خانه / چگونه بسازیم / بیرون از خانه / آموزش ساخت : موتور استرلینگ بسازید

آموزش ساخت : موتور استرلینگ بسازید

موتور استرلینگ یک موتور حرارتی با آلایندگی بسیار پایین (صوتی و گازهای گلخانه ای) است که با منابع انرژی خارجی مختلفی کار میکند. اگر این منبع انرژی نور خورشید باشد، همین میزان کم آلایندگی به صفر میرسد. در این ساختنی طرز ساخت یک موتور استرلینگ ساده را یاد می گیرید. برای ساخت این موتور باید به ابزار برش و حکاکی فلز دسترسی داشته باشید و ترمودینامیک هم آشنایی داشته باشید. با ساختنی همراه شوید.

موتور استرلینگ بسازید
موتور استرلینگ بسازید

ساخت موتور استرلینگ کار ساده ای نیست و بیشتر یک پروژه علمی محسوب میشود؛ البته درصد سختی آن به میزان مهارت هایتان بستگی دارد. در هر صورت اگر دنبال ساخت یک موتور ساده هستید، بهتر است سراغ ساختنی های دیگر بروید.

برای اینکه ساخت موتور استرینگ برایتان ساده بشود، باید با نحوه کار و قطعات آن بیشتر آشنا بشوید. پس قبل از اینکه سراغ ساخت موتور بروید، گام های ابتدایی را مطالعه کنید.

گام اول : موتور استرلینگ چطور کار میکند؟

در سال ۱۸۱۶، یک اسکاتلندی به نام رابرت استرلینگ موتوری را به نام خود ثبت کرد که با آب گرم کار میکرد. ثبت این موتور پایان موفقیت آمیز تلاش هایی بود که برای ساده سازی موتورهای بخار انجام میشد. در واقع استرلینگ تلاش میکرد طرز کار موتور بخار را ساده کند تا استفاده از آنها هم راحت تر بشود.

موتور استرلینگ همان فرایند گرم کردن و خنک کردن بخار گاز را برای بکار میبرد؛ با این تفاوت که بجای بخار از هوا استفاده میشود و همه چیز داخل موتور انجام میشود! به این ترتیب دیگر به دیگ بخار نیازی نیست. عیلرغم سادگی و کارآمد بودن موتور استرلینگ (دست کم از لحاظ تئوری)، این موتور هیچگاه مورد استقبال زیادی قرار نگرفت و موتورهای احتراق داخلی خیلی زود جای آن را گرفتند.

طرز کار موتور استرلینگ

موتور استرلینگ برمبنای تغییرات حجمی یک سیال در اثر تغییر دما کار میکند. اگر بخواهیم دقیق تر بگوییم این تغییرات حجمی ناشی از جابجایی سیال در قسمت های سرد و گرم یک سیلندر بسته است.

در تصویر اول می بینید که اگر هوا در یک سیلندر محصور بشود و سپس در معرض گرما قرار بگیرد، فشار داخل سیلندر افزایش می یابد. یکی از کاورهای سیلندر یک پیستون سفت است که گاز در آن منبسط میشود و با افزایش حجم به ته یکی از پیستون ها میرسد.

در ساختنی بخوانید :  با مدار آژیر ساز برای خودتان یک آژیر قدرتمند بسازید !

اگر فشار داخلی همان سیلندر (در حالت انبساط) کاهی پیدا کند، حجم سیال داخل آن هم نقبض میشود و پیستون به جای اولش برمی گردد (تصویر دوم).
در تصویر سوم، فرایند اول تکرار می شود؛ با این تفاوت که یک میل لنگ به پیستون وصل میشود که چرخی را می چرخاند. افزایش فشار موجب حرکت پیستون، میل لنگ و سپس چرخ میشود. به این ترتیب تغییرات حجمی به حرکت تبدیل میشود.

وقتی فرایند دوم تکرار بشود، حرکت چرخ باعث میشود پیستون به سرعت وارد فاز خنک کنندگی بشود و فشار و حجم داخل سیلند کاهش بیابد (تصویر چهارم).

اگر فرایند سوم و چهارم کنار هم قرار بگیرند، یک موتور تک سیلندر در اثر منبسط شدن گاز بکار می افتد و در اثر انرژی حرکتی چرخ پیستون بجای اولش برمی گردد.
طرز کار موتور استرینگ ترکیبی از این چهار مرحله است. ما طرز کار موتور استرلینگ را به مراحل کوچکتر تقسیم کردیم تا تمام فرایندها را بخوبی درک کنید.

گام دوم : بررسی قطعات موتور

چرخه کامل موتور استرلینگ
چرخه کامل موتور استرلینگ

منطقه گرم

این قسمت موتور جایی است که گرما وارد آن میشود. متریالی که برای ساخت این قسمت استفاده میشود باید در مقابل خزش مقاوم باشد. خزش مواد به معنای تغییر شکل آهسته و پیوسته جامد در اثر تحمل دمای زیاد است.

