ز ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

ترمودینامیک
موتور حرارتی کلاسیک کارنو
نشان می دهد شاخه ها
نشان می دهد قوانین
نشان می دهد سیستم های
نشان می دهد خصوصیات سیستم
نشان می دهد خواص مواد
نشان می دهد معادلات
نشان می دهد پتانسیل ها
نشان می دهد تاریخ فرهنگ
نشان می دهد دانشمندان
نشان می دهد دیگر
دسته بندی
v تی ه

این مقاله در مورد چرخه استرلینگ آدیاباتیک است. برای چرخه ایده آل استرلینگ، موتور استرلینگ § نظریه را ببینید .

همچنین ببینید: کاربردهای موتور استرلینگ

چرخه استرلینگ یک چرخه ترمودینامیکی است که کلاس کلی دستگاه های استرلینگ را توصیف می کند. این شامل موتور اصلی استرلینگ است که در سال 1816 توسط رابرت استرلینگ با کمک برادرش، یک مهندس ، اختراع، توسعه و ثبت شد . [1]

چرخه‌های اتو و دیزل ایده‌آل کاملاً برگشت‌پذیر نیستند، زیرا شامل انتقال حرارت از طریق یک اختلاف دمای محدود در طول فرآیند‌های غیرقابل برگشت حرارتی ایزوکوریک / ایزوباریک افزودن حرارت و دفع گرما می‌شوند. برگشت ناپذیری بازده حرارتی این چرخه ها را کمتر از موتور کارنو می کند که در همان محدوده دما کار می کند. چرخه دیگری که دارای فرآیندهای همدما اضافه و دفع گرما است، چرخه استرلینگ است که نسخه تغییر یافته چرخه کارنو است که در آن دو فرآیند ایزنتروپیک مشخص شده در چرخه کارنو با دو فرآیند بازسازی با حجم ثابت جایگزین می‌شوند.

این چرخه برگشت پذیر است، به این معنی که اگر با نیروی مکانیکی تامین شود، می تواند به عنوان یک پمپ حرارتی برای گرمایش یا سرمایش و حتی برای سرمایش برودتی عمل کند . چرخه به عنوان یک چرخه احیا کننده بسته با یک سیال گازی تعریف می شود. "سیکل بسته" به این معنی است که سیال کار به طور دائم در داخل سیستم ترمودینامیکی قرار می گیرد . این همچنین دستگاه موتور را به عنوان یک موتور حرارتی خارجی طبقه بندی می کند . "بازسازنده" به استفاده از مبدل حرارتی داخلی به نام احیا کننده اشاره دارد که بازده حرارتی دستگاه را افزایش می دهد .

این چرخه مانند اکثر چرخه های حرارتی دیگر است، زیرا چهار فرآیند اصلی وجود دارد: فشرده سازی، افزودن حرارت، انبساط و حذف گرما. با این حال، این فرآیندها گسسته نیستند، بلکه انتقال ها با هم همپوشانی دارند.

چرخه استرلینگ موضوع بسیار پیشرفته ای است که بیش از 190 سال است که توسط بسیاری از متخصصان تحلیل شده است. ترمودینامیک بسیار پیشرفته برای توصیف چرخه مورد نیاز است. پروفسور اسرائیل اوریلی می نویسد: «... چرخه های مختلف «ایده آل» (مانند چرخه اشمیت) نه از نظر فیزیکی قابل تحقق هستند و نه نماینده چرخه استرلینگ». [2]

مشکل تحلیلی بازسازی کننده (مبدل حرارتی مرکزی در چرخه استرلینگ) توسط Jakob به عنوان "در میان دشوارترین و درگیرترین هایی که در مهندسی با آن مواجه می شوند" ارزیابی می شود. [3] [4]

ترمودینامیک سیکل استرلینگ ایده آل [ ویرایش ]

نمودار فشار/حجم از چرخه ایده آل استرلینگ. در کاربردهای واقعی چرخه های استرلینگ (مثلاً موتورهای استرلینگ) این چرخه شبه بیضوی است.

