که با گرم و سرد کردن سیال عامل محبوس شده درون سیلندر، انرژی حرارتی سوخت را به توان مکانیکی تبدیل می‌کند. از آنجا که موتور رفت و برگشتی است، از موتور پیستونی به جای روتور دوار مانند موتور وانکل استفاده می‌کند.موتور استرلینگ به روش زیر عمل می‌کند:
وقتی اپراتور استارت موتور را می‌زند، منبع گرمای خارجی نیز روشن می‌شود. اپراتور نیرو را از طریق مکانیسم ارائه شده کنترل می‌کند.
هنگامی که منبع گرمای خارجی فعال می‌شود، گرما شروع به انتقال از منبع گرما به انتهای گرم سیلندر می‌کند. این فرایند انتقال حرارت باعث افزایش دمای مولکول‌های گاز محبوس در انتهای داغ سیلندر می‌شود. با افزایش دمای مولکول‌های گاز، اختلالی بین آن‌ها ایجاد می‌شود و مولکول‌های گاز در داخل سیلندر منبسط می‌شوند.
انبساط گاز باعث افزایش فشار روی سطح پیستون می‌شود، پیستون را دور می‌کند و به کار مفید می‌انجامد.
یک پیستون جابه‌جایی با میل‌لنگ همراه است. حرکت میل‌لنگ باعث می‌شود که پیستون جابه‌جایی بین سر سرد و داغ سیلندر حرکت کند.تصویر
حرکت پیستون جابه‌جایی باعث تبادل گاز از انتهای سرد به انتهای گرم و انتهای گرم به انتهای سرد سیلندر می‌شود.
گاز داغ توان را برای پیستون جابه‌جایی فراهم می‌کند، که منجر به انتقال گاز به انتهای سرد سیلندر می‌شود.
با ورود گاز گرم به قسمت سرد، دستگاه خنک‌کننده گرمای گاز داغ را خارج کرده و آن را خنک می‌کند.
پیستون پس از سرد شدن گاز، آن را در انتهای سرد سیلندر فشرده می‌کند. یک دستگاه خنک‌کننده گرمای اضافه را از گاز خارج می‌کند.
پس از فرایند فشرده‌سازی، پیستون جابه‌جایی گاز فشرده را به انتهای داغ سیلندر باز می‌گرداند و چرخه تکرار می‌شود.
این‌ها اصل کار موتور استرلینگ است. همان‌طور که در بالا مشاهده می‌کنید، در این چرخه هیچ موتور احتراق داخلی ضربه‌مانند خروجی وجود ندارد. بنابراین، یک موتور استرلینگ کارایی بیشتری نسبت به یک موتور احتراق داخلی (IC) دارد.انواع موتور استرلینگ چه هستند؟
موتور استرلینگ دارای انواع اصلی موتور آلفا، موتور بتا، موتور گاما، موتور دوطرفه و موتور چرخشی است.
موتور استرلینگ آلفاتصویر
موتور آلفا استرلینگ دارای دو سیلندر است:
سیلندر داغ یا انبساطی
سیلندر سرد یا انقباضی
موتور استرلینگ آلفا
سیلندر گرم به یک منبع گرمای خارجی متصل می‌شود. این منبع گرما را به گاز سیلندر داغ منتقل می‌کند. در مقابل، سیلندر سرد دارای دستگاه خنک‌کننده است. این دستگاه خنک‌کننده برای استخراج گرمای گاز دریافت‌شده توسط سیلندر گرم استفاده می‌شود. این دو سیلندر با یک لوله از جایی که گاز گرم از سیلندر گرم به سیلندر سرد و بالعکس منتقل می‌شود، به اتصال می‌یابند.
این موتورها قدرت کمی دارند. بنابراین، برای اهدافی با بار سبک استفاده می‌شوند. موتور آلفا دارای دو پیستون قدرت است.
موتور بتا تنها یک سیلندر دارد. یک سر این سیلندر با یک دستگاه خنک‌کننده و انتهای دیگر آن به یک منبع گرما متصل است.