منطقه سرد

این قسمت جایی است که گرما از آن بیرون کشیده میشود. بیرون کشیدن گرما به دو روش همرفت طبیعی و همرفت واداشته انجام میشود. در موتورهای استرلینگ با قرار دادن باله ها آلومینیومی گرما به سرعت پراکنده میشود. این رو کارایی چندانی ندارد و به همین خاطر باید منطقه سرد را با متریالی بسازید که هدایت حرارتی خوبی بالایی داشته باشد (مثل مس و آلومینیوم). منطقه سرد یکی از قسمت های مهم موتور استرلینگ است چون باید نیمی از گرمای وارد شده به موتور را خالی کند. در ضمن اینکار باید در کمترین درجه حرارت ممکن انجام بشود تا راندمان حرارتی موتور افزایش یابد.

ری ژنراتور

ری ژنراتور گرمای سیال درون موتور را جذب میکند و باعث افزایش سرعت و قدرت موتور استرلینگ میشود. ری ژنراتور باید به ازای هر چرخه کمترین میزان گرما را جذب کند تا زمان هر چرخه به حداقل برسد و در نتیجه سوخت کمتری برای آن استفاده بشود. جنس ری ژنراتور باید ظرفیت بالایی برای ذخیره سازی انرژی گرمایی داشته باشد. از طرفی هدایت حرارتی آن هم باید کم باشد.

در ساختنی بخوانید :  آموزش ساخت : برای کلاه دوچرخه تان کاور فومی درست کنید

بگذارید یک مثال بزنیم؛ تصور کنید دمای گاز در منطقه گرم ۱۵۰ درجه و در منطقه سرد ۳۰ درجه است. وقتی گاز از منطقه سرد وارد منطقه گرم میشود، یک ری ژنراتور ایده آل دمای گاز را به ۶۰ درجه می رساند. با این میزان کاهش حرارت، میزان گرمای کمتری برای رساندن دوباره دمای گاز به ۱۵۰ درجه نیاز است. به همین ترتیب، وقتی گاز از منطقه گرم وارد منطقه سرد موتور میشود ری ژنراتور مقداری از گرما را جذب میکند و باز هم دمای گاز را به ۶۰ درجه میرساند. رساندن گاز از ۶۰ درجه به ۳۰ درجه آسان است و روی کارایی موتور استرلینگ تاثیر منفی نمی گذارد.

می بینید که یک ری ژنراتور خوب زمان مورد نیاز برای گرم کردن و سرد کردن چندباره گاز را کاهش میدهد و در نتیجه سرعت چرخه های کار موتور استرلینگ هم بیشتر میشود.

گام سوم : بررسی موتور استرلینگ از لحاظ ترمودینامیکی

موتور استرلینگ در حالت آماده بکار سه عنصر اصلی دارد : سیلندر، پیستون و جابجا کننده سیال. در این حالت تمام گاز در منطقه سرد قرار دارد و پیستون در پایین ترین موقعیت قرار دارد.

وقتی پیستون از حالت اولیه وارد حالت دوم میشود، یک فشرده سازی ایزومتریک در پایین ترین دما انجام میشود. این فرایند در دیاگرام فشار و دمای قبلی نشان داده شد. عمل انجام شده در این فرایند به اندازه گرمای خارج شده از چرخه است.

اگر پیستون ثابت بماند و جابجا کننده حرکت کند، سیال وارد منطقه گرم میشود و یک فرایند ایزومتریک ایجاد میشود که دما را بدون تغییر حجم افزایش میدهد. در اینجا ری ژنراتور به سیال گرما وارد میکند و دمای آن را از حداقل به حداکثر میرساند (فرایند ۳-۲).

با حرکت از مرحله سوم به چهارم، پیستون و جابجا کننده پایین کشیده میشوند و یک گسترش ایزومتریک در دمای بالاتر ایجاد میشود. طی این فرایند، گرمای خارجی به سیال داده میشود.

با بازگشت لغزنده بجای اول، یک فرایند ایزومتریک دیگر این چرخه را کامل میکند و موتور استرلینگ را دقیقاً به حالت اول برمی گرداند. در این حالت موتور برای تکرار این فرایندهای چهارگانه (حالت اولیه، از دو به سه، از سه به چهار و از چهار به حالت اولیه) آماده است. در همین مرحله است که ری ژنراتور گرما را جذب میکند.

در ساختنی بخوانید :  آمپلی فایر کلاس D ساده اما قدرتمند بسازید

این چرخه استرلینگ کامل همان کارایی چرخه کارنو را دارد؛ کارایی است که معادل حداکثر توان یک موتور حرارتی بدون از دست دادن سوخت است. چرخه کارنو از یک فرایند استخراج گرمای ایزوتروپیک غیر احیاکننده استفاده میکند و دمای ری ژنراتور آن هم به اندازه چرخه استرلینگ بالاست. در این چرخه کارنو؛ یک : هیچ مکانیزمی برای جابجایی پیستون و جابجا کننده (و در نتیجه تکمیل چرخه) وجود ندارد؛ دو : رسیدن به چرخه هم دمای خالص بخاطر مکانیزم انتقال دمای متاثر از سرعت چرخه پیچیده و دشوار است. در نتیجه قدرت و کارایی آن کمتر است و نتیجه نهایی یک چرخه بیضی شکل است.