چرخه ایده آل استرلینگ [5] شامل چهار فرآیند ترمودینامیکی است که بر روی سیال کار عمل می کنند (نمودار به سمت راست را ببینید):

1. 1→2 افزودن حرارت همدما (انبساط).
2. 2→3 حذف حرارت ایزوکوریک (حجم ثابت).
3. 3→4 حذف حرارت همدما (فشرده سازی).
4. 4→1 افزودن حرارت ایزوکوریک (حجم ثابت).

تغییرات حرکت پیستون [ ویرایش ]

مدلی از چرخه چهار فاز استرلینگ

بیشتر کتاب های درسی ترمودینامیک شکل بسیار ساده شده ای از چرخه استرلینگ را شامل چهار فرآیند توصیف می کنند. این به عنوان یک "چرخه استرلینگ ایده آل" شناخته می شود، زیرا یک مدل "ایده آلی شده" است و لزوماً یک چرخه بهینه نیست. از نظر تئوری، "سیکل ایده آل" خروجی خالص کار بالایی دارد، اما به ندرت در کاربردهای عملی استفاده می شود، تا حدی به این دلیل که سایر چرخه ها ساده تر هستند یا تنش های اوج بر یاتاقان ها و سایر اجزا را کاهش می دهند. برای راحتی، طراح ممکن است انتخاب کند که از حرکات پیستون دیکته شده توسط دینامیک سیستم، مانند مکانیسم های اتصال مکانیکی استفاده کند. به هر حال، راندمان و قدرت چرخه تقریباً به خوبی اجرای واقعی مورد ایده آل است. یک میل لنگ یا اتصال پیستون معمولی در یک طرح به اصطلاح "سینماتیکی" اغلب منجر به حرکت نزدیک به سینوسی پیستون می شود. برخی از طرح‌ها باعث می‌شوند که پیستون در هر دو انتهای حرکت «سکونت» کند.

بسیاری از پیوندهای سینماتیکی، مانند " یوغ راس " معروف ، حرکت نزدیک به سینوسی را نشان می دهند. با این حال، سایر پیوندها، مانند " درایو لوزی "، حرکت غیر سینوسی بیشتری را نشان خواهند داد. تا حدی کمتر، سیکل ایده آل عوارضی را ایجاد می کند، زیرا به شتاب پیستون تا حدودی بیشتر و تلفات پمپاژ لزج بالاتر سیال کار نیاز دارد. با این حال، تنش های مواد و تلفات پمپاژ در یک موتور بهینه شده، تنها زمانی غیرقابل تحمل خواهد بود که به "سیکل ایده آل" و/یا در نرخ های چرخه بالا نزدیک شویم. مسائل دیگر عبارتند از زمان مورد نیاز برای انتقال حرارت، به ویژه برای فرآیندهای همدما . در موتوری با چرخه ای که به "سیکل ایده آل" نزدیک می شود، ممکن است برای رفع این مسائل، سرعت چرخه کاهش یابد.

در ابتدایی ترین مدل یک دستگاه پیستون آزاد، سینماتیک منجر به حرکت هارمونیک ساده می شود .

تغییرات حجم [ ویرایش ]

در موتورهای بتا و گاما، به طور کلی تفاوت زاویه فاز بین حرکات پیستون با زاویه فاز تغییرات حجم یکسان نیست . با این حال، در آلفا استرلینگ، آنها یکسان هستند. [6] بقیه مقاله تغییرات حجم سینوسی را فرض می‌کند، مانند یک آلفا استرلینگ با پیستون‌های خطی، که به آن دستگاه آلفا «پیستون مخالف» نامیده می‌شود.

هشدار: در میان بسیاری از نادرستی‌های موجود در این مقاله، به یک پیکربندی آلفای هم خطی در بالا اشاره شده است. چنین پیکربندی بتا خواهد بود. از طرف دیگر، این یک آلفا خواهد بود که دارای یک سیستم پیوند غیرقابل قبول ناکارآمد است.

