थर्मल-ध्वनिक इंजन - पिस्टन के बिना स्टर्लिंग इंजन

स्टर्लिंग इंजन - गर्मी की बाहरी आपूर्ति वाला इंजन। बाहरी गर्मी की आपूर्ति बहुत सुविधाजनक है जब गर्मी स्रोत के रूप में गैर-कार्बनिक ईंधन का उपयोग करने की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, आप विभिन्न उद्यमों से सौर ऊर्जा, भूतापीय ऊर्जा, अपशिष्ट गर्मी का उपयोग कर सकते हैं।


स्टर्लिंग चक्र की एक अच्छी विशेषता यह है कि इसकी दक्षता कारनोट चक्र [1] की दक्षता के बराबर है। स्वाभाविक रूप से, वास्तविक स्टर्लिंग इंजन की दक्षता कम होती है और अक्सर बहुत अधिक होती है। स्टर्लिंग इंजन ने एक ऐसे उपकरण के साथ अपना अस्तित्व शुरू किया, जिसमें कई चलते हुए भाग होते हैं, जैसे कि पिस्टन, कनेक्टिंग रॉड, क्रैंकशाफ्ट, बियरिंग्स [2]। इसके अलावा, जनरेटर रोटर कताई (चित्र 1) था।


चित्र 1 - स्टर्लिंग इंजन अल्फा प्रकार

स्टर्लिंग अल्फा प्रकार के इंजन को देखें। जब शाफ्ट घूमता है, तो पिस्टन गैस को गर्म से ठंडे सिलेंडर तक, या इसके विपरीत, गर्म से ठंडे में डिस्टिल करना शुरू कर देता है। लेकिन वे न केवल आसवन करते हैं, बल्कि संपीड़ित और विस्तार भी करते हैं। एक थर्मोडायनामिक चक्र हो रहा है। तस्वीर में यह कल्पना की जा सकती है कि जब शाफ्ट घूमता है ताकि जिस धुरी पर कनेक्टिंग रॉड लगाए जाते हैं वह सबसे ऊपर है, यह गैस की सबसे बड़ी संपीड़न का क्षण होगा, और जब नीचे, विस्तार होगा। सच है, यह थर्मल विस्तार और गैस संकुचन के कारण पूरी तरह से सच नहीं है, लेकिन लगभग यह सब सच है।

इंजन का दिल तथाकथित कोर है, जिसमें दो हीट एक्सचेंजर्स होते हैं - गर्म और ठंडा, और उनके बीच एक पुनर्योजी होता है। हीट एक्सचेंजर्स को आमतौर पर लैमेलर बनाया जाता है, और पुनर्जनन सबसे अधिक बार धातु जाल का ढेर होता है। हमें हीट एक्सचेंजर्स की आवश्यकता क्यों है? यह स्पष्ट है - गैस को गर्म करने और ठंडा करने के लिए, और हमें पुनर्योजी की आवश्यकता क्यों है? और पुनर्योजी एक वास्तविक गर्मी संचयकर्ता है। जब गर्म गैस ठंडे पक्ष में चली जाती है, तो यह पुनर्योजी को गर्म करती है और पुनर्योजी थर्मल ऊर्जा को संग्रहीत करता है। जब गैस ठंड से गर्म की ओर बढ़ती है, तो पुनर्योजी में ठंडी गैस को गर्म किया जाता है, और इसलिए यह गर्मी, जो पुनर्योजी के बिना अपरिवर्तनीय रूप से पर्यावरण को गर्म करने पर खर्च की जाएगी, बच जाती है। तो, एक पुनर्योजी एक पूरी तरह से आवश्यक चीज है। एक अच्छा पुनर्योजी इंजन की दक्षता को लगभग 3.6 गुना बढ़ा देता है।

प्रशंसक जो अपने दम पर इस तरह के इंजन का निर्माण करना चाहते हैं, मैं आपको हीट एक्सचेंजर्स के बारे में अधिक बताना चाहता हूं। अधिकांश स्व-निर्मित स्टर्लिंग इंजन, जिनमें से मैंने देखा, उनमें हीट एक्सचेंजर्स बिल्कुल नहीं हैं (मैं अल्फा-टाइप इंजनों के बारे में बात कर रहा हूं)। हीट एक्सचेंजर्स पिस्टन और सिलिंडर हैं। एक सिलेंडर को गर्म किया जाता है, दूसरे को ठंडा किया जाता है। इसके अलावा, गैस के संपर्क में हीट एक्सचेंज सतह का क्षेत्र बहुत छोटा है। इसलिए, सिलेंडर में इनलेट पर हीट एक्सचेंजर्स डालकर इंजन की शक्ति में काफी वृद्धि करना संभव है। और यहां तक ​​कि चित्रा 1 में, लौ को सीधे सिलेंडर पर निर्देशित किया जाता है, जो कारखाने के इंजनों में ऐसा नहीं है।