در تصاویر بالا و سایر منابع مربوط به موتور استرلینگ از اصطلاحاتی استفاده میشود که توضیح آنها خالی از لطف نیست :

  • TR : دمای منبع گرماست؛
  • TO : دمای سیال است؛
  • TH : دمای سطح دارای تماس با سیال در منطقه گرم است؛
  • TC : دمای سطح دارای تماس با سیال در منطقه سرد است.

گام چهارم : ساخت موتور استرلینگ

تمامی قطعات مورد نیاز برای ساخت موتور استرلینگ با نرم افزار سالیدورکس طراحی شده اند. بنابراین برای مشاهده و تغییر طراحی این قطعات باید با این نرم افزار آشنایی داشته باشید.

با استفاده از فایل های طراحی می توانید قطعات مختلف موتور را بسازید. در انتخاب متریال دقت کنید و ابعاد را دقیق دربیاورید. می توانید ابعاد یا جنس قطعات موتور استرلینگ را تغییر بدهید؛ البته اگر دانش کافی برای اینکار را دارید و مطمئن هستید به کارایی آن قطعه و کل سیستم آسیب نمی رسد.

یکی از مهمترین نکات در ساخت موتور استرلینگ این است که سیلندر نشتی هوا نداشته باشد. موقع مونتاژ موتور هم حواستان به تراز بودن قطعات ۲۰ (عمودی) و ۳۰ (افقی) باشد. اگر این دو قطعه تراز نباشند، قطعات ۲، ۶ و ۸ هم درست کار نخواهند کرد.

اگر موتور بلافاصله بعد از مونتاژ قطعات کار نکرد، ناامید نشوید. باید چندین بار قطعات را تنظیم کنید و به آنها روغن بزنید تا خوب حرکت کنند. بالاخره قرار است یک موتور استرلینگ بسازید و انتظار نداشته باشید بدون تلاش زیاد به نتیجه برسید.

منبع

بیشتر بخوانید:

آموزش ساخت چراغ خواب چوبی به روش ساده و ارزان... استفاده از روکش چوب برای ساخت چراغ خواب یکی از بهترین ایده هاست چون می توانید طرح های مختلفی با آن ایجاد کنید. این چراغ خواب، لوستر دیواری و لامپ دیوا...
آموزش ساخت : با کمترین وسایل فرستنده FM بسازید... آیا تابحال خواسته اید ایستگاه رادیویی خودتان را بسازید؟ در این ساختنی طرز ساخت یک فرستنده FM را یاد می گیرید که با آن می توانید یک ایستگاه رادیویی افت...
پروژه آردوینو : یک هیولا برای زیرمیز بسازید... در این ساختنی یک پروژه آردوینو جالب و متفاوت را برایتان آماده کرده ایم: هیولای زیرمیزی. این جعبه صداهای ترسناک تولید می کند و وقتی لامپ ها خاموش شوند،...
گلدان دیواری بسازید و گل هایتان را از دیوار آویزان کنید!... در این ساختنی طرز ساخت یک گلدان دیواری با وسایل و ابزار ساده را یاد می گیرید. با ساخت این گلدان می توانید گیاه های جنگلی – بخصوص پیچک – و گل هایی که ب...
آموزش ساخت : انگشتر چوبی با سنگ های تزیینی بسازید... روش های مختلفی برای ساخت حلقه و انگشتر چوبی وجود دارد. برخی از این روش های ناکارآمد هستند و برخی دیگر نیاز به ابزار حرفه ای و گران دارند. در این ساختن...
آموزش ساخت:قدرت آتش یا وسیله ای برای تولید مستقیم جریان برق از آتش!... تا به حال شده که در کمپ در جنگل و کوه نیاز به روشنایی داشته باشید یا باطری چراغ قوه شما تمام شود، شارژ گوشی تلفن همراه یا پخش کننده موسیقی رو به اتمام...

درباره عاطفه اسدزاده

عاطفه اسدزاده

عاطفه اسدزاده،یکی از نویسندگان وبسایت ساختنی است.

پیشنهاد می کنیم

با کمترین هزینه دانخوری اتوماتیک و پدالی بسازید

دانخوری اتوماتیک یکی از وسایلی است که نگه داری پرنده ها را ساده تر می …

یک دیدگاه

  1. با سلام

    در مورد این مطلب جالب موتور استرلینگ خیلی خوشحال شدم .
    ای کاش عزیزانی که این ویدئو و آموزش رو ساختند یک ویدئو هم در مورد استرلینگ چهار سیلندر می ساختند .
    سوالی هم برام پیش اومده برای گاز داخل سیلندر از چه گاز هایی می شه استفاده کرد ؟
    آیا از گازهایی با دمای جوش بسیار پایین هم میشه استفاده کرد یا خیر ؟
    ممنون میشم جواب بدین

    با تشکر

پاسخ دهید