دورة ستيرلينغ

تراكم الحرارة مقابل الشغل الناتج

إضافةً إلى ذلك، يمثل الشكل رقم 6 رسمًا بيانيًا لمحرك ستيرلينغ من النوع ألفا، حيث يمثل حرف الـQ الطاقة الحرارية وحرف الـW الشغل الصادر. والخط ذو النقاط الزرقاء يمثل الشغل الناتج من الانضغاط، وخلال إجراء التمدد في الدورة يتم بذل بعض الشغل على مكبس الانضغاط والذي ينعكس بالحركة لأعلى في الاسطوانة

من جهة ثانية، ويجب ملاحظة أن الحرارة من المبِرد والشغل الناتج من مكبس الانضغاط لهما نفس كمية الطاقة وكما هو متوقع فإن المسخِن ومنطقة التمدد لهما مقدار موجب من سريان الطاقة. والخط ذو النقاط السوداء يمثل الشغل الصافى الناتج من الدورة، وعلى هذا المنوال نجد أن طاقة الدورة في النهاية تكون أعلى من البداية وهذا منطقي ليؤشر إلى أن المحرك الحراري يحول الطاقة الحرارية إلى شغل.

من جهة ثانية، بينما الخط الازرق العادي يمثل سريان الحرارة من المبادل الحراري البارد للخارج.

في هذا الإطار، وفي نهاية الدورة فإن القيمة تكون سالبة مؤشرة إلى أن مكبس الانضغاط يحتاج لبذل شغل.

• انظر كذلك
• محرك ستيرلينغ
• ديناميكا حرارية

الإجرائات

وفي هذا الصدد، إجراء انضغاط بثبوت درجة الحرارة , حيث يتم تبريد منطقة الانضغاط خارجيًا.

علاوةً على ذلك، إجراء تمدد بثبوت الحرارة والذي يتم تسخين منطقة التمدد خارجياً.

ومن جهة أخرى، إجراء إضافة حرارة بثبوت الحجم , حيث يتم تمرير تيارات الهواء المضغوط على المجدد والذي يستمد طاقة حرارية منه أثناء اتجاهه لمنطقة التمدد.

ومن جهة أخرى، تحتوى دورة ستيرلينع المثالية على أربع اجراءات تحريك حراري مختلفة والتي تحدث لمائع الدورة (في الشكل المقابل):

كذلك، إجراء طرد حرارة بثبوت الحجم , حيث يمر الغاز على مجدد والذي يبرد الغاز تدريجيًا أو يسحب من كمية من الحرارة ويتم استخدام تلك الحرارة عن طريق المجدد في الدورة التالية.

تغيرات الحجم داخل الدورة

من جهة ثانية، في محركات بيتا وجاما عامة ما يكون اختلاف زاوية الطور في أوضاع المكبس المختلفة ليست بنفس اختلافها في التغيرات الواقعة على الحجم، بينما تكون في محرك ستيرلينغ ثابتة.

رسم بياني للضغط مقابل الحجم

وفي هذا الصدد، من 90° إلى 180° : إجراء إضافة حرارة بثبوت الحجم , حيث يتم تمرير تيارات الهواء المضغوط على المجدد والذي يستمد طاقة حرارية منه أثناء اتجاهه لمنطقة التمدد.

في هذا الإطار، و باستنثاء محرك ستيرلنغ الصوتي، فإن جزيئات المائع لا تكمل السريان في الدورة بشكل كامل. لذلك تلك الطريقة غير قابلة لتحليل الدورة بشكل صحيح تمامًا. لكنها بشكل ما تعبر عما يحدث داخل الدورة أو كيف تعمل.

من جانب آخر، من 180° إلى 270° : إجراء تمدد بثبوت الحرارة والذي يتم تسخين منطقة التمدد خارجياً.

والنقاط الأربعة في الشكل تؤشرالى درجات زاوية المرفق.

من جهة ثانية، من 0° إلى 90° : إجراء انضغاط بثبوت درجة الحرارة، حيث يتم تبريد منطقة الانضغاط خارجيًا.

ومن جهة أخرى، من 270° إلى 0° : إجراء طرد حرارة بثبوت الحجم , حيث يمر الغاز على مجدد والذي يبرد الغاز تدريجيًا أو يسحب من كمية من الحرارة ويتم استخدام تلك الحرارة عن طريق المجدد في الدورة التالية.

