چرخه اریکسون

از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

رندر موتور اریکسون. یک سیال عامل گازی سرد، مانند هوای اتمسفر (با رنگ آبی نشان داده شده است)، از طریق یک دریچه برگشت در بالا سمت راست وارد سیلندر می شود. هنگام حرکت پیستون به سمت بالا، هوا توسط پیستون (سیاه) فشرده می شود. هوای فشرده در مخزن پنوماتیک (در سمت چپ) ذخیره می شود. یک دریچه دو طرفه (خاکستری) به سمت پایین حرکت می کند تا هوای تحت فشار از طریق احیا کننده که در آن از قبل گرم شده است عبور کند. سپس هوا وارد فضای زیر پیستون می شود که یک محفظه انبساط خارجی گرم می شود . هوا منبسط می شود و در حین حرکت پیستون روی آن کار می کند. پس از انبساط، شیر دو طرفه به سمت بالا حرکت می کند، بنابراین مخزن بسته می شود و درگاه اگزوز باز می شود . همانطور که پیستون در حرکت اگزوز به سمت پایین حرکت می کند، هوای گرم از طریق احیا کننده به عقب رانده می شود ، که بیشتر گرما را پس می گیرد، قبل از اینکه درگاه اگزوز (سمت چپ) به عنوان هوای خنک خارج شود.

چرخه اریکسون از نام مخترع جان اریکسون گرفته شده است که موتورهای حرارتی منحصر به فرد زیادی را بر اساس چرخه های ترمودینامیکی مختلف طراحی و ساخت . او با اختراع دو چرخه موتور حرارتی منحصر به فرد و توسعه موتورهای عملی بر اساس این چرخه ها اعتبار دارد. اولین چرخه او اکنون به عنوان چرخه بسته برایتون شناخته می شود ، در حالی که چرخه دوم او همان چیزی است که اکنون چرخه اریکسون نامیده می شود. اریکسون یکی از معدود افرادی است که موتورهای چرخه باز ساخت، [1] اما موتورهای چرخه بسته را نیز ساخت. [2]

چرخه ایده آل اریکسون [ ویرایش ]

چرخه ایده آل اریکسون

در زیر فهرستی از چهار فرآیندی است که بین چهار مرحله چرخه ایده آل اریکسون رخ می دهد:

• فرآیند 1 -> 2: فشرده سازی همدما . فرض می شود فضای تراکم به صورت درونی خنک می شود ، بنابراین گاز تحت فشار همدما قرار می گیرد. هوای فشرده با فشار ثابت به داخل مخزن ذخیره می شود. در چرخه ایده آل، هیچ انتقال حرارتی در سراسر دیواره های مخزن وجود ندارد.
• فرآیند 2 -> 3: افزودن حرارت ایزوباریک . از مخزن، هوای فشرده از طریق احیاگر جریان می یابد و گرما را با فشار ثابت بالا در مسیر سیلندر قدرت گرم شده می گیرد.
• فرآیند 3 -> 4: انبساط همدما . فضای انبساط سیلندر قدرت از خارج گرم می شود و گاز تحت انبساط همدما قرار می گیرد.
• فرآیند 4 -> 1: حذف حرارت ایزوباریک. قبل از اینکه هوا به عنوان اگزوز آزاد شود، از طریق احیاگر به عقب منتقل می شود، بنابراین گاز با فشار ثابت کم خنک می شود و احیا کننده برای چرخه بعدی گرم می شود.

مقایسه با چرخه های کارنو، دیزل، اتو و استرلینگ [ ویرایش ]

چرخه‌های Otto و Diesel ایده‌آل کاملاً برگشت‌پذیر نیستند، زیرا شامل انتقال حرارت از طریق یک اختلاف دمای محدود در طول فرآیندهای ایزوکوریک / ایزوباریک برگشت‌ناپذیر افزودن حرارت و دفع گرما ایزوکوریک است. برگشت ناپذیری فوق، بازده حرارتی این چرخه ها را کمتر از موتور کارنو می کند که در همان محدوده های دما کار می کند. چرخه دیگری که شامل فرآیندهای اضافه گرما و دفع گرما ایزوباریک است، چرخه اریکسون است. چرخه اریکسون یک نسخه تغییر یافته از چرخه کارنو است که در آن دو فرآیند ایزنتروپیک مشخص شده در چرخه کارنو با دو فرآیند بازسازی همدما جایگزین می‌شوند.

چرخه اریکسون اغلب با چرخه استرلینگ مقایسه می شود ، زیرا طراحی موتور بر اساس این چرخه های مربوطه هر دو موتورهای احتراق خارجی با احیاگر هستند . شاید اریکسون بیشتر شبیه به موتور استرلینگ به اصطلاح "دو عمل" باشد که در آن پیستون جابجایی نیز به عنوان پیستون قدرت عمل می کند. از نظر تئوری، هر دوی این چرخه‌ها دارای راندمان ایده‌آل هستند که بالاترین بازدهی است که توسط قانون دوم ترمودینامیک مجاز است . شناخته شده ترین چرخه ایده آل، چرخه کارنو است ، اگرچه موتور مفید کارنو شناخته شده نیست. راندمان نظری برای هر دو چرخه اریکسون و استرلینگ که در حدود یکسان عمل می‌کنند برابر با بازده کارنو برای حدود یکسان است.

مقایسه با چرخه برایتون [ ویرایش ]

نوشتار اصلی: چرخه برایتون

اولین چرخه ای که اریکسون توسعه داد اکنون " چرخه بریتون " نامیده می شود که معمولاً برای موتورهای توربین گاز اعمال می شود .

چرخه دوم اریکسون چرخه‌ای است که معمولاً به عنوان چرخه اریکسون شناخته می‌شود. چرخه (دوم) اریکسون همچنین حد یک سیکل ایده آل برایتون توربین گازی است که با فشرده سازی چند مرحله ای خنک شده و انبساط چند مرحله ای با گرم کردن مجدد و بازسازی کار می کند. در مقایسه با چرخه برایتون که از فشرده‌سازی و انبساط آدیاباتیک استفاده می‌کند ، چرخه دوم اریکسون از فشرده‌سازی و انبساط همدما استفاده می‌کند، بنابراین کار خالص بیشتری در هر ضربه تولید می‌شود. همچنین استفاده از احیا در چرخه اریکسون با کاهش گرمای ورودی مورد نیاز راندمان را افزایش می دهد. برای مقایسه بیشتر چرخه های ترمودینامیکی، موتور حرارتی را ببینید .

موتور اریکسون [ ویرایش ]

موتور اریکسون کالری

موتور کالری اریکسون

موتور اریکسون بر اساس چرخه اریکسون است و به عنوان یک موتور احتراق خارجی شناخته می شود ، زیرا از خارج گرم می شود. برای بهبود راندمان، موتور بین کمپرسور و منبسط کننده یک احیا کننده یا بازیابی کننده دارد. موتور می تواند در چرخه باز یا بسته کار کند. انبساط همزمان با فشرده سازی در طرف های مخالف پیستون اتفاق می افتد.

مقاله اصلی: مبدل حرارتی احیا کننده

اریکسون اصطلاح "بازساز" را برای اختراع مستقل خود مبدل حرارتی مخالف جریان مختلط ابداع کرد. با این حال، کشیش رابرت استرلینگ ، قبل از اریکسون، همین دستگاه را اختراع کرده بود، بنابراین این اختراع به استرلینگ نسبت داده می شود. استرلینگ آن را "اقتصاد کننده" یا "اقتصاد کننده" نامیده است، زیرا مصرف سوخت انواع مختلف فرآیندهای حرارتی را افزایش می دهد. مشخص شد که این اختراع در بسیاری از دستگاه‌ها و سیستم‌های دیگر مفید است، جایی که به طور گسترده‌تری مورد استفاده قرار گرفت، زیرا انواع دیگر موتورها نسبت به موتور استرلینگ مورد توجه قرار گرفتند. اصطلاح "بازساز" اