موتور هوای گرم

تصویر یک موتور هوای گرم با اختلاف دمای پایین (LTD). ۱. پیستون توان، ۲. انتهای سرد سیلندر، ۳. پیستون جابه‌جاگر، ۴. انتهای گرم سیلندر، Q1. گرمای ورودی، Q2. گرمای خروجی.

موتور هوای گرم[۱] (که در گذشته «موتور هوا» یا «موتور کالریک»[۲] نامیده می‌شد) هر نوع ماشین گرمایی است که از انبساط و انقباض هوا تحت تأثیر تغییر دما برای تبدیل انرژی گرمایی به کار مکانیکی استفاده می‌کند. این موتورها ممکن است بر پایه تعدادی از چرخه‌های ترمودینامیکی باشند که شامل دستگاه‌های چرخه باز مانند دستگاه‌های سِر جورج کیلی[۳] و جان اریکسون[۴] و همچنین موتور چرخه بسته رابرت استرلینگ[۵] می‌شود. موتورهای هوای گرم از موتور درون‌سوز و موتور بخار که شناخته‌شده‌تر هستند، متمایز می‌باشند.

در یک پیاده‌سازی معمول، هوا به‌طور مکرر در یک سیلندر گرم و سرد می‌شود و انبساط و انقباض حاصل از آن برای حرکت دادن یک پیستون و تولید کار مکانیکی مفید به کار می‌رود.

تعریف

یک پراکسینوسکوپ ساخته‌شده توسط ارنست پلانک در نورنبرگ آلمان که با یک موتور هوای گرم مینیاتوری کار می‌کند. این دستگاه اکنون در مجموعه موزه علوم بیرمنگام تینک‌تنک نگهداری می‌شود.

اصطلاح «موتور هوای گرم» به‌طور خاص هر موتوری را که یک چرخه ترمودینامیکی انجام می‌دهد و در آن سیال عامل دچار گذار فاز می‌شود، مانند چرخه رنکین، مستثنی می‌کند. همچنین موتور درون‌سوزهای مرسوم که در آن‌ها گرما از طریق احتراق سوخت در داخل سیلندر کار به سیال عامل اضافه می‌شود، مستثنی هستند. انواع احتراق پیوسته، مانند «موتور آماده» جورج برایتون و توربین گازی مرتبط با آن، می‌توانند به عنوان موارد مرزی در نظر گرفته شوند.

تاریخچه

خاصیت انبساطی هوای گرم برای قدما شناخته‌شده بود. کتاب پنوماتیکا اثر هرون اسکندرانی دستگاه‌هایی را توصیف می‌کند که ممکن بود برای باز کردن خودکار درهای معبد هنگام روشن کردن آتش بر روی محراب قربانی استفاده شوند. دستگاه‌هایی که موتور هوای گرم یا به‌سادگی «موتور هوا» نامیده می‌شدند، از سال ۱۶۹۹ ثبت شده‌اند. در سال ۱۶۹۹، گویلام امنتنس (۱۶۶۳–۱۷۰۵) گزارشی از اختراع خود را به فرهنگستان علوم سلطنتی پاریس ارائه کرد: چرخی که با گرما به چرخش درمی‌آمد.[۶] چرخ به‌صورت عمودی نصب‌شده بود. در اطراف توپی چرخ، محفظه‌های پر از آب قرار داشت. محفظه‌های پر از هوای روی لبه چرخ توسط آتشی که در زیر یک طرف چرخ قرار داشت، گرم می‌شدند. هوای گرم منبسط می‌شد و از طریق لوله‌ها، آب را از یک محفظه به محفظه دیگر می‌راند که باعث برهم خوردن تعادل چرخ و چرخش آن می‌شد.

