ماشین گرمایی برون سوز: موتوری که بیرون میسوزاند!
ماشین گرمایی چیست و برونسوز چه تفاوتی دارد؟
یک ماشین گرمایی وسیلهای است که انرژی گرمایی را به کار مکانیکی مفید تبدیل میکند. تقریباً تمام موتورهایی که ما میشناسیم، مانند موتور خودرو یا موتور هواپیما، از این خانواده هستند. اما روش تولید این گرما نقطهی تفاوت اصلی است.
در موتورهای رایج درونسوز۲ (مانند موتور بنزینی خودروی شما)، سوخت مستقیماً در داخل سیلندر و در مجاورت هوا میسوزد. انفجار حاصل، پیستون را به حرکت درمیآورد. اما در یک موتور برونسوز، سوخت در یک کوره یا محفظهی جداگانه سوزانده میشود. حرارت تولید شده، ابتدا یک سیال واسطه (معمولاً آب یا هوا) را گرم میکند. سپس این سیال داغ به بخش اصلی موتور (مثل سیلندرها یا یک توربین) وارد شده و باعث انجام کار میشود.
| ویژگی | موتور برونسوز (External Combustion) | موتور درونسوز (Internal Combustion) |
|---|---|---|
| محل احتراق | خارج از محفظهٔ کاری موتور (کورهٔ جداگانه) | در داخل محفظهٔ کاری موتور (سیلندر) |
| سیال عامل۳ | آب/بخار، هوا، گازهای دیگر (مانند هلیوم) | مخلوط سوخت و هوا (بخار بنزین، گازوییل) |
| سوخت قابل استفاده | انعطافپذیر (زغالسنگ، چوب، روغن، انرژی خورشیدی، انرژی هستهای) | محدودتر (عمدتاً سوختهای مایع و گازی با درجه خلوص بالا) |
| آلودگی صوتی | معمولاً کمتر (به دلیل جدایی محفظه احتراق) | بیشتر (انفجار مستقیم در سیلندر) |
| مثال معروف | لوکوموتیو بخار، نیروگاههای زغالسنگی، موتور استرلینگ | موتور خودرو، موتور موتورسیکلت، موتور جت |
اصول ترمودینامیکی: سیکل۴ کار این موتورها چگونه است؟
تمام ماشینهای گرمایی بر اساس سیکلهای ترمودینامیکی کار میکنند. یک سیکل، مجموعهای از فرآیندهای تراکم، انبساط، گرمایش و سرمایش است که در پایان، سیال عامل به حالت اولیه خود بازمیگردد. در موتورهای برونسوز، دو سیکل بسیار معروف وجود دارد:
۱. سیکل رانکین۵ (برای موتورهای بخار): این سیکل قلب نیروگاههای بخار و لوکوموتیوهای قدیمی است. آب تحت فشار در یک دیگ بخار (بویلر) گرم و به بخار با فشار و دمای بالا تبدیل میشود. این بخار به یک توربین یا پیستون برخورد کرده و آن را میچرخاند (انبساط و تولید کار). سپس بخار خروجی در یک کندانسور خنک شده و دوباره به آب تبدیل میشود تا به بویلر بازگردد. این چرخه تکرار میشود.
$\eta = \frac{W}{Q_H} = 1 - \frac{Q_C}{Q_H}$
که در آن $W$ کار خروجی، $Q_H$ گرمای دریافتشده از منبع داغ و $Q_C$ گرمای دفعشده به منبع سرد است. هرچه اختلاف دمای منبع گرم و سرد بیشتر باشد، بازده بالقوه موتور بیشتر است.
۲. سیکل استرلینگ۶: این سیکل برای موتورهای استرلینگ به کار میرود که از یک گاز ثابت (مانند هوا یا هلیوم) به عنوان سیال عامل استفاده میکنند. در این موتور، گاز بین دو بخش گرم و سرد به طور متناوب جابهجا میشود. گرم شدن و سرد شدن متناوب گاز باعث انبساط و انقباض آن شده و پیستون را به حرکت درمیآورد. جالب است که منبع گرمایی میتواند هر چیزی باشد: آتش، نور خورشید، یا حتی حرارت دست شما!
سیر تاریخی: از انقلاب صنعتی تا فناوریهای فضایی
اختراع و بهبود موتورهای بخار برونسوز، یکی از محرکهای اصلی انقلاب صنعتی در قرن ۱۸ و ۱۹ بود. این موتورها امکان استفاده از انرژی انباشته شده در زغالسنگ را برای به حرکت درآوردن ماشینآلات کارخانهها، قطارها و کشتیها فراهم کردند. نامهایی مانند توماس نیوکامن و جیمز وات به طور جداییناپذیری با توسعه این فناوری گره خوردهاند.
با ظهور موتورهای درونسوز که کارآمدتر، سبکتر و سریعالتعریف بودند، استفاده از موتورهای بخار در وسایل نقلیه عمومی کاهش یافت. اما این به معنای پایان کار موتورهای برونسوز نبود. آنها در قالبهای جدید و با کارایی بالاتر، به حیات خود ادامه دادند:
- نیروگاههای تولید برق: اعم از زغالسنگی، هستهای، خورشیدی متمرکز و حتی زمینگرمایی، عمدتاً بر اساس سیکل رانکین و استفاده از توربینهای بخار کار میکنند. در نیروگاه هستهای، راکتور نقش کوره را بازی میکند و آب را به بخار تبدیل مینماید.
- موتورهای استرلینگ: این موتورها به دلیل سادگی، بیصدا بودن و توانایی کار با منابع گرمایی متنوع، در کاربردهای خاصی مانند زیردریاییهای بیصدا، تولید برق در فضا (با استفاده از رادیوایزوتوپهای گرمازا) و حتی در یخچالهای استرلینگ استفاده میشوند.
