Ngayon ay pag-uusapan natin ang tungkol sa isang uri ng makina na naiiba sa karaniwang ginagamit na internal combustion engine. Karaniwang ginagamit ng mga sasakyan ang mga makinang pinapagana ng fossil fuels na ang kahusayan ay karaniwang hindi masyadong mataas. Sa kasong ito, ipinakita namin sa iyo ang Stirling engine. Ang ganitong uri ng makina ay nag-aalok ng makabuluhang mas mahusay na kahusayan kaysa sa gasolina o diesel na mga makina at ito ay palakaibigan din sa kapaligiran.
Sa artikulong ito, tuklasin natin ang mga pangunahing tampok ng Stirling engine, kung paano ito gumagana at kung ano ang mga pangunahing pakinabang at kawalan nito. Susuriin din natin ang ilan sa mga pinakakaraniwang gamit ng makinang ito, na maaaring gumanap ng mahalagang papel sa paglipat ng enerhiya.
Ang Stirling engine
Ang Stirling engine ay isang uri ng external combustion engine na gumagamit ng pressure na nabuo ng isang gas na pinainit at pinalamig, sa halip na panloob na pagkasunog kung saan sinusunog ang mga gasolina. Ito ay isang imbensyon na itinayo noong 1816, nang ito ay idinisenyo at na-patent ng Scottish reverend. Robert Stirling. Inilaan bilang isang mas ligtas na alternatibo sa steam engine na nangibabaw sa panahon, ang Stirling ay nag-aalok ng higit na kahusayan at kaligtasan salamat sa simpleng konstruksyon nito.
Bagama't nahirapan itong itatag ang sarili nito sa mga malalaking aplikasyon dahil sa mga teknikal at pang-ekonomiyang limitasyon, nananatili itong napaka-kaugnay sa ilang mga sektor, pangunahin dahil sa tahimik na operasyon at ang kakayahan nitong makabuo ng enerhiya mula sa iba't ibang mapagkukunan, kabilang ang nababagong enerhiya.
Sa kasalukuyan, ang paggamit nito ay nakatuon sa mga submarino at pagbuo ng kuryente, lalo na sa mga solar plant, kung saan sinasamantala ng mga Stirling engine ang init ng araw upang makabuo ng enerhiya nang mahusay. Sa susunod na mga seksyon, tutuklasin namin ang higit pang mga detalye tungkol sa pagpapatakbo at mga aplikasyon nito.
Pagpapatakbo ng makina ng Stirling
Ang Stirling engine ay sumusunod sa isang thermodynamic cycle na kilala bilang Stirling cycle, na binubuo ng apat na pangunahing yugto: heating, expansion, cooling at compression. Hindi tulad ng mga internal combustion engine, sa Stirling engine, ang gas ay nananatiling selyadong sa loob ng system, na nangangahulugang walang polluting emissions, tulad ng carbon dioxide o mga nakakalason na gas, ang ilalabas. Ginagawa nitong isang kaakit-akit na opsyon mula sa isang ekolohikal na pananaw.
Mga pangunahing prinsipyo ng pagpapatakbo: Ang Stirling cycle ay batay sa dalawang pangunahing prinsipyo:
- Ang presyon sa loob ng isang gas ay tumataas kapag ang temperatura nito ay tumaas sa isang closed volume.
- Ang compression ng isang gas sa isang pare-parehong dami ay nagpapataas din ng temperatura nito.
Ang mga prinsipyong ito ay inilalapat sa pamamagitan ng dalawang silid, isang mainit at isang malamig, na naglalaman ng gumaganang gas (na maaaring helium, hydrogen, nitrogen o kahit na hangin). Ang gas ay gumagalaw sa pagitan ng parehong mga silid, na nagiging sanhi ng mga pagkakaiba-iba sa presyon na nagtutulak sa mga piston.
Ang proseso ay nagsisimula sa pamamagitan ng pag-init ng gas sa isang mainit na silindro. Kapag pinainit, lumalawak ang gas at itinutulak ang piston pababa. Ang mainit na gas ay inililipat sa isang malamig na silid, kung saan ito lumalamig at bumababa ang presyon nito na nagpapahintulot na muli itong ma-compress. Ito ay bumubuo ng paikot na paggalaw ng mga piston at nagko-convert ng thermal energy sa mekanikal na enerhiya na kapaki-pakinabang para sa pagbuo ng kuryente o paglipat ng sasakyan.
