מנוע סטרלינג
מנוע סטרלינג (באנגלית: Stirling engine) הוא מנוע בעירה חיצונית שהומצא ב-1816 על ידי רוברט סטרלינג. המנוע פועל על בסיס מעגל סטרלינג שמנצל אנרגיה ממקור חום חיצוני על מנת להפיק עבודה מכנית. מנוע סטרלינג בסיסי מבוסס על צילינדר המכיל גז או אוויר ושתי בוכנות שאוטמות את הגז בצילינדר. מחזור פעולת המנוע הבסיסי מורכב מכך שבתחילה מקור החום החיצוני מחמם את הגז ובכך מגביר את הלחץ המופעל על הבוכנה הראשונה וגורם לעלייתה. לאחר מכן, מתפשט הגז החם לאזור בטמפרטורה נמוכה, שבו נמצאת הבוכנה השנייה, ובכך מוקטן הלחץ בתוך הצילינדר ומאפשר לבוכנה הראשנה לשוב למקומה הקודם, בעקבות תזוזת זו השנייה.
מבנה המנוע ואופן פעולתו
[עריכת קוד מקור | עריכה]
תהליך העבודה במנוע מתאפיין בשינויים איזוכורים ואיזותרמים. בשלב החימום - נשאר הנפח קבוע (תהליך איזוכורי) ובשלב ההתפשטות, נשארת הטמפרטורה קבועה (איזותרמי).
מקור החום המניע מנועי סטרלינג מגוון וכולל לדוגמה דלק, אנרגיה סולארית ואנרגיה גאותרמית. לעומת זאת קירור האזור הקר במנוע, מבוצע לרוב על באופן אוטומטי באמצעות שימוש בצלעות קירור המורכבות על הצילינדר.
קיימות שתי צורות בסיסיות למנוע הסטרלינג:
מנוע דו-צילינדרי
[עריכת קוד מקור | עריכה]מנוע המורכב מזוג צילינדרים המחוברים ביניהם, שבכל אחד מהם נמצאת בוכנה נפרדת. בעוד שאחד מהצילינדרים מחומם על ידי מקור חום, השני דווקא מקורר.
אופן פעולתו מבוסס על ארבעה שלבים:
- דחיסה איזותרמית - האוויר שבצילינדר הקר נדחס על ידי הבוכנה הנמצאת שם, והוא אינו מתחמם מפני שהאזור בו הוא נמצא בשלב זה, נמצא בטמפרטורה נמוכה, הנשמרת על ידי מקור חיצוני.
- חימום בנפח קבוע - הבוכנה הקרה ממשיכה לדחוף את האוויר עד שהוא נדחף אל הצילינדר החם, שם הוא דוחף את הבוכנה השנייה. בשלב זה סך כל נפח האוויר בשתי הבוכנות נשאר קבוע, אולם הטמפטורה והלחץ שלו עולים.
- התפשטות איזותרמית - בעקבות ההתחממות האוויר בצילינדר החם ועליית הלחץ שלו, הוא מתפשט בחלל וגורם לדחיפת הבוכנה שנמצאת שם. כעת האוויר אינו מתקרר, מפני שהצילינדר מחומם על ידי מקור חיצוני.
- קירור בנפח קבוע - כעת האוויר עובר דרך לצילינדר הקר ומתקרר. נפח האוויר בשני הצילינדרים נשאר קבוע (קטן בצילינדר החם וגדול בקר). בשלב זה הלחץ של האוויר יורד.
למנוע דו צילינדרי יש שתי גרסאות דומות: מנוע סטרלינג אלפא שבו הצילינדרים מחוברים ביניהם באמצעות רגנרטור (אנ') מצידם העליון שרחוק יותר מהגלגל, ו-מנוע סטרלינג גמא שבו הם מחוברים בחלקם התחתון ללא רנגטור.
מנוע חד-צילינדרי
[עריכת קוד מקור | עריכה]מנוע הכולל צילינדר אחד שמכונה מנוע סטרלינג בטא, שבתוכו נמצאות שתי בוכנות. אופן הפעולה של מנוע זה הוא מאוד דומה למנוע דו-צילינדרי, אלא שהצילינדר האחד מחולק לשני אזורים. החלק העליון, שרחוק יותר מהגלגל מחומם על ידי מקור חיצוני, והחלק התחתון, מקורר. הבוכנה העליונה עוברת בתוך התחתונה, בעוד התחתונה היא זו שאוטמת את הצילינדר מפני דליפת האוויר. כמו כן, במנוע שבנוי בצורה זו, הרגנרטור אינו קיים.
שימושים
[עריכת קוד מקור | עריכה]מנועי סטרלינג הם בעלי יחס גרוע של תפוקת כוח יחסית למשקל המנוע, ובנוסף נדרשים חומרים יקרים יחסית המסוגלים לעמוד בעומס החום הקבוע - להבדיל ממנוע בעירה פנימית שעומס החום בו מוגבל לשיאים של מאיות שנייה. בשל מגבלות אלו מנועי סטרלינג נמצאים בשימוש רק ביישומים מיוחדים.
קיימים גם מנועי סטרלינג זעירים הפועלים בטמפרטורות נמוכות שתפקידם העיקרי הוא סילוק חום, למשל ממערכות אלקטרוניות[1]. כמו כן, קיימים גם מנועים כאלו, המופעלים באמצעות האנרגיה הנוצרת מחום כף היד, כשהמנוע מונח עליה.
אחד השימושים במנועי סטרלינג הוא כמנוע עזר בצוללות. המנוע בשימוש בצי הצוללות של יפן ובמספר צוללות בצי השוודי. שימוש זה מאפשר לצוללת להישאר בצלילה ללא כל קשר לאוויר החיצון זמן ארוך יותר מהמקובל היום.
ראו גם
[עריכת קוד מקור | עריכה]קישורים חיצוניים
[עריכת קוד מקור | עריכה]
- ד"ר ירון גרוס, באיזה דרך פועל מנוע סטרלינג? ליאור, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 31 באוקטובר 2009
הערות שוליים
[עריכת קוד מקור | עריכה]- ^ קמרון ווילמוט, חברת MSI מיישמת קירור מבוסס מנוע סטרלינג
