فناوری

”موتور استرلینگ”؛ از تاریخچه ای پر نوسان تا آینده ای درخشان (۱)

موتور استرلینگ
نوشته شده توسط محمدهادی تقی نتاج

”هرون اسکندرانی”، مهندس و ریاضی دان یونانی، که از اهالی اسکندریه بوده است را در تاریخ از نخستین مخترعان اولین نمونه های موتورهای احتراق خارجی به ویژه موتورهای بخار، نام برده اند. گفته می شود هرون دستگاهی به نام آلیولیپایل که عملکردی شبیه موتور بخار داشته طراحی کرده و ساخته است. حتی در بعضی منابع ذکر شده که با استفاده از مکانیزم تبدیل کار به گرما و الگوی مورد استفاده در موتور بخار دروازه معبدی را باز و بسته میکرده است.

۲۲۳۵

تصویری از آلیولیپایل

با این وجود مطلب پیش رو نه در زمینه بررسی ابعاد تاریخی و واقعیت سنجی اطلاعات بالا خواهد بود و نه در زمینه تاریخچه موتور بخار، بلکه به موضوعی خواهد پرداخت که شاخه ای، هم از علم ترمودینامیک محسوب میشود و هم از علم دینامیک. البته تاریخچه ای به درازای تاریخچه موتور بخار نیز دارد و در واقع شاخه ای منشعب از تحقیقات و آزمایش های انجام شده در راستای ارتقا و نوآوری در این نوع موتورها بوده است. موتور استرلینگ (Stirling)؛ نامی کمتر شنیده شده در عرصه تکنولوژی موتورها اما با گذشته ای جذاب و آینده ای روشن.
‌تاریخچه موتور بخار بسیار طولانی و پیچیده است و حتی بحث های زیادی نیز بر سر اینکه چه کسی اولین موتور بخار را اختراع کرده است در طول تاریخ درگرفته است. اما طبق معمول این بریتانیایی ها بودند که حرف خود را بر کرسی نشاندند و اختراع موتور توسط جیمز وات اسکاتلندی در سال ۱۷۶۴ را به عنوان اولین نمونه رسمی ثبت شده به دیگران قبولاندند. البته این اختراع با تحولی که در تاریخ صنعت و به تبع آن در تاریخ بشر داشته به حق این عنوان را به دست آورده است.
قبل و بعد از این اختراع تلاش های بسیاری در زمینه توسعه موتورها در سطح جهان صورت گرفت. البته تمامی این اقدامات و توسعه ها در راستای موتورهای احتراق خارجی انجام می شده است. تا اینکه باز هم یک اسکاتلندی سه سال قبل از درگذشت جیمز وات (۱۸۱۶) در عرصه موتورهای احتراق خارجی تحولی بزرگ صورت داد و توانست موتوری با ظرفیت ها و کارایی های خاص خود اختراع نماید.
رابرت استرلینگ، کشیش اسکاتلندی، با اختراع این موتور که براساس سیکل ترمودینامیکی خاصی عمل میکرد، توانست علاوه بر ثبت نام خود بر روی تمام نمونه های این موتور در گذر زمان و همچنین سیکل کاری آن، موتوری را ابداع نماید که پس از گذشت دو قرن به تازگی ابعاد مختلفی از کارایی آن روشن شده و جایگاهی در بین موتورهای مورد استفاده در صنایع مختلف برای خود مهیا نموده است. هر چند پیش از آن شخصی به نام جرج کیلی در سال ۱۸۰۷ میلادی چنین سیستمی را ثبت و اختراع نموده بود. اما یک تفاوت عمده بین عملکرد ‌موتورهای این دو فرد وجود داشت و آن این بود که ‌موتور ‌استرلینگ براساس چرخه بسته عمل می‌کرد ولی ‌موتور کیلی چرخه باز محسوب می‌شد.

۲۲۳۵

اولین نمونه از موتور استرلینگ

موتور ‌استرلینگ براساس سیکل ترمودینامیکی ‌استرلینگ عمل می‌نماید و این سیکل نیز بر مبنای اصول اولیه ترمودینامیکی و تبدیل کار و گرما به یکدیگر طراحی شده است. در واقع با توضیحی ساده، سیالی در بین دو دمای مختلف در پیستون ها رفت و برگشت کرده و در طی فرآیند گرفتن گرما از منبع دما بالا و پس دادن آن به منبع سرد، کار مفید موتور را با به حرکت درآوردن پیستون ها تولید می نماید.
موتور استرلینگ که براساس چینش مکانیزم های انتقال قدرت به سه دسته آلفا، بتا و گاما تقسیم بندی می شود، دارای چند بخش اساسی است. دو سیلندر که فرآیندهای انبساط و انقباض سیال عامل توسط پیستون‌ها در آن انجام می‌گیرد. هیتر که وظیفه گرم کردن سیال عامل با استفاده از منبع نرژی را دارد، خنک‌کننده که سیال عامل گرم را خنک می‌کند و دمای آن را به مقدار مورد نیاز سیستم کاهش می‌دهد و بازیاب حرارتی که معمولاً بین خنک‌کننده و هیتر قرار می‌گیرد و با جلوگیری از اتلاف گرمای تولید شده در طول عملکرد سیکل ‌استرلینگ باعث افزایش چشم‌گیر راندمان شده و وجود آن امری ضروری محسوب می‌شود. سیکل ‌استرلینگ دارای چهار فرآیند و مرحله می‌باشد که دو فرآیند آن حجم ثابت و دو فرآیند دیگر دما ثابت می‌باشد.