موتور استرلینگ بتاتصویر
سیلندر موتور استرلینگ بتا دارای دو پیستون است:
پیستون قدرت
پیستون جابه‌جایی
پیستون قدرت به موتور کمک می‌کند تا سیال را کنترل کند و موتور را فعال می‌کند، در حالی که پیستون جابه‌جایی بین دو سر سرد و گرم سیلندر نصب شده است. پیستون جابه‌جایی برای انتقال گاز گرم از انتهای گرم به انتهای سرد و گاز سرد از انتهای سرد به انتهای گرم سیلندر استفاده می‌شود. میل‌لنگ حرکت جابه‌جایی داخل سیلندر را کنترل می‌کند.
پیستون قدرت به یک فلایویل (چرخ طیار) متصل می‌شود و بین دو طرف سرد و گرم در سیلندر قرار دارد. این پیستون وظیفه تحویل قدرت خروجی را دارد.
موتور استرلینگ بتا قدرت بالاتری دارد. بنابراین، برای کاربردهایی با بار زیاد استفاده می‌شود.
موتور استرلینگ گاماتصویر
این نوع موتور احتراق خارجی دارای پیستون قدرت و جابه‌جایی است که با دو سیلندر جداگانه متصل می‌شوند.
گاز دو سیلندر آزادانه بین آن‌ها جریان می‌یابد و یکپارچه باقی می‌ماند. به دلیل حجم زیاد اتصال بین دو سیلندر، این سازه دارای نسبت تراکم کمتری است، اما از طراحی ساده‌ای برخوردار است و معمولاً در موتور چند سیلندر استرلینگ استفاده می‌شود.
علاوه بر این، در طول فرایند انبساط، انبساط خاصی در ناحیه فشرده‌سازی رخ می‌دهد، که منجر به کاهش قدرت مشخصی می‌شود.
موتور استرلینگ چرخشی
این موتورها توان چرخه استرلینگ را به گشتاور تبدیل می‌کنند.
موتور استرلینگ دوطرفه
پیستون این نوع موتور از هر دو انتهای آن (بالا و پایین) استفاده می‌کند.
یک موتور استرلینگ بر اساس چرخه استرلینگ کار می‌کند. چرخه استرلینگ به روش شکل زیر عمل می‌کند.تصویر
انبساط هم‌دما (خط 1 تا 2): در فرایند انبساط هم‌دما (دمای ثابت)، انرژی از منبع گرمای خارجی به گاز محبوس در سیلندر داده می‌شود. با دریافت انرژی توسط مولکول‌های گاز، انبساط آن‌ها شروع می‌شود. به دلیل انبساط مولکول‌های گاز، فشار گاز افزایش می‌یابد، که باعث می‌شود پیستون از سیلندر گرم به سیلندر سرد حرکت کند.
گرمادهی هم‌حجم (خط 2 تا 3): در فرایند گرمادهی ایزوکوریک (حجم ثابت) چرخه استرلینگ، جابه‌جایی گاز گرم را از سیلندر داغ به سیلندر فشاری یا سرد منتقل می‌کند. یک دستگاه خنک‌کننده انرژی گرمایی را از گاز داغ خارج کرده و آن را به گاز سرد تبدیل می‌کند. هدف اصلی این فرایند خنک‌کننده کاهش فشار گاز گرم است تا بتوان آن را به راحتی فشرده کرد.
فشرده‌سازی هم‌دما (خط 3 تا 4): در این مرحله، گاز در دمای پایین ثابت فشرده می‌شود. گرمای آزادشده طی فرایند فشرده‌سازی به سینک سرد منتقل می‌شود. در طول فرایند فشرده‌سازی، پیستون فشار گاز را افزایش می‌دهد. این افزایش فشار پیستون قدرت را به حرکتدرمی‌آورد، که باعث می‌شود چرخ طیار بیشتر حرکت کند.