نمودار فشار در مقابل حجم [ ویرایش ]

این نوع نمودار برای توصیف تقریباً تمام چرخه های ترمودینامیکی استفاده می شود. نتیجه تغییرات حجم سینوسی، چرخه شبه بیضی شکل است که در شکل 1 نشان داده شده است. در مقایسه با چرخه ایده آل، این چرخه نمایش واقعی تری از اکثر موتورهای استرلینگ واقعی است. چهار نقطه در نمودار زاویه میل لنگ را بر حسب درجه نشان می دهد . [7]

چرخه استرلینگ آدیاباتیک شبیه به چرخه ایده آل استرلینگ است. با این حال، چهار فرآیند ترمودینامیکی کمی متفاوت هستند (نمودار بالا را ببینید):

• 180 درجه تا 270 درجه، انبساط شبه همدما . فضای انبساط از خارج گرم می شود و گاز تحت انبساط نزدیک به همدما قرار می گیرد.
• 270 درجه تا 0 درجه، حذف گرما با حجم تقریباً ثابت (یا نزدیک به ایزومتریک یا ایزوکوریک ). گاز از طریق احیا کننده عبور داده می شود ، بنابراین گاز خنک می شود و گرما برای استفاده در چرخه بعدی به احیا کننده منتقل می شود.
• 0 تا 90 درجه، فشرده سازی شبه همدما . فضای تراکم داخل خنک می شود ، بنابراین گاز تحت فشرده سازی تقریبا همدما قرار می گیرد.
• 90 درجه تا 180 درجه، افزودن گرما با حجم تقریباً ثابت (تقریباً ایزومتریک یا ایزوکوریک ). هوای فشرده از طریق احیا کننده جریان می یابد و گرما را در راه به فضای انبساط گرم می گیرد.

به استثنای یک موتور ترموآکوستیک استرلینگ ، هیچ یک از ذرات گاز در واقع در چرخه کامل جریان ندارند. بنابراین این رویکرد قابل تجزیه و تحلیل بیشتر از چرخه نیست. با این حال، یک نمای کلی ارائه می دهد و چرخه کار را نشان می دهد.

حرکت ذرات/جرم [ ویرایش ]

شکل 2 خطوط خطی را نشان می دهد که نشان می دهد گاز چگونه از یک موتور استرلینگ واقعی عبور می کند. خطوط رنگی عمودی حجم موتور را مشخص می کند. از چپ به راست، آنها عبارتند از: حجم جاروب شده توسط پیستون انبساط (قدرت)، حجم خالی (که از تماس پیستون با مبدل حرارتی داغ جلوگیری می کند)، بخاری، احیاگر، کولر، حجم خلاصی کولر و حجم تراکم جاروب شده توسط پیستون تراکم.

نوع آلفا استرلینگ. نسخه متحرک.

افت فشار مبدل حرارتی [ ویرایش ]

افت فشار نشان داده شده در شکل 3 که به آن "تلفات پمپاژ" نیز گفته می شود، ناشی از جریان ویسکوز از طریق مبدل های حرارتی است. خط قرمز نشان دهنده بخاری، سبز احیاگر و آبی خنک کننده است. برای طراحی مناسب مبدل های حرارتی، بهینه سازی چند متغیره برای به دست آوردن انتقال حرارت کافی با تلفات جریان قابل قبول مورد نیاز است. [6] تلفات جریان نشان داده شده در اینجا نسبتاً کم هستند و در تصویر زیر به سختی قابل مشاهده هستند، که تغییرات فشار کلی در چرخه را نشان می دهد.

فشار در مقابل زاویه میل لنگ [ ویرایش ]

شکل 4 نتایج حاصل از "شبیه سازی آدیاباتیک" با مبدل های حرارتی غیر ایده آل را نشان می دهد. توجه داشته باشید که افت فشار در سراسر احیا کننده در مقایسه با تغییرات فشار کلی در چرخه بسیار کم است.