ببینید:

  • امنتنس (۲۰ ژوئن ۱۶۹۹) «Moyen de substituer commodement l'action du feu, à la force des hommes et des chevaux pour mouvoir les machines» (روش جایگزینی مناسب عمل آتش به جای نیروی انسان و اسب برای به حرکت درآوردن ماشین‌ها)، Mémoires de l'Académie Royale des Sciences، صفحات ۱۱۲-۱۲۶. این Mémoires در Histoire de l'Académie Royale des Sciences, année 1699 ظاهر‌شده که در سال ۱۷۳۲ منتشر شد. عملکرد «آسیاب آتشین» امنتنس در صفحات ۱۲۳-۱۲۶ توضیح داده‌شده است؛ ماشین او در لوح پس از صفحه ۱۲۶ به تصویر کشیده‌شده است.
  • برای شرحی از چرخ آتش‌سوز امنتنس به زبان انگلیسی، ببینید: رابرت استوارت، Historical and Descriptive Anecdotes of Steam-engines and of Their Inventors and Improvers (لندن، انگلستان: Wightman and Cramp، ۱۸۲۹)، جلد ۱، صفحات ۱۳۰-۱۳۲؛ تصویری از ماشین در [۷] در حدود زمانی که قوانین گاز برای اولین بار تدوین شدند، ظاهر می‌شود و پتنت‌های اولیه شامل پتنت‌های هنری وود، کشیش‌های ارکال نزدیک کولبروکدیل شروپ‌شر (پتنت انگلیسی ۷۳۹ سال ۱۷۵۹) و توماس مید، مهندسی از اسکالکوتس یورکشایر (پتنت انگلیسی ۹۷۹ سال ۱۷۹۱) است،[۸] که دومی به‌ویژه حاوی عناصر اساسی یک موتور از نوع جابه‌جاگر است (مید آن را انتقال‌دهنده نامید). بعید است که هیچ‌یک از این پتنت‌ها منجر به ساخت یک موتور واقعی‌شده باشد و اولین نمونه قابل کار احتمالاً موتور گاز کوره چرخه باز مخترع انگلیسی سِر جورج کیلی در حدود ۱۸۰۷‌بوده است.[۹][۱۰]

احتمالاً موتور هوای رابرت استرلینگ در سال ۱۸۱۸ که «اقتصادسنج» نوآورانه او (ثبت‌شده در ۱۸۱۶) را در خود داشت، اولین موتور هوایی بود که به کار عملی گرفته شد.[۱۱] اقتصادسنج که اکنون به عنوان بازیاب شناخته می‌شود، گرما را از بخش گرم موتور هنگام عبور هوا به سمت سرد ذخیره می‌کرد و هنگام بازگشت هوا به سمت گرم، گرما را به هوای سردشده آزاد می‌کرد. این نوآوری کارایی موتور استرلینگ را بهبود بخشید و باید در هر موتور هوایی که به‌درستی موتور استرلینگ نامیده می‌شود، وجود‌داشته باشد.

استرلینگ دومین موتور هوای گرم را به همراه برادرش جیمز در سال ۱۸۲۷ ثبت کرد. آن‌ها طراحی را معکوس کردند به‌طوری که انتهای گرم جابه‌جاگرها در زیر ماشین‌آلات قرار داشت و یک پمپ هوای فشرده اضافه کردند تا فشار هوای داخل بتواند به حدود ۲۰ اتمسفر افزایش یابد. چمبرز بیان می‌کند که این موتور به دلیل نقص‌های مکانیکی و «تجمع پیش‌بینی‌نشده گرما که توسط الک‌ها یا گذرگاه‌های کوچک در بخش سرد بازیاب به‌طور کامل استخراج نمی‌شد و سطح خارجی آن برای دفع گرمای بازیابی‌نشده هنگام کار موتور با هوای بسیار فشرده کافی نبود، ناموفق‌بوده است. »

پارکینسون و کراسلی در پتنت انگلیسی ۱۸۲۸ موتور هوای گرم خود را ارائه کردند. در این موتور، محفظه هوا تا حدی با غوطه‌وری در آب سرد در معرض سرمای خارجی قرار می‌گیرد و بخش بالایی آن توسط بخار گرم می‌شود. یک ظرف داخلی در این محفظه بالا و پایین می‌رود و با این کار هوا را جابه‌جا می‌کند و آن را به‌طور متناوب در معرض تأثیرات سرد آب سرد و بخار داغ قرار می‌دهد که دما و وضعیت انبساطی آن را تغییر می‌دهد. این نوسانات باعث رفت و برگشت پیستون در سیلندری می‌شود که محفظه هوا به‌طور متناوب به انتهای آن متصل است.