گرمایش هم‌حجم (خط 4 تا 1): در فرایند افزایش هم‌حجم گرما، پیستون دوباره گاز سرد را از سیلندر سرد به سیلندر داغ منتقل می‌کند و دوباره از طریق منبع گرمای خارجی گرم می‌شود و کل چرخه استرلینگ تکرار می‌شود.
اجزای موتور استرلینگ
موتور استرلینگ دارای اجزای اصلی زیر است که در ادامه آن‌ها را معرفی می‌کنیم.
سیلندر
انواع مختلف موتورهای استرلینگ از تعداد متفاوت سیلندر استفاده می‌کنند.
نوع آلفا از دو استوانه استفاده می‌کند که عبارتند از:
سیلندر دیواری داغ: این سیلندر به یک منبع گرمای خارجی متصل می‌شود. این منبع حرارتی گرما را به گاز سیلندر منتقل می‌کند. به همین دلیل، گاز داغ و منبسط می‌شود.
استوانه دیواری سرد: هدف اصلی سرما تبدیل گاز گرم به گاز سرد است. این سیلندر دارای یک دستگاه خنک‌کننده است که گرما را از گاز داغ خارج می‌کند تا بتوان از این گاز دوباره استفاده کرد.
نوع بتا فقط یک سیلندر دارد که دو انتهای آن عبارتند از:
انتهای سرد: قسمت سرد دارای یک دستگاه خنک‌کننده است که گاز گرم را به حالت سرد تبدیل می‌کند.
انتهای گرم: انتهای گرم به منبع گرمایش متصل می‌شود که گرما را به گاز داخل سیلندر منتقل می‌کند.
پیستون
پیستون وسیله‌ای است که از سیلندر سرد به سیلندر گرم و برعکس متقابل می‌شود. پیستون وظیفه دارد قدرت خروجی نهایی را به موتور برساند تا بتواند بار را حرکت دهد.
پیستون‌های مورد استفاده برای موتور استرلینگ دو نوع دارند که عبارتند از:
پیستون قدرت: پیستون کوچکتری است که در موتور قرار دارد. این پیستون دارای مهر و موم محکمی است که گاز سرد در سیلندر سرد را فشرده می‌کند.
پیستون جابه‌جایی: یک پیستون بزرگ است. این یک پیستون است که به راحتی در سیلندر نصب شده است. پیستون جابه‌جاکننده گاز را از سیلندر سرد به سیلندر گرم و بالعکس منتقل می‌کند.
تعداد پیستون‌های موتور بستگی به نوع موتور استرلینگ دارد، مانند:
موتور نوع بتا دارای دو پیستون (یعنی پیستون جابه‌جایی و پیستون قدرت) است.
موتور آلفا نیز دارای دو پیستون است، اما هر دو پیستون قدرت هستند.
موتور نوع گاما دارای دو پیستون (یعنی پیستون قدرت و پیستون جابه‌جایی) است که به دو سیلندر مختلف (سیلندر سرد و گرم) متصل می‌شوند.
گاز در موتور استرلینگ به عنوان محیط کار استفاده می‌شود. کارکرد و گردش گاز با توجه به انواع موتور متفاوت است، مانند:
در مورد نوع آلفا، ابتدا، گاز در استوانه گرم محبوس می‌شود. همان‌طور که منبع گرمای خارجی گرما را به گاز می‌رساند، شروع به منبسط شدن می‌کند. پیستون به دلیل انبساط گاز به سمت بالا حرکت کرده و گاز را از سیلندر گرم به سیلندر سرد منتقل می‌کند.
در مورد موتور استرلینگ بتا، جابه‌جاشونده گاز را بین انتهای گرم به سر سرد و سرما به انتهای گرم سیلندر منتقل می‌کند.
منبع حرارت خارجی
منبع مورد استفاده برای رساندن گرما به انتهای داغ سیلندر (بتا SE) یا دیواره سیلندر داغ (آلفا SE) به عنوان منبع گرمای خارجی شناخته می‌شود. همان‌طور که منبع گرما گرما را به گاز سیلندر گرم منتقل می‌کند، انرژی بالقوه گاز به دلیل انبساط شروع به افزایش می‌کند. این انبساط پیستون را به داخل سیلندر منتقل می‌کند.
