سرمایش گرمایی: چیلر جذبی یا موتور استرلینگ!

همواره سرمایش گرمایی در ذهن اهل فن با چیلرهای جذبی قرین بوده و کم‌ تر متخصصی در زمینه تهویه مطبوع است که با شنیدن سرمایش گرمایی یا تولید سرما از گرما، چیلر جذبی را به یاد نیاورد. هر چند که در حال حاضر مرسوم‌ ترین تجهیز برای تولید سرما از گرما مخصوصا در تهویه مطبوع چیلرهای جذبی هستند اما به نظر می‌ رسد که موتورهای استرلینگ با قابلیت بالایی که دارند بتوانند در آینده خود را به عنوان یک رقیب جدی مطرح کنند.

موتور استرلینگ یک موتور برونسوز است که در یک چرخه بسته ترمودینامیکی بازیابی، با تراکم و انبساط متناوب سیال عامل بین دو سطح دمایی متفاوت کار می‌ کند. به تعبیری دیگر موتور استرلینگ یک ماشین مکانیکی است که در آن از سیال‌ های تراکم پذیر مانند هوا، هیدروژن، هلیوم و … به عنوان سیال عامل استفاده می‌ شود. در واقع در موتور استرلینگ تنها با فراهم نمودن یک منبع گرمایی (با توجه به برونسوز بودن) می‌ توان کار تولید کرد.

همان‌ طور که در شکل 1 دیده می‌ شود چرخه استرلینگ از چهار فرآیند تراکم هم‌ دما[1]، انبساط هم‌ دما، جذب گرمای حجم ثابت (هم‌ حجم)[2] و دفع گرمای حجم ثابت تشکیل شده ­است. یک موتور استرلینگ شامل دو پیستون متقابل و یک بازیاب در میان آن‌ ها است.

[1] Isothermal

[2] (Isochoric constant volume)

      

شکل 1. چرخه استرلینگ ایده‌ آل در دو نمودار P-V و T-S

چرخه استرلینگ یکی از دو چرخه‌ ای است که از نظر تئوری می­ تواند به بازده کارنو برسد به همین دلیل همواره مورد توجه بوده است. موتورهای استرلینگ به راحتی با منابع انرژی دما پایین کار کرده و می‌ توانند به عنوان یک گزینه مناسب برای بهره بردن از انرژی اتلافی برای تولید برق، حرکت و سرمایش مطرح باشند. هر چند موتورهای استرلینگ در گذشته و امروزه کاربردهای زیادی در زمینه موارد مختلفی داشته‌ اند اما در این مقاله به توضیحاتی در مورد کاربرد آن‌ ها در تولید سرمایش پرداخته می‌ شود. البته پیش از پرداختن به این موضوع بعضی از کاربردهای دیگر موتور استرلینگ به صورت مختصر و موردی در زیر ارائه شده است.

استفاده به عنوان نیروی محرکه زیر دریایی‌ ها، تولید برق از انرژی خورشیدی، ساخت پمپ خورشیدی، موتور انواع خودروها (در دهه‌ های گذشته و قبل از سلطه موتورهای احتراق داخلی)، کاربردهای فضایی، سیستم تولید هم زمان خانگی، خنک کاری تراشه‌ های کامپیوتری، فن‌ ها (دهه 1880 تا دهه 1930)، رادیوها (دهه 1930)، دوچرخه‌ ها و … 

کرایوکولرهای استرلینگ

وقتی چرخه کارنو معکوس شود به یک چرخه پایه­ ای تبرید (سرمایش) تبدیل می ­شود. به طور مشابه چرخه استرلینگ را می ­توان معکوس کرد و این اصلی است که پشت کرایوکولرهای استرلینگ[1] وجود دارد. اگرچه موتور استرلینگ در سال 1816 اختراع شد اما این چرخه به عنوان یک چرخه سرمایش تا سال 1834 وقتی که جان هرشل[2] یک موتور استرلینگ با چرخه بسته را برای تولید یخ به کار برد، مطرح نشد. اولین کرایوکولر­ها با چرخه استرلینگ در کمپانی فیلیپس[3] در دهه 1950 توسعه داده و به عنوان واحد های تولید نیتروژن مایع تجاری شدند.