در سال ۱۸۲۹ آرنوت ماشین انبساط هوای خود را ثبت کرد که در آن آتشی روی یک شبکه نزدیک به پایین یک سیلندر بسته قرار می‌گیرد و سیلندر پر از هوای تازه‌ای است که به‌تازگی وارد‌شده است. یک پیستون آزاد به سمت بالا کشیده می‌شود تا تمام هوای موجود در سیلندر در بالا از طریق لوله‌ای از میان آتش عبور کند و خاصیت کشسانی افزایش‌یافته‌ای را که آتش قادر به ایجاد آن است، دریافت کند.

او سال بعد (۱۸۳۰) توسط کاپیتان اریکسون دنبال شد که دومین موتور هوای گرم خود را ثبت کرد. مشخصات فنی آن را به‌طور خاص‌تر به عنوان «محفظه‌ای دایره‌ای توصیف می‌کند که در آن مخروطی بر روی یک شفت یا محور به وسیله برگ‌ها یا بال‌هایی که به‌طور متناوب در معرض فشار بخار قرار می‌گیرند، می‌چرخد؛ این بال‌ها یا برگ‌ها از میان شکاف‌ها یا دهانه‌های یک صفحه دایره‌ای کار می‌کنند که به‌صورت مورب نسبت به مخروط می‌چرخد و بدین ترتیب با کناره مخروط در تماس نگه‌داشته می‌شود. »

اریکسون سومین موتور هوای گرم خود (موتور کالریک) را در سال ۱۸۳۳ ساخت «که چند سال پیش در انگلستان هیجان زیادی ایجاد کرد؛ و اگر به کار عملی درآید، مهم‌ترین اختراع مکانیکی خواهد بود که تاکنون توسط ذهن بشر تصور‌شده است و مزایای بیشتری نسبت به هر اختراع دیگری که پیش از آن‌بوده، برای زندگی متمدن به ارمغان خواهد آورد. زیرا هدف آن تولید نیروی مکانیکی توسط عامل گرما با صرف سوختی بسیار اندک است، به‌طوری که انسان نیروی مکانیکی تقریباً نامحدودی را در مناطقی که امروزه سوخت در آن‌ها به‌سختی یافت می‌شود، در اختیار خواهد داشت. »

سال ۱۸۳۸ شاهد ثبت پتنت موتور هوای گرم فرانشو بود، که قطعاً موتور هوای گرمی بود که به بهترین وجه از الزامات کارنو پیروی می‌کرد.

تاکنون همه این موتورهای هوا ناموفق بوده‌اند، اما فناوری در حال بلوغ بود. در سال ۱۸۴۲، جیمز استرلینگ، برادر رابرت، موتور معروف استرلینگ داندی را ساخت. این موتور حداقل ۲ تا ۳ سال کار کرد اما سپس به دلیل ترفندهای فنی نامناسب متوقف شد. موتورهای هوای گرم داستانی از آزمون و خطا هستند و ۲۰ سال دیگر طول کشید تا موتورهای هوای گرم بتوانند در مقیاس صنعتی مورد استفاده قرار گیرند. اولین موتورهای هوای گرم قابل اعتماد توسط شاو، روپر و اریکسون ساخته شدند. چندین هزار از آن‌ها ساخته شد.

تولیدکنندگان تجاری

موتورهای گرم بازاری برای پمپاژ آب (عمدتاً برای مخازن آب خانگی) پیدا کردند، زیرا ورودی آب، سرمای مورد نیاز برای حفظ اختلاف دما را فراهم می‌کرد. آن‌ها در سایر حوزه‌های تجاری نیز فعالیت می‌کردند.