موتور استرلینگ: یک برونسوز همهفنحریف و جذاب
موتور استرلینگ نمونهای عالی و قابل درک از یک موتور برونسوز است که میتوان حتی یک مدل کوچک آموزشی از آن ساخت. اساس کار آن بر پایه گرم و سرد شدن متناوب یک گاز درون یک سیلندر بسته است.
مزیت بزرگ موتور استرلینگ این است که به یک مشعل یا کوره اختصاصی پیچیده نیاز ندارد. کافی است یک سمت آن گرم و سمت دیگر آن سرد نگه داشته شود. از این رو میتواند با حرارت خورشید، زیستتوده (مانند چوب) یا حتی تفاوت دمای آب دریا در اعماق مختلف کار کند.
| نوع موتور/سیکل | سیال عامل | کاربردهای عملی | وضعیت |
|---|---|---|---|
| موتور بخار (سیکل رانکین) | آب/بخار | نیروگاههای زغالسنگی، هستهای و خورشیدی متمرکز؛ لوکوموتیوهای تاریخی | پرکاربرد در مقیاس بزرگ |
| موتور استرلینگ (سیکل استرلینگ) | هوا، هلیوم، هیدروژن | ژنراتورهای کمصدا، کاربردهای فضایی و نظامی، مدلهای آموزشی | کاربردهای تخصصی و در حال تحقیق |
| توربین گازی با چرخه بسته۷ | هلیوم یا دی اکسید کربن | نیروگاههای هستهای نسل جدید، بازیابی انرژی از گرمای اتلافی | تحقیقاتی و توسعهای |
نقش کلیدی در تولید برق پایهای و انرژیهای نو
شاید مهمترین کاربرد مدرن موتورهای برونسوز، تولید برق در مقیاس صنعتی باشد. در یک نیروگاه حرارتی (چه با سوخت فسیلی و چه هستهای)، قلب فرآیند یک توربین بخار است که بر اساس سیکل رانکین کار میکند. گرمای تولید شده در کوره یا راکتور، آب را در دیگهای بخار عظیم به بخار فوقداغ تبدیل میکند. این بخار با فشار بالا به پرههای توربین برخورد کرده و آن را با سرعت بسیار بالا میچرخاند. این چرخش به یک ژنراتور متصل است و برق تولید میکند.
حتی در انرژی خورشیدی متمرکز (CSP)، از آینهها برای متمرکز کردن نور خورشید و گرم کردن یک سیال (مانند نمک مذاب) استفاده میشود. سپس این سیال داغ، آب را به بخار تبدیل میکند و بقیه ماجرا مانند یک نیروگاه بخار معمولی است. اینجا، خورشید نقش کوره برونسوز را ایفا میکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. اگرچه در وسایل نقلیه شخصی جای خود را به موتورهای درونسوز دادهاند، اما در تولید برق پایهای (هستهای، زغالسنگی) و کاربردهای خاص (مانند زیردریایی، فضا)، فناوریهای مبتنی بر اصول برونسوز همچنان حیاتی و پیشرو هستند. بسیاری از تحقیقات برای استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر نیز حول محور بهبود این سیکلها میچرخد.
پاسخ:بازده تبدیل انرژی و سرعت پاسخگویی. به دلیل جدایی محل احتراق و نیاز به گرم کردن یک سیال واسطه، این موتورها معمولاً نسبت به موتورهای درونسوز، کندتر راه میافتند و بازده کلی آنها (به خصوص در مقیاس کوچک) ممکن است کمتر باشد. همچنین تجهیزات آنها مانند دیگ بخار و کندانسور، حجیم و سنگین است.
پاسخ: خیر، این یک اشتباه رایج است. دیگ بخار (بویلر) فقط یک بخش از سیستم موتور برونسوز است. وظیفه آن تبدیل آب به بخار با استفاده از گرمای خارجی است. موتور کامل، مجموعهای است از بویلر، ماشین بخار (یا توربین) و کندانسور که با هم یک سیکل ترمودینامیکی را تشکیل میدهند.
پاورقی
۱ برونسوز: معادل External Combustion. به موتورهایی اطلاق میشود که فرآیند احتراق سوخت در خارج از محفظه اصلی انجام کار (مانند سیلندر) صورت میگیرد.
۲ درونسوز: معادل Internal Combustion Engine (ICE). موتورهایی که احتراق سوخت مستقیماً در داخل محفظه بسته (سیلندر) رخ داده و گازهای حاصل مستقیماً روی پیستون اثر میگذارند.
۳ سیال عامل (Working Fluid): مادهای (گاز یا مایع) که در یک سیکل ترمودینامیکی، گرما را دریافت کرده، منبسط شده و کار تولید میکند و سپس گرما دفع مینماید.
۴ سیکل (Cycle): در ترمودینامیک، به دنبالهای از فرآیندها گفته میشود که در پایان، سیستم به حالت اولیه خود بازمیگردد.
۵ سیکل رانکین (Rankine Cycle): سیکل ترمودینامیکی ایدهآل برای توصیف عملکرد موتورهای بخار.
۶ سیکل استرلینگ (Stirling Cycle): سیکل ترمودینامیکی برگشتپذیر که شامل دو فرآیند همدما و دو فرآیند همحجم است و پایه کار موتورهای استرلینگ میباشد.
۷ چرخه بسته (Closed Cycle): در این نوع توربین گازی، سیال عامل در یک حلقه بسته گردش میکند و با منبع گرمایی خارجی (مثلاً یک راکتور هستهای) از طریق یک مبدل حرارتی، گرم میشود.