आइए हम स्टर्लिंग इंजन के विकास के इतिहास पर लौटते हैं। तो, इंजन को कई मायनों में अच्छा होने दें, लेकिन तेल खुरचने के छल्ले और बीयरिंगों की उपस्थिति ने इंजन के जीवन को कम कर दिया और इंजीनियरों को यह सोचकर काम करना मुश्किल हो गया कि इसे कैसे सुधारना है, और वे इसके साथ आए।

1969 में, विलियम बेल ने इंजन के संचालन में अनुनाद प्रभाव की जांच की और बाद में एक इंजन बनाने में सक्षम था जिसके लिए न तो एक कनेक्टिंग रॉड और न ही क्रैंकशाफ्ट की आवश्यकता होती है। अनुनाद प्रभाव के कारण पिस्टन तुल्यकालन हुआ। इस प्रकार के इंजन को मुक्त पिस्टन इंजन (चित्र 2) के रूप में जाना जाता है।


चित्र 2 - स्टर्लिंग फ्री पिस्टन इंजन

चित्रा 2 एक बीटा पिस्टन मुक्त पिस्टन इंजन दिखाता है। यहां गैस गर्म से ठंडे क्षेत्र में गुजरती है, और इसके विपरीत, विस्थापित (जो स्वतंत्र रूप से चलता है) के लिए धन्यवाद, और काम करने वाला पिस्टन एक उपयोगी काम करता है। डिसप्लेजर और पिस्टन कॉइल स्प्रिंग्स पर दोलन करता है, जिसे आकृति के दाईं ओर देखा जा सकता है। कठिनाई यह है कि उनका कंपन समान आवृत्ति पर और 90 डिग्री के चरण अंतर के साथ होना चाहिए, सभी गुंजयमान प्रभावों के कारण। ऐसा करना काफी मुश्किल है।

इस प्रकार, भागों की संख्या कम हो गई थी, लेकिन एक ही समय में, गणना और विनिर्माण की सटीकता के लिए आवश्यकताओं को कड़ा कर दिया गया था। लेकिन इंजन की विश्वसनीयता में निस्संदेह वृद्धि हुई है, विशेष रूप से डिजाइनों में जहां लचीली झिल्लियों का उपयोग डिसप्लेजर और पिस्टन के रूप में किया जाता है। इस मामले में, इंजन में कोई रगड़ भागों नहीं है। बिजली, यदि वांछित है, तो रैखिक जनरेटर का उपयोग करके ऐसे इंजन से हटाया जा सकता है।

लेकिन इंजीनियरों के लिए यह पर्याप्त नहीं था, और वे न केवल रगड़ भागों से छुटकारा पाने के तरीकों की तलाश करने लगे, बल्कि आम तौर पर चलती भागों। और उन्होंने इस तरह से पाया।

20 वीं शताब्दी के सत्तर के दशक में, पीटर ज़ेपरली ने महसूस किया कि स्टर्लिंग इंजन में दबाव और गैस वेग के साइनसोइडल दोलनों, साथ ही साथ यह तथ्य है कि ये दोलन चरण में हैं, एक यात्रा ध्वनि तरंग (छवि 3) में गैस के दबाव और वेग में उतार-चढ़ाव की अविश्वसनीय रूप से याद दिलाते हैं। )।


चित्रा 3 - समय के एक समारोह के रूप में दबाव और एक यात्रा ध्वनिक लहर की गति का ग्राफ। यह दिखाया गया है कि दबाव और वेग में उतार-चढ़ाव चरण में है।

यह विचार ज़ेपरली के पास आया, न कि दुर्घटना के बाद से, क्योंकि उससे पहले थर्मोकैस्टिक्स के क्षेत्र में बहुत शोध हुआ था, उदाहरण के लिए, 1884 में स्वयं लॉर्ड रेले ने गुणात्मक रूप से इस घटना का वर्णन किया था।

इस प्रकार, उन्होंने पिस्टन और विस्थापित को पूरी तरह से त्यागने का प्रस्ताव दिया, और गैस के दबाव और गति को नियंत्रित करने के लिए केवल एक ध्वनिक लहर का उपयोग किया। यह एक इंजन में भागों को स्थानांतरित किए बिना और सैद्धांतिक रूप से स्टर्लिंग चक्र की दक्षता प्राप्त करने में सक्षम है, और इसलिए कारनोट। वास्तव में, सबसे अच्छा संकेतक कारनोट चक्र (चित्रा 4) की दक्षता का 40-50% है।


चित्रा 4 - एक यात्रा तरंग के साथ एक थर्मोकैकोस्टिक इंजन का आरेख

आप देख सकते हैं कि एक रनिंग वेव थर्मोकैस्टिक इंजन बिल्कुल एक ही कोर है, जिसमें हीट एक्सचेंजर्स और एक रेजिनेंटर होता है, लेकिन पिस्टन और कनेक्टिंग रॉड्स के बजाय बस एक लूप्ड ट्यूब होता है जिसे रिसोनेटर कहा जाता है। लेकिन यह इंजन कैसे काम करता है अगर इसमें कोई चलती भागों नहीं है? यह कैसे संभव है?