  • هیوارد، تایلر و شرکا از لندن. موتورهایی برای پمپاژ آب و کار با پنکه‌ها در حدود ۱۸۷۶-۱۸۸۳.[۱۲]
  • لوئیس هاینریچی، کارگاه‌های مکانیکی برای کارهای دقیق، تسویکاو در زاکسن. ۱۸۸۴-
  • هیوارد-تایلر و شرکا از لندن. تأمین آب خانگی (پتنت رایدر) در حدود ۱۸۸۸-۱۹۰۱.[۱۳]
  • دبلیو. اچ. بیلی و شرکا، سالفورد. موتورهایی برای پمپاژ آب خانگی و کار با ماشین‌آلات اصطبل در حدود ۱۸۸۵-۱۸۸۷.[۱۴]
  • آدام وودوارد و پسران، آنکوتس، منچستر. پتنت رابینسون. در حدود ۱۸۸۷.[۱۵]
  • نوریس و هنتی، لندن. فروشندگان موتورهای پمپاژ نوع «رابینسون». در حدود ۱۸۹۸-۱۹۰۱.[۱۶]
  • سی. اچ. دلاماتر و شرکا، کارخانه‌های آهن دلاماتر، نیویورک. موتور نوع «رایدر» و «اریکسون». دهه ۱۸۷۰-۱۸۹۸.
  • شرکت موتور رایدر، والدن، نیویورک. ۱۸۷۹-۱۸۹۸.
  • شرکت موتور رایدر-اریکسون، والدن، نیویورک. ۱۸۹۸-

چرخه‌های ترمودینامیکی

یک چرخه ترمودینامیکی موتور هوای گرم می‌تواند (به‌طور ایده‌آل) از ۳ یا چند فرایند (معمولاً ۴ فرایند) تشکیل شود. فرایندها می‌توانند هر یک از موارد زیر باشند:

برخی نمونه‌ها (که همه آن‌ها طبق تعریف بالا چرخه هوای گرم نیستند) به شرح زیر است: الگو:جدول چرخه‌های ترمودینامیکی

نمونه دیگر چرخه ویلومیر است. [۱۷]

جستارهای وابسته

پانویس

  1. ↑ "An Inquiry into the Hot Air Engines of the 19th Century". hotairengines.org.
  2. ↑ Robert Sier (1999). Hot air caloric and stirling engines. Vol.1, A history (1st Edition (Revised) ed.). L.A. Mair. ISBN 0-9526417-0-4.
  3. ↑ "Cayley's life and Air Engines". hotairengines.org.
  4. ↑ "Ericsson's life and Air Engines". hotairengines.org.
  5. ↑ "Stirling's life and Air Engines". hotairengines.org.
  6. ↑ "Amontons' Fire Wheel". hotairengines.org.
  7. ↑ page 351.
  8. ↑ Robert Sier (1999). Hot air caloric and stirling engines. Vol.1, A history, page 56 (1st Edition (Revised) ed.). L.A. Mair. ISBN 0-9526417-0-4.
  9. ↑ "Stirling engine history". Archived from the original on 2009-09-20. Retrieved 2007-07-09.
  10. ↑ Detailed contents of the book Hot air caloric and stirling engines. Vol.1, A history
  11. ↑ Finkelstein, T; Organ, A.J (2001). Chapter 2.2 Air Engines. Professional Engineering Publishing. ISBN 1-86058-338-5.
  12. ↑ "Advert". Friend of India and Statesman. 30 November 1877. p. 4.
  13. ↑ "Advert". Field. 14 March 1896. p. 64.
  14. ↑ "Advert". Field. 10 July 1886. p. 64.
  15. ↑ "Advert". Widnes Examiner. 3 December 1887. p. 4.
  16. ↑ "Advert". Field. 26 January 1901. p. 59.
  17. ↑ Wurm, Jaroslav (1991). Stirling and Vuilleumier heat pumps: design and applications. McGraw-Hill. ISBN 0-07-053567-1.

منابع

مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا. «[en:Hot air engine Hot air engine]». در دانشنامهٔ ویکی‌پدیای انگلیسی.

پیوند به بیرون

در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ موتور هوای گرم موجود است.

منابع

This page is issued from ویکی‌پدیا. The text is available under Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 unless otherwise noted. Additional terms may apply for the media files.