היום אנחנו הולכים לדבר על סוג של מנוע שונה ממנוע הבעירה הפנימית בשימוש קונבנציונלי. כלי רכב משתמשים בדרך כלל במנועים המונעים על ידי דלקים מאובנים שהיעילות שלו בדרך כלל לא גבוהה במיוחד. במקרה זה, אנו מציגים בפניכם מנוע סטירלינג. סוג זה של מנוע מציע יעילות משמעותית יותר ממנועי בנזין או דיזל והוא גם ידידותי לסביבה.
במאמר זה נחקור את המאפיינים העיקריים של מנוע סטירלינג, כיצד הוא פועל ומהם היתרונות והחסרונות העיקריים שלו. כמו כן, נעמיק בכמה מהשימושים הנפוצים ביותר במנוע זה, שיכולים למלא תפקיד מכריע במעבר האנרגיה.
מנוע הסטירלינג
מנוע סטירלינג הוא סוג של מנוע בעירה חיצונית המשתמש בלחץ שנוצר על ידי גז שמחומם ומקורר, במקום בעירה פנימית שבה שורפים דלקים. זוהי המצאה שראשיתה בשנת 1816, כאשר היא תוכננה ורשם פטנט על ידי הכומר הסקוטי רוברט סטירלינג. הסטירלינג נועדה כחלופה בטוחה יותר למנוע הקיטור ששלט בתקופה, והציעה יעילות ובטיחות רבה יותר הודות למבנה הפשוט שלו.
למרות שהיא התקשתה להתבסס ביישומים בקנה מידה גדול בגלל מגבלות טכניות וכלכליות, היא נותרה רלוונטית מאוד במגזרים מסוימים, בעיקר בשל פעולה שקטה ויכולתו להפיק אנרגיה ממקורות שונים, לרבות אנרגיה מתחדשת.
נכון לעכשיו, השימוש בו מתמקד ב צוללות ו ייצור חשמל, במיוחד במפעלים סולאריים, שבהם מנועי סטירלינג מנצלים את חום השמש כדי לייצר אנרגיה ביעילות. בסעיפים הבאים, נחקור פרטים נוספים על פעולתו ויישומיו.
הפעלת מנוע סטירלינג
מנוע סטירלינג עוקב אחר מחזור תרמודינמי המכונה מחזור סטירלינג, המורכב מארבעה שלבים בסיסיים: חימום, התפשטות, קירור ודחיסה. בניגוד למנועי בעירה פנימית, במנוע סטירלינג, הגז נשאר אטום בתוך המערכת, מה שאומר שלא משתחררות פליטות מזהמות, כמו פחמן דו חמצני או גזים רעילים. זה הופך אותה לאופציה אטרקטיבית מנקודת מבט אקולוגית.
עקרונות הפעלה מרכזיים: מחזור סטירלינג מבוסס על שני עקרונות יסוד:
- הלחץ בתוך גז עולה כאשר הטמפרטורה שלו עולה בנפח סגור.
- גם דחיסה של גז בנפח קבוע מעלה את הטמפרטורה שלו.
עקרונות אלו מיושמים באמצעות שני תאים, אחד חם ואחד קר, המכילים את גז העבודה (שיכול להיות הליום, מימן, חנקן או אפילו אוויר). הגז נע בין שני החדרים, מה שגורם לשינויים בלחץ המניע את הבוכנות.
התהליך מתחיל בחימום הגז בגליל חם. כאשר מחומם, הגז מתרחב ודוחף את הבוכנה כלפי מטה. לאחר מכן הגז החם מועבר לתא קר, שם הוא מתקרר והלחץ שלו יורד ומאפשר לדחוס אותו שוב. זה יוצר את התנועה המחזורית של הבוכנות וממיר אנרגיה תרמית לאנרגיה מכנית שימושית לייצור חשמל או להנעת רכב.
חלקי מנוע סטירלינג
מנוע סטירלינג מורכב מכמה חלקים מרכזיים הפועלים יחד לביצוע מחזור המרת האנרגיה:
- צילינדר העקירה: אחראי על העברת הגז בין המוקד החם והקר.
- כוח בוכנה: ממיר האנרגיה התרמית של גז לעבודה מכנית שניתן להשתמש בה כדי להזיז מכונה.
- המחדש: מחליף חום הסופג חום מהגז כשהוא בשלב הקירור ומחזיר אותו כשהגז מחומם שוב. זה עוזר לשפר את יעילות המחזור.
- המבער או מקור החום: הוא מספק את האנרגיה התרמית הדרושה לחימום הגז.
- גַלגַל תְנוּפָה: הוא פועל כמייצב השומר על תנועת סיבוב אחידה, חיונית לפעולה רציפה של המנוע.
- גל ארכובה: ממיר התנועה הליניארית של הבוכנה לתנועה סיבובית.
בסעיף הבא, נפרט כל שלב במחזור פעולת המנוע כדי להבין כיצד חלקים אלה משתפים פעולה כדי ליצור עבודה מכנית.
שלבים של מחזור מנוע סטירלינג
מחזור הפעולה של מנוע סטירלינג מורכב מארבעת השלבים הבאים:
- הרחבת גז חם: חום מופעל על חלק מהגז בגליל החם, וגורם להתפשטות. הגז החם דוחף את הבוכנה כלפי מטה, ומבצע עבודה מכנית.