وعلى صعيد آخر، هذا النوع من الرسم البياني يستعمل لتوضيح كافة دورات الديناميكا الحرارية. والاختلاف الجيبي في الحجم تم تمثيله بشكل شبه بيضاوي في الشكل رقم 1 , بالمقارنة بالدورة المثالية، فإنه هذه الدورة تعتبر ممثلة بشكل أكثر واقعية من أغلب محركات ستيرلينغ.

الاجراءات الأربعة المختلفة موضحة في الرسم البياني كالآتى:

حركة الجزيئات

في هذا الإطار، اللون الأحمر الأول يعبر عن الحجم المزاح بواسطة المكبس، الثاني يعبر عن حجم الخلوص (هو حجم الاسطوانة المتبقى عندما يكون المكبس في أعلى نقطة وهو يمنع المكبس من ان يتلامس مع الجزء المسخِن الساخن)

الخط الأخضر الأول يعبر عن المسخن، والثاني يعبر عن المبرد.

ومن جهة أخرى، الأزرق الأول يعبر عن حجم الخلوص البارد، الثاني يعبر عن الحجم المضغوط بواسطة مكبس الانضغاط.

من اليسار إلى اليمين:

ومن جهة أخرى، في الشكل رقم 2 يوضح خطوط السريان والتي تعبر عن كيفية سريان الغاز داخل محرك ستيرلينغ الحقيقي.

الخطوط الرئسية الملونة تعبر عن الأحجام داخل المحرك.

درجة الحرارة مقابل زاوية المرفق

كذلك، عندما تحيد درجات حرارة الغاز أعلى أو أقل عن درجة حرارة المبادل الحراري تسبب فقدان حراري يسمى بـ«مفاقيد انتقال الحرارة» أو «مفاقيد ترددية», وتظل المبادلات الحرارية تعمل بشكل جيد ليسمح للدورة الحقيقية ليكون لها دور إيجابي حتي لوأن الكفائة الحرارية الحقيقة للنظام كاملًا تمثل نصف الكفائة الحرارية النظرية.

إضافةً إلى ذلك، والتقلبات في درجات الحرارة للغاز تتم بسبب تأثيرات الانضغاط والتمدد في المحرك مع المبادل الحراري الغير مثالى والذي له مدي محدود في انتقال الحرارة.

• في الشكل رقم 5 يوضح الخصائص اللاتبادلية لمبادل حراري حقيقي.
• الخطوط المستقيمة تمثل درجات الحرارة للجزء الصلب من المبادل الحراري.
• الخطوط المنحنية تمثل درجات حرارة الغاز من المساحات المعنية.

تغير أوضاع المكبس داخل الدورة

وعلى صعيد آخر، أغلب كتب الديناميكا الحرارية تصف دورة دورة ستيرلنغ المبسطة بأنها تحتوي علي أربع اجراءات، وهذا ما يعرف بدورة ستيرلنغ المثالية، لأنها نموذج مثالى وليست واقعية.

علاوةً على ذلك، نظريًا، فإن الدورة المثالية تُنتج شغل صافي مرتفع جداً. لكن نادراً ما يتم استخدامها في تطبيقات عملية، وذلك بسبب أن الدورات الأخرى أبسط في التصميم أو لأنها تقلل فجوات الأجهادات على المفاصل ونقاط التثبيت المختلفة في المحرك والمكونات الأخرى.

في هذا الإطار، الدورة المثالية تسبب بعض المشاكل لأنها تسبب مثلاً تسارع مرتفع للمكبس أو الأسطوانة وأيضًا فقد في اللزوجة في المائع الساري ف الدورة.

الضغط مقابل زاوية المرفق

وفي هذا السياق، في الشكل رقم 4 يتم توضيح نتائج محاكاة لاتبادلية مع مبادل حراري غير مثالي. نلاحظ الانخفاض القليل في الضغطعبر المجدد بالمقارنة بالاختلاف الكلي في الضغط خلال الدورة.

انخفاض ضغط المبادل الحراري

وفي هذا الصدد، انخفاضات الضغط المختلفة المبينة في الشكل رقم 3 تمت بسبب سريان المائع داخل المبادلات الحرارية

• الخط الأحمر يمثل المسخِن.
• الأخضر يمثل المجدد.
• الأزرق يمثل المبِرد.

في هذا الإطار، وليتم تصميم مبادل حراري بشكل صحيح فإنه يجب مراعاة انتقال الحرارة الذي يحدث مسببًا فقداً في الطاقة الحرارية.

كذلك، ومفقايد السريان الموضحة هنا في الشكل منخفضة نسبيًا وبالكاد يتم رؤيتها في الصورة الآتية والتي توضح الاختلافات الكلية في الضغط خلال الدورة.