सबसे पहले, सवाल का जवाब दें, ध्वनि कहां से आती है? और इसका उत्तर यह है कि यह अपने आप उठता है जब दो हीट एक्सचेंजर्स के बीच पर्याप्त तापमान अंतर होता है। पुनर्योजी में तापमान ढाल आपको ध्वनि कंपन को बढ़ाने की अनुमति देता है, लेकिन केवल एक निश्चित तरंग दैर्ध्य गुंजयमान यंत्र की लंबाई के बराबर है। बहुत शुरुआत से, प्रक्रिया इस तरह दिखती है: जब एक गर्म गर्मी एक्सचेंजर को गरम किया जाता है, तो सूक्ष्म सरसराहट होती है, संभवतः थर्मल विकृति से भी टूटना, यह अपरिहार्य है। ये सरसराहट ऐसे शोर होते हैं जिनमें आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला होती है। ध्वनि आवृत्तियों के इस सभी समृद्ध स्पेक्ट्रम में से, इंजन उस ध्वनि कंपन को बढ़ाना शुरू कर देता है, जिसकी तरंग दैर्ध्य पाइप की लंबाई के बराबर होती है - गुंजयमान यंत्र। और कोई फर्क नहीं पड़ता कि प्रारंभिक उतार-चढ़ाव कितना छोटा है, इसे अधिकतम संभव मूल्य तक बढ़ाया जाएगा। इंजन के अंदर अधिकतम ध्वनि की मात्रा तब होती है जब हीट एक्सचेंजर्स के माध्यम से ध्वनि प्रवर्धन शक्ति हानि शक्ति के बराबर होती है, यानी ध्वनि कंपन की शक्ति। और यह अधिकतम मूल्य कभी-कभी 160 डीबी के विशाल मूल्यों तक पहुंच जाता है। तो इस तरह के एक इंजन के अंदर वास्तव में जोर से है। सौभाग्य से, ध्वनि बाहर नहीं जा सकती है, क्योंकि गुंजयमान यंत्र तंग है और इसलिए, चल रहे इंजन के बगल में खड़ा है, यह मुश्किल से श्रव्य है।

ध्वनि की एक निश्चित आवृत्ति का प्रवर्धन उसी थर्मोडायनामिक चक्र के कारण होता है - स्टर्लिंग चक्र, जो पुनर्योजी में किया जाता है।


चित्र 5 - चक्र के चरण मोटे और सरलीकृत हैं।

जैसा कि मैंने पहले ही लिखा है, एक थर्मोकैस्टिक इंजन में बिल्कुल भी मूविंग पार्ट्स नहीं होते हैं, यह अपने अंदर केवल एक ध्वनिक तरंग उत्पन्न करता है, लेकिन, दुर्भाग्य से, बिना मूविंग पार्ट्स के इंजन से बिजली निकालना असंभव है।

आमतौर पर, ऊर्जा रैखिक जनरेटर का उपयोग करते हुए थर्मोकोस्टिक इंजन से उत्पन्न होती है। लोचदार झिल्ली एक उच्च तीव्रता वाले ध्वनि तरंग के दबाव में दोलन करता है। कोर के साथ कॉपर कॉइल के अंदर, झिल्ली पर घुड़सवार मैग्नेट कंपन करते हैं। बिजली पैदा होती है।

2014 में, Aster Thermoacoustics से Kees de Blok, Pawel Owczarek और Maurice Francois ने दिखाया कि जनरेटर से जुड़ी एक द्वि-दिशात्मक आवेग टरबाइन ध्वनि तरंग ऊर्जा को बिजली में परिवर्तित करने के लिए उपयुक्त है [3]।


चित्र 6 - एक नाड़ी टरबाइन का आरेख

आवेग टर्बाइन प्रवाह की दिशा की परवाह किए बिना एक ही दिशा में घूमता है। चित्रा 6 आमतौर पर पक्षों पर स्टेटर ब्लेड और बीच में रोटर ब्लेड दिखाता है।
और इसलिए टरबाइन उन में वास्तविकता में दिखता है:


चित्रा 7 - एक द्वि-दिशात्मक आवेग टरबाइन का बाहरी दृश्य

यह उम्मीद की जाती है कि एक रैखिक जनरेटर के बजाय एक टरबाइन का उपयोग निर्माण की लागत को काफी कम कर देगा और डिवाइस की शक्ति को ठेठ थर्मल पावर प्लांट की शक्ति तक बढ़ा देगा, जो रैखिक जनरेटर के साथ असंभव है।

मैं अपना थर्मोकैकोस्टिक इंजन भी विकसित करता हूं, जिसके बारे में नीचे दिए गए वीडियो में पाया जा सकता है, साथ ही साथ इस लेख में: "थर्मोकैकोस्टिक इंजन बनाना और शुरू करना"


उपयोग किए गए स्रोतों की सूची

[१] एम। जी। क्रूगलोव। स्टर्लिंग इंजन। मॉस्को "इंजीनियरिंग", 1977।
[२] जी। रीडर, सी। हूपर। स्टर्लिंग इंजन। मास्को "मीर", 1986।
[३] केस डी ब्लोक, पावेल ओवेरेकरेक। इलेक्ट्रिक पावर रूपांतरण के लिए ध्वनिक, 2014।