یستم خنک‌کننده
موتور استرلینگ دارای سیستم خنک‌کننده متصل به سیلندر سرد (موتور نوع بتا) یا سر سرد سیلندر (نوع آلفا) است. هدف از سیستم خنک‌کننده حذف گرما از گاز داغ و تبدیل آن به حالت سرد است تا پیستون بتواند آن را به راحتی فشرده کند.
میل‌لنگ
از میل‌لنگ برای انتقال حرکت پیستون به فلایویل استفاده می‌شود.
میل لنگ حرکت پیستونی پیستون را به حرکت چرخشی تبدیل کرده و آن را به چرخ‌دنده می‌رساند.
میل لنگ از طریق پین میل‌لنگ به پیستون متصل می‌شود.
چرخ‌طیار
فلایویل به میل‌لنگ متصل است. قدرت مکانیکی (حرکت دوار) را توسط میل‌لنگ دریافت می‌کند و برای انتقال بیشتر ذخیره می‌کند.
بازده موتور استرلینگ بستگی به اختلاف دما بین سیلندر گرم و سیلندر سرد دارد. هرچه اختلاف دما بین سیلندر سرد و سیلندر گرم کمتر باشد، راندمان موتور کمتر است. یک موتور استرلینگ می‌تواند در کاربرد حرارتی خورشیدی تا 40 درصد بازده تبدیل انرژی را ارائه دهد.https://blog.faradars.org/%D8%A7%D9%86% ... %86%DA%AF/
یک موتور استرلینگ شامل دو پیستون در سیلندرهای جداگانه است، یکی گرم و دیگری سرد. سیلندر داغ در داخل مبدل حرارتی با دمای بالا و سیلندر سرد در داخل مبدل حرارتی با دمای پایین قرار دارد.اصل کلیدی موتور استرلینگ این است که مقدار ثابتی از گاز در داخل موتور آب بندی می شود. موتورهای استرلینگ موتورهای احتراق خارجی هستند، زیرا گرما به جای اینکه با سوخت در داخل سیلندر تامین شود، از منبعی خارج از سیلندر به هوای داخل موتور می رسد.کارایی موتور استرلینگ و قضیه کارنو
من می خواهم بازده این چرخه استرلینگ را برای گاز ایده آل $pV=nRT$ محاسبه کنم
کار مکانیکی استتصویر
$\Delta W_{12} = - \int_{V_1}^{V_2} p(V) \mathrm{d}V = -nRT_2 \ln \frac{V_2}{V_1}\\
\Delta W_{23} = \Delta W_{41} = 0\\
\Delta W_{34} = -nRT_1 \ln \frac{V_1}{V_2}$
در منحنی های همدما تغییر انرژی درونی $\Delta U = \Delta W + \Delta Q$صفر است.
$\Delta Q_{12} = - \Delta W_{12} > 0\\
\Delta Q_{34} = - \Delta W_{34} < 0$در منحنی های ایزوکوریک (هم حجمی) مقادیر گرما هستندتصویر
$\Delta Q_{23} = C_V (T_1 - T_2) < 0\\
\Delta Q_{41} = C_V (T_2 - T_1) > 0$
کارایی آن پس است
$\eta = \frac{-\Delta W}{\Delta Q}$
ΔQ گرمای ورودی است، یعنی مجموع تمام مقادیر گرمایی > 0:
$\Delta Q = Q_{12}+Q_{41} = n R T_2 \ln \frac{V_2}{V_1} + C_V (T_2 + T_1)$
ΔW کل کار مکانیکی است:
$\Delta W = W_{12}+\Delta W_{34} = - nR(T_2 - T_1) \ln \frac{V_2}{V_1}$
بنابراین در نهایت کارایی است
$\eta = \frac{T_2 - T_1}{T_2 + \frac{C_V (T_2 - T_1)}{nR \ln V_2 / V_1}} < \eta_\text{C}.$.