- מעבירים לגליל קר: הגז החם מועבר לגליל הקר, שם הוא מתקרר במהירות.
- דחיסת גז קר: הגז הקר נדחס כאשר הבוכנה עולה, ומסיר חלק מהחום שצברה במהלך שלב ההתפשטות.
- חזרה לגליל חם: הגז הדחוס חוזר לגליל החם שבו התהליך חוזר על עצמו.
יתרונותיו של מנוע הסטירלינג
למנוע סטירלינג יש יתרונות רבים על פני מנועי בעירה פנימית:
- פעולה שקטה: מכיוון שאין בעירה פנימית, מנוע הסטירלינג פועל בשקט במיוחד, מה שהופך אותו לאידיאלי עבור יישומים רגישים לרעש כגון צוללות או גנרטורים חשמליים באזורים עירוניים.
- יעילות גבוהה: יכולתו לנצל מספר מקורות חום חיצוניים והעיצוב היעיל שלו מאפשרים לו להשיג ביצועים קרובים למחזור קרנו. ביישומים כגון קוגנרציה, יעילות זו היא בעלת ערך רב.
- גמישות במקורות חום: מנוע הסטירלינג יכול לפעול על מגוון מקורות חום, מדלקים מאובנים ועד אנרגיה נקייה לחלוטין כמו אנרגיה סולארית.
- השפעה סביבתית נמוכה: העובדה שהגז אטום פירושה שהוא אינו פולט גזים מזהמים, מה שהופך אותו לאופציה אקולוגית מאוד.
- תחזוקה מופחתת: הודות לעיצובו הפשוט והיעדר פיצוצים פנימיים, מנוע הסטירלינג דורש תחזוקה מועטה יחסית לטכנולוגיות בעירה פנימית מסורתית.
- חיים שימושיים ארוכים: העיצוב החזק והפשטות של המערכת מאפשרים למנועי סטירלינג להחזיק חיים ארוכים יותר, מה שמעניק להם ערך רב ביישומים ארוכי טווח.
- צדדיות: מצוללות, למחוללי חשמל סולאריים ועד למערכות קוגנרציה, למנוע הסטירלינג יש מגוון רחב של יישומים, מה שהופך אותו לכלי שימושי עבור תעשיות מרובות.
חסרונות של מנוע סטירלינג
למרות יתרונותיו הרבים, למנוע סטירלינג יש גם כמה חסרונות שהאטו את האימוץ ההמוני שלו:
- עלות ראשונית גבוהה: הבנייה של מנוע סטירלינג, עם מחליפי החום והחומרים הספציפיים שלו לעמידה בלחץ ובטמפרטורה, היא יקרה, מה שמגביל את התחרותיות שלו ביחס לטכנולוגיות אחרות.
- חוסר פופולריות: למרות שתכונותיו מרשימות, חוסר הידע הכללי על מנוע הסטירלינג היווה מכשול לאימוץ רחב היקף.
- בעיות איטום: שימור גז עבודה יכול להיות מסובך, במיוחד במנועים הפועלים בלחצים גבוהים, מה שמשפיע על ביצועיהם ועמידותם.
- גודל ומשקל: מנועי סטירלינג הם בדרך כלל מגושמים יותר בהשוואה למנועי בעירה פנימית בעלי הספק דומה בשל הצורך במחלפי חום גדולים יותר.
- זמן תגובה מוגבל: למרות שהוא יעיל ליישומי כוח קבוע, מנוע הסטירלינג אינו מתאים למערכות הדורשות שינויים מהירים בהספק, כגון רכבים.
יישומי מנוע סטירלינג
מנוע סטירלינג מצא יישומים בכמה תחומים מרכזיים. בין הבולטים ביותר הם:
- ייצור אנרגיה סולארית: באזורים שטופי שמש, מנוע סטירלינג יכול להשתמש באנרגיה סולארית מרוכזת כדי לייצר חשמל ברמות גבוהות של יעילות. מפעלי ניסוי הראו שטכנולוגיה זו יכולה להיות תחרותית מאוד בהשוואה למקורות אנרגיה מתחדשים אחרים.
- הנעה של צוללת: בשל פעולתו השקטה והיעדר אוויר לבעירה, מנוע הסטירלינג שימש בצוללות למשימות ארוכות מתחת למים.
- שאיבת מים: באזורים כפריים, שבהם מחסור בחשמל יכול להוות בעיה, מנוע הסטירלינג שימש לשאיבת מים הודות ליכולתו לפעול על ביומסה או שאריות יבול כמקור חום.
- יישומים תעשייתיים: מנוע הסטירלינג מתנסה גם ביישומים תעשייתיים כמחוללי כוח עזר במפעלים תעשייתיים שיכולים לנצל את הפסולת החום מתהליכים תעשייתיים.
- קֵרוּר: על ידי היפוך המחזור התרמודינמי, ניתן להשתמש במנועי סטירלינג לקירור קריוגני, להגיע לטמפרטורות נמוכות מאוד.
מנוע סטירלינג בולט בזכות הרבגוניות והיעילות הגבוהה שלו ביישומים מיוחדים הדורשים פעולה מתמדת ופליטות נמוכות. למרות מגבלותיה, מדובר בטכנולוגיה בעלת פוטנציאל רב לעתיד, במיוחד בכל הנוגע להקטנת טביעת הרגל הפחמנית והשתלבות עם מקורות אנרגיה מתחדשים.