Stirling bahagi ng makina
Ang Stirling engine ay binubuo ng ilang mahahalagang bahagi na nagtutulungan upang maisagawa ang cycle ng conversion ng enerhiya:
- Ang displacer cylinder: Responsable para sa paglipat ng gas sa pagitan ng mainit at malamig na pokus.
- kapangyarihan ng piston: Converter ng thermal energy ng gas tungo sa mekanikal na gawain na maaaring magamit upang ilipat ang isang makina.
- Ang regenerator: Isang heat exchanger na sumisipsip ng init mula sa gas kapag ito ay nasa cooling phase at ibinabalik ito kapag ang gas ay pinainit muli. Nakakatulong ito na mapabuti ang kahusayan ng cycle.
- Ang burner o pinagmumulan ng init: Nagbibigay ito ng thermal energy na kinakailangan upang mapainit ang gas.
- Flywheel: Ito ay gumaganap bilang isang stabilizer na nagpapanatili ng isang pare-parehong rotary motion, mahalaga para sa patuloy na operasyon ng engine.
- Crankshaft: Converter ng linear motion ng piston sa rotary motion.
Sa susunod na seksyon, idedetalye namin ang bawat yugto ng ikot ng pagpapatakbo ng engine upang maunawaan kung paano nagtutulungan ang mga bahaging ito upang makabuo ng mekanikal na gawain.
Mga yugto ng ikot ng makina ng Stirling
Ang operating cycle ng Stirling engine ay binubuo ng sumusunod na apat na yugto:
- Pagpapalawak ng mainit na gas: Inilapat ang init sa isang bahagi ng gas sa mainit na silindro, na nagiging sanhi ng pagpapalawak. Itinutulak ng mainit na gas ang piston pababa, nagsasagawa ng mekanikal na gawain.
- Ilipat sa malamig na silindro: Ang mainit na gas ay inililipat sa malamig na silindro, kung saan ito ay mabilis na pinalamig.
- Malamig na gas compression: Ang malamig na gas ay na-compress kapag tumaas ang piston, na nag-aalis ng ilan sa init na natamo nito sa yugto ng pagpapalawak.
- Bumalik sa mainit na silindro: Ang compressed gas ay bumalik sa mainit na silindro kung saan ang proseso ay paulit-ulit.
Mga kalamangan ng Stirling engine
Ang Stirling engine ay may maraming mga pakinabang kaysa sa panloob na combustion engine:
- Tahimik na operasyon: Dahil walang panloob na pagkasunog, ang Stirling engine ay gumagana nang napakatahimik, na ginagawa itong perpekto para sa mga application na sensitibo sa ingay tulad ng mga submarino o mga de-koryenteng generator sa mga urban na lugar.
- Mataas na kahusayan: Ang kakayahan nitong samantalahin ang maraming panlabas na pinagmumulan ng init at ang mahusay nitong disenyo ay nagbibigay-daan dito upang makamit ang pagganap na malapit sa Carnot cycle. Sa mga aplikasyon tulad ng pagsasama-sama, ang kahusayan na ito ay napakahalaga.
- Kakayahang umangkop sa mga pinagmumulan ng init: Maaaring tumakbo ang Stirling engine sa iba't ibang pinagmumulan ng init, mula sa mga fossil fuel hanggang sa ganap na malinis na enerhiya tulad ng solar energy.
- Mababang epekto sa kapaligiran: Ang katotohanan na ang gas ay selyado ay nangangahulugan na hindi ito naglalabas ng mga polluting gas, na ginagawa itong isang napaka-ekolohikal na opsyon.
- Pinababang pagpapanatili: Dahil sa simpleng disenyo nito at kawalan ng panloob na pagsabog, ang Stirling engine ay nangangailangan ng medyo kaunting maintenance kumpara sa mga tradisyonal na internal combustion na teknolohiya.