دما در مقابل زاویه میل لنگ [ ویرایش ]

شکل 5 خواص آدیاباتیک یک مبدل حرارتی واقعی را نشان می دهد. خطوط مستقیم دمای بخش جامد مبدل حرارتی را نشان می‌دهند و منحنی‌ها دمای گاز فضاهای مربوطه را نشان می‌دهند. نوسانات دمای گاز ناشی از اثرات تراکم و انبساط در موتور همراه با مبدل های حرارتی غیر ایده آل است که سرعت انتقال حرارت محدودی دارند . هنگامی که دمای گاز به بالا و پایین تر از دمای مبدل حرارتی منحرف می شود، باعث تلفات ترمودینامیکی می شود که به عنوان «تلفات انتقال حرارت» یا «تلفات هیسترزیس» شناخته می شوند. با این حال، مبدل های حرارتی هنوز به اندازه کافی خوب کار می کنند تا به چرخه واقعی اجازه دهند موثر باشد، حتی اگر بازده حرارتی واقعی سیستم کلی فقط حدود نیمی از حد تئوری باشد .

گرما و انرژی کار تجمعی [ ویرایش ]

شکل 6 نموداری از داده های موتور استرلینگ نوع آلفا را نشان می دهد که در آن 'Q' نشان دهنده انرژی گرمایی و 'W' نشان دهنده انرژی کار است. خط نقطه آبی رنگ خروجی فضای فشرده سازی را نشان می دهد. با پایین آمدن رد، کار روی گاز در حالی که فشرده می شود انجام می شود. در طول فرآیند انبساط سیکل، در واقع مقداری کار روی پیستون تراکمی انجام می‌شود که توسط حرکت رو به بالا ردیابی منعکس می‌شود. در پایان چرخه، این مقدار منفی است، که نشان می دهد پیستون تراکم به یک ورودی خالص کار نیاز دارد. خط جامد آبی، گرمای خروجی از مبدل حرارتی کولر را نشان می دهد. گرمای کولر و کار پیستون تراکم انرژی سیکل یکسانی دارند. این با انتقال حرارت خالص صفر بازسازی کننده (خط سبز جامد) مطابقت دارد. همانطور که انتظار می رود، بخاری و فضای انبساط هر دو دارای جریان انرژی مثبت هستند. خط نقطه چین سیاه خروجی کار خالص چرخه را نشان می دهد. در این ردیابی، چرخه بالاتر از آنچه شروع شده به پایان می رسد، نشان می دهد که موتور حرارتی انرژی حاصل از گرما را به کار تبدیل می کند.

همچنین ببینید [ ویرایش ]

• چرخه شبه استرلینگ
• موتور استرلینگ
• موتور استرلینگ با انرژی خورشیدی
• مولد رادیوایزوتوپ استرلینگ

منابع [ ویرایش ]

1. ↑ رابرت سیر (1999). موتورهای استرلینگ و کالری هوای گرم. جلد 1، تاریخ (نسخه اول (تجدیدنظر شده) ویرایش). لس آنجلس میر. شابک 0-9526417-0-4.
2. ↑ ارگان، «بازساز و موتور استرلینگ»، ص. xxii، پیش‌گفتار اوریلی
3. ↑ ارگان، «بازساز و موتور استرلینگ»، ص. 7
4. ↑ Jakob, M. (1957) Heat Transfer II John Wiley, New York, USA and Chapman and Hall, London, UK
5. ^ A. Romanelli چرخه ترمودینامیکی جایگزین برای ماشین استرلینگ ، مجله آمریکایی فیزیک 85، 926 (2017)
6. ^ a bپرش به بالا: Organ، "بازساز و موتور استرلینگ"
7. ↑ Israel Urieli (دکتر Iz)، دانشیار مهندسی مکانیک: تجزیه و تحلیل ماشین چرخه استرلینگ بایگانی شده 30/06/2010 در ماشین راه برگشت

پیوندهای خارجی [ ویرایش ]

• I. Urieli چرخه استرلینگ تجزیه و تحلیل ماشین
• چرخه چند تروپیک داخل موتور استرلینگ چرخه موتور استرلینگ

https://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_cycle