از بازده چرخه کارنو کمتر است. اما اگر همه فرآیندها به صورت برگشت پذیر انجام شوند باید با آن برابر باشد.
که در واقع این مشکل را به عنوان یک سؤال نشان میده. تنها توضیح من این است که این فرآیند برگشت پذیر نیست، اما نمی دانم چگونه بدون اینکه ببینم فرآیندهای همدما و ایزوکوریک چگونه انجام می شوند، بگویم.تصویر
بنابراین سوالات من این است
آیا این با قضیه کارنو که بازده $\eta_\text{C} = 1 - T_1/T_2$ برای همه موتورهای حرارتی برگشت پذیر بین دو حمام حرارتی یکسان است، تناقض دارد؟
آیا این چرخه برگشت پذیر است؟
آیا راهی وجود دارد که بگویم یک فرآیند فقط با شکلی مانند شکل بالا برگشت پذیر است یا غیرقابل برگشت؟
چرخه استرلینگ همانطور که من میگم قابل برگشت نیست تو هوپا در مورد سیکل برگت ناپذیر گفتم Irreversible process. در ترمودینامیک هروقت دگرگونی در حالات ترمودینامیکی در سیستم یا محیط اطراف روی دهد نمی‌توان بدون اتلاف انرژی آن را دقیقاً به حالت نخست برگرداند.از طرفی چرخه برگشت پذیر می‌باشد، بدین معنی که اگر با کار مکانیکی تغذیه شود، می‌تواند به عنوان پمپ حرارتی یا یخچال عمل کند. سیکل به عنوان یک چرخه بسته همراه با بازیافت با سیال عامل گازی تعریف می‌شود.
سیستم در فرایند برگشت‌ناپذیر می‌تواند به حالت اولیه برگردد ولی عدم بازگشت در محیط اطراف است که قابلیت بازگشت به شرایط اولیه را ندارند.
فرایندها آنتروپی جهان را افزایش می‌دهند ولی به دلیل اینکه تابع آنتروپی تابع حالت است تغیرات آنتروپی در فرایند برگشت‌پذیر و برگشت‌ناپذیر یکسان ایجاد می‌گردد. با استفاده از قانون دوم ترمودینامیک می‌توان برگشت‌پذیری یا ناپذیری فرایند را تعیین کردک فرآیند ترمودینامیکی برگشت پذیر است اگر فرآیند بتواند به گونه ای بازگردد که هم سیستم و هم محیط اطراف به حالت اولیه خود بازگردند ، بدون اینکه هیچ تغییر دیگری در هیچ کجای جهان تغییر کند. این بدان معناست که هر دو سیستم و محیط اطراف در پایان فرآیند معکوس به حالت اولیه خود باز می گردند. فرآیند برگشت ناپذیر جریان الکتریکی از طریق یک هادی با مقاومت است. نمونه ای از یک فرآیند برگشت ناپذیر مغناطش یا قطبش با پسماند است.چرخه موتور حرارتی کارنو که شرح داده شد یک چرخه کاملاً برگشت پذیر است . این همه فرآیندهایی است که آن را تشکیل می دهند می توانند معکوس شوند، در این صورت تبدیل به چرخه تبرید کارنو می شود.
فرآیندهای برگشت پذیر نیاز به عدم وجود اصطکاک یا سایر اثرات هیسترزیس دارند . آنها همچنین باید بی نهایت به آرامی انجام شوند. در غیر این صورت امواج فشار و گرادیان های دما محدود در سیستم ایجاد می شود و اتلاف و جریان گرمای برگشت ناپذیر رخ می دهد.