- Mahabang buhay na kapaki-pakinabang: Ang matatag na disenyo at pagiging simple ng system ay nagbibigay-daan sa mga makina ng Stirling na magkaroon ng mas mahabang buhay, na nagbibigay sa kanila ng malaking halaga sa mga pangmatagalang aplikasyon.
- Kakayahang magbago: Mula sa mga submarino, hanggang sa mga solar power generator, hanggang sa mga cogeneration system, ang Stirling engine ay may malawak na hanay ng mga aplikasyon, na ginagawa itong isang kapaki-pakinabang na tool para sa maraming industriya.
Mga disadvantages ng Stirling engine
Sa kabila ng maraming pakinabang nito, ang Stirling engine ay mayroon ding ilang mga disadvantages na nagpabagal sa mass adoption nito:
- Mataas na paunang gastos: Ang pagtatayo ng isang Stirling engine, kasama ang mga heat exchanger nito at mga partikular na materyales upang makayanan ang presyon at temperatura, ay mahal, na naglilimita sa pagiging mapagkumpitensya nito sa paggalang sa iba pang mga teknolohiya.
- Kakulangan ng katanyagan: Bagama't ang mga tampok nito ay kahanga-hanga, ang kakulangan ng pangkalahatang kaalaman tungkol sa Stirling engine ay naging hadlang sa malawakang paggamit nito.
- Mga problema sa pagbubuklod: Ang pag-iingat ng gumaganang gas ay maaaring maging kumplikado, lalo na sa mga makina na gumagana sa mataas na presyon, na nakakaapekto sa kanilang pagganap at tibay.
- Laki at timbang: Ang mga stirling engine ay karaniwang mas malaki kumpara sa mga internal combustion engine na may katulad na kapangyarihan dahil sa pangangailangan para sa mas malalaking heat exchanger.
- Limitadong oras ng pagtugon: Bagama't mahusay para sa patuloy na paggamit ng kuryente, ang Stirling engine ay hindi angkop para sa mga system na nangangailangan ng mabilis na pagbabago sa kapangyarihan, tulad ng mga sasakyan.
Stirling engine application
Ang Stirling engine ay nakahanap ng mga aplikasyon sa ilang mga pangunahing lugar. Kabilang sa mga pinaka-kilala ay:
- Pagbuo ng solar energy: Sa maaraw na lugar, ang Stirling engine ay maaaring gumamit ng concentrated solar energy upang makabuo ng kuryente na may mataas na antas ng kahusayan. Ipinakita ng mga eksperimental na halaman na ang teknolohiyang ito ay maaaring maging lubos na mapagkumpitensya kumpara sa iba pang nababagong mapagkukunan ng enerhiya.
- Pagpapaandar ng submarino: Dahil sa tahimik na operasyon nito at kawalan ng hangin para sa pagkasunog, ang Stirling engine ay ginamit sa mga submarino para sa mahabang misyon sa ilalim ng dagat.
- Pagbomba ng tubig: Sa mga rural na lugar, kung saan ang kakulangan ng kuryente ay maaaring maging problema, ang Stirling engine ay ginamit para sa pumping ng tubig salamat sa kakayahang tumakbo sa biomass o mga nalalabi sa pananim bilang pinagmumulan ng init.
- Mga aplikasyon sa industriya: Ang makina ng Stirling ay pinag-eeksperimento rin sa mga pang-industriyang aplikasyon bilang mga auxiliary power generator sa mga plantang pang-industriya na maaaring samantalahin ang basurang init mula sa mga prosesong pang-industriya.
- Refrigeration: Sa pamamagitan ng pag-reverse ng thermodynamic cycle, ang mga Stirling engine ay maaaring gamitin para sa cryogenic cooling, na umaabot sa napakababang temperatura.
Ang Stirling engine ay namumukod-tangi para sa kanyang versatility at mataas na kahusayan sa mga espesyal na application na nangangailangan ng patuloy na operasyon at mababang emisyon. Sa kabila ng mga limitasyon nito, ito ay isang teknolohiya na may malaking potensyal para sa hinaharap, lalo na tungkol sa pagbabawas ng carbon footprint at pagsasama sa renewable energy sources.