[1] Stirling cryocoolers

[2] John Hershel

[3] Philips

شکل 2. کرایوکولر یک مرحله ­ای استرلینگ رایتئون[1]. به ازای 120 وات توان ورودی  4 وات تبرید در دمای 60 درجه کلوین تولید می ­کند.

[1] Raytheon stirling one-stage cryocooler

شکل 3. شماتیک یک کرایوکولر و قسمت‌ های مختلف آن

کرایوکولر های استرلینگ در زمینه­ های دفاعی و هوا فضا کاربردهای زیادی پیدا کرده ­اند. این کرایوکولر ها به طور گسترده در ماهوار های تصویر برداری گرمایی[1] برای تولید دماهای پایین برای بهبود سیگنال به نسبت صدا استفاده می‌ شوند. این کرایوکولر ها به خاطر توانایی آن­ ها در تولید دماهای پایین با ارتعاشات حداقل و عمر بالا در خیلی از کاربردها ترجیح داده می ­شوند. به تازگی توجه زیادی به کرایوکولر های استرلینگ شده­ است چرا که این کرایوکولر ها می­توانند با سیال عامل ­هایی مانند هلیوم و هیدروژن دماهای پایینی تولید نمایند در حالی که سیستم ­ها تبرید تراکمی بخار از سیال عامل ­هایی استفاده می­ کنند که برای اتمسفر زیان­ بار هستند.

موتور استرلینگ دوتایی     

موتور استرلینگ دوتایی[2] یک نسخه محبوب از موتور استرلینگ می‌ باشد که می‌ تواند به عنوان یک ماشین سرمایش گرمایی[3] است، یعنی گرما گرفته و بدون هیچ اثر دیگری یک دمای پایین ایجاد می ­کند.

[1] Thermal imaging satellites

[2] Duplex stirling engine

[3] Heat driven cooling machine

شکل 4. شماتیکی از یک موتور استرلینگ دوتایی (پمپ گرمایی استرلینگ[1] و موتور گرمایی استرلینگ[2])

[1] Stirling Heat engine

[2] Stirling Heat pump

اساسا موتور استرلینگ دوتایی شامل یک موتور استرلینگ پیستون آزاد (نیمه بالایی) کوپل شده به یک کرایوکولر استرلینگ (نیمه پایینی) می ­باشد. موتور استرلینگ از منبع گرما، گرما گرفته و با تولید کارنیروی محرک کرایوکولر را فراهم می­ کند. این نوع موتور یک موتور امید بخش است که با طراحی درست می­تواند به عنوان یک یخچال قابل حمل[1] استفاده شود.

پیش‌ بینی می‌ شود که با توجه به مزایای بسیار زیادی که موتورهای استرلینگ ایجاد می‌ کنند در کنار تمام کاربردهای دیگر در صنایع تهویه مطبوعی نیز مورد استفاده قرار گیرند. در ادامه به صورت موردی کاربردها و مزایای این موتورها ارائه شده‌ اند.

نقاط قوت:
  1. کار با هر منبع نوع گرمایی در دسترس؛

  2. کار بر اساس یک چرخه بسته و بهره بردن از سیال عامل همگن[2] و غیرآلوده[3]؛

  3. کاهش مقدار آلاینده ­ها با توجه به وجود احتراق پیوسته؛

  4. ساده‌ تر و کم‌ صدا تر بودن نسبت به موتورهای احتراق داخلی؛

  5. کار در در فشارهای نسبتا پایین ­تر و ایمنی بالاتر؛

  6. امکان ساخت نمونه‌ های مینیاتوری و کوچک؛

  7. بازدهی بالاتر نسبت به انواع مشابه؛

  8. انعطاف‌ پذیری بالاتر و …

البته در کنار این موارد، موتورهای استرلینگ ضعف‌ هایی هم دارند که تا به حال مانع از افزایش کاربردهای آن‌ ها شده است.

نقاظ ضعف:
  1. توان خروجی ویژه پایین ­تر و یا به عبارتی نسبت توان به وزن پایین؛

  2. هزینه ساخت بالاتر؛

  3. دشواری درزبندی و وابستگی بازدهی به منابع دمایی؛

  4. خودآغازگر نبودن؛.

  5. زمان پاسخ زیاد و دشواری در تغییر قدرت خروجی. 

[1] Portable

[2] Homogeneous

[3] Unpolluted

Device rotate

لطفاً برای تجربه کاربری بهتر دستگاه خود را ۹۰ درجه بچرخانید.