۲۴۶۵

نمودارهای ترمودینامیکی موتور استرلینگ

 

۳۶۸۴۲

موتور استرلینگ نوع آلفا و جزییات سیستم های موجود بر روی آن

اختراع این ‌موتور در اوایل قرن نوزدهم پیشرفتی چشم‌گیر با توجه به امکانات و سطح دانش آن دوره محسوب می‌شد. در آن برهه ایمنی پایین ‌موتورهای بخار باعث شد اعتماد زیادی نسبت به موتورهای استرلینگ ایجاد شود و با توجه به این که ‌این نوع موتور از فشار پایین‌تری برای راه‌اندازی استفاده می‌کرد گزینه مناسب‌تری محسوب می‌شد. در بین سال‌های ۱۸۲۴ تا ۱۸۴۰ میلادی برادران ‌استرلینگ سعی در تکامل این ‌موتور داشتند. تا این‌که در سال ۱۸۵۰ میلادی پروفسور رانکین نخستین نمونه قابل توجه از این نوع ‌موتور را ارائه کرد. پس از آن در سال ۱۸۵۳ میلادی اریکسون توانست یکی از مهم‌ترین اختراعات قرن نوزدهم در زمینه‌ی ‌موتورها را انجام دهد و ‌موتور ‌استرلینگ چهار سیلندری با قدرت ۳۰۰ اسب بخار را طراحی و بر روی کشتی به نام خود عملیاتی نماید.
هرچند که ‌موتورهای اریکسونی و ‌استرلینگی یک تفاوت عملکردی خاص دارند و آن هم بسته بودن سیکل ‌موتور ‌استرلینگ و باز بودن سیکل اریکسون است، اما به طور متداول به تمام موتورهایی که با استفاده از این روند تولید کار می نمایند موتور استرلینگ گفته می شود. لازم به ذکر است که سیکل باز به سیکلی گفته می شود که سیال عامل از طریق سوپاپ ها در هر پریود عملکردی وارد و خارج می شود اما در سیکل بسته این امکان وجود ندارد و تلاش بر این است تا عایق بندی در ایده آل ترین حالت ممکن قرار داشته باشد و از میزان سیال عامل به هیچ عنوان کاسته نشود.
تحقیقات در زمینه ‌موتورهای ‌استرلینگ تا دهه‌های پایانی قرن نوزدهم ادامه داشت اما پس از اختراع ‌موتورهای اتو و دیزل به ترتیب در سال‌های ۱۸۷۷ و ۱۸۹۳ میلادی این نوع ‌موتور به فراموشی سپرده شد. ارزان بودن و فراوانی سوخت در آن دوره اصلی‌ترین عامل برای تمایل بیشتر به سمت ‌موتورهای احتراق داخلی بود. البته ایمنی، عملکرد و توان‌ آن‌ها نیز نسبت به ‌موتورهای احتراق خارجی رایج مناسب‌تر به نظر می‌رسید.
این سکون تا اوایل دهه چهل قرن بیستم میلادی ادامه داشت تا این‌که در این زمان شرکت هلندی فیلیپس تحقیقات در این زمینه را از سر گرفت و سعی کرد از موتور استرلینگ به عنوان منبعی برای تولید نیروی قابل حمل استفاده نماید. این تحقیقات در سال ۱۹۵۰ میلادی نتیجه داد و نمونه ۲۰۰ واتی از این ‌موتور توسط این شرکت طراحی، تولید و روانه بازار شد. این شرکت از موتور استرلینگ به عنوان ژنراتورهای سبک قابل حمل در صنایع استفاده میکرده است.

۳۵۴

ژنراتور استرلینگ تولید شده توسط شرکت فیلیپس هلند

بعد از شوک نفتی سال ۱۹۷۳ میلادی تحقیقات در زمینه موتور استرلینگ در آمریکا و ژاپن منسجم‌تر شد و سپس سایر کشورها نیز به این سمت متمایل گشتند. در دهه‌های هفتاد و هشتاد میلادی دو شرکت فورد و جنرال ‌موتورز آمریکا سعی داشتند تا با توسعه تحقیقات در این زمینه از این نوع ‌موتور در خودروهای خود استفاده نمایند و به موفقیت¬هایی نیز در این زمینه دست یافتند. خودروهایی نیز با موتور استرلینگ به صورت محدود و آزمایشی تولید شد اما با توجه به محدودیت‌های ‌موتور ‌استرلینگ در راه‌اندازی سریع و تغییرات دور موتور، این تلاش‌ها بی‌نتیجه باقی‌ماند.

۳۱۱۳

موتور استرلینگ تعبیه شده در خودروی فورد

تحقیقات دانشگاهی و آکادمیک در زمینه موتور استرلینگ در ده های ۸۰ و ۹۰ میلادی رونق بسیاری پیدا کرد. مقالات، کتب و تحقیقات زیادی در طول این سال ها در سرتاسر جهان صورت گرفت و از نظر تئوری موتور استرلینگ از تمام ابعاد مورد بررسی موشکافانه قرار گرفت. با شروع قرن بیست‌ویکم و برجسته شدن بحران‌های زیست‌محیطی تحقیقات و فعالیت‌ها در این زمینه افزایش چشم‌گیری یافت و با توجه به رشد روز افزون فناوری‌های ساخت، این سرمایه‌گذاری‌ها به نتایج مطلوبی نیز رسیده است. در حال حاضر چندین شرکت شناخته شده به طور رسمی در زمینه طراحی، تولید، ساخت، مونتاژ، تجارت و خدمات پشتیبانی این نوع ‌موتور در سرتاسر جهان فعالیت می‌کنند که در این بین شرکت‌هایی نظیر Kockums سوئد، STC آمریکا، Sun Power آمریکا، Uwe Moch آلمان و BG انگلستان پیشتاز هستند.

+ ادامه دارد…

درباره نویسنده

محمدهادی تقی نتاج

دیدگاه شما چیست