. انتقال گرما از مخازن حرارتی در طول مسیرهای 4->1 و 2->3 یک فرآیند برگشت پذیر نیست، زیرا گرما بین دو جسم در دماهای مختلف منتقل می شود. برای معکوس کردن این فرآیند، باید به طور خود به خود گرما را از یک مخزن سردتر به گرمتر منتقل کنید، که قانون دوم ترمودینامیک را نقض می کند.
موتورهای استرلینگ اغلب به عنوان برگشت پذیر توصیف می شن اما این نیاز به نوع خاصی از فرآیند دارد. توجه داشته باشید که گرمای منتقل شده به موتور در امتداد 4->1 با گرمای منتقل شده از موتور در امتداد 2->3 برابر است و 4->1 و 2->3 بین همان دو دما عمل می کنند. بنابراین، اگر گرما به صورت همدما در داخل موتور در طول این مسیرها منتقل شود، می توان یک موتور استرلینگ کارنا کارنو ساخت. این با یک "بازساز" انجام می شود، یک جرم حرارتی که انرژی آزاد شده در 2->3 را ذخیره می کند و آن را در مسیر 4->1 به گاز برمی گرداند. می بینید که بازسازی کننده باید به طور مداوم در دمای بین T2 و T1 تغییر کند و هنگام عبور گاز، گرما را به صورت همدما با گاز مبادله کند.تصویر
توجه داشته باشید که همه موتورهای معکوس باید با یک راندمان کار کنند. این از تعاریف بازده و آنتروپی به دست می آید. یک موتور برگشت پذیر با تغییر آنتروپی 0 کار می کند. $\Delta S = -\frac{Q_h}{T_h} + \frac{Q_c}{T_c}$بنابراین ΔS=0 به معنای $\frac{Q_h}{T_h} = \frac{Q_c}{T_c}$ یا کارایی$\frac{Q_h - Q_c}{Q_h} = \frac{T_h - T_c}{T_h}$ است.هر چرخه ای در نمودار pv برگشت پذیر است. هنگامی که شما برای Q حل می کنید باید ادغام کنید و فرآیند ادغام خود شامل dT می شود به این معنی که تفاوت دما بی نهایت کوچک است و بنابراین فرآیند برگشت پذیر می شود. فرمول راندمان موتور استرلینگ که به دست آورده اید صحیح است با این تفاوت که تعداد مول (n) باید حذف می شد. راندمان موتور استرلینگ از کارنو کمتر است و این خوب است. همانطور که یکی از شما اشاره کرد نمی توان آن را با کارنو مقایسه کرد زیرا تبادل گرما در چرخه کارنو در دو دمای ثابت انجام میشه در حالی که در موتور استرلینگ تبادل حرارت در طول دو فرآیند حجم ثابت که دماها در آن تغییر می کنند نیز انجام می شود. در چرخه کارنو هیچ تبادل حرارتی در امتداد منحنی های آدیاباتیک که در طول آن دما تغییر می کند وجود ندارد.
سیال عامل (گاز) داخل موتور استرلینگ
در چرخه استرلینگ، سیال عامل به عنوان یک زیر سیستم مهم از موتور استرلینگ، در یک حجم بسته به طور متناوب گرما و سرما می گیرد و وظیفه حمل انرژی و انجام کار را به عهده دارد.
هر سیالی با ظرفیت حرارتی مخصوص بالا ممکن است به عنوان سیال عامل در موتور استرلینگ مطرح شود. به جز چند استثنا، غالب موتورهای استرلینگ در قرن نوزدهم از هوا به عنوان سیال عامل استفاده می کردند. بیشتر آنها نزدیک به فشار اتمسفر عمل می کردند. هوا ارزان و به سهولت در دسترس می باشد. سیال عامل به کار رفته در موتور استرلینگ باید خصوصیات ترمودینامیکی، انتقال حرارتی و دینامیکی(دینامیک گازها) زیر را داشته باشد.
۱- رسانش گرمایی بالا
۲- ظرفیت گرمایی ویژه بالا
۳- گران­روی پایین
۴- چگالی پایین.hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
smile072 smile072 رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضاتصویر
تصویر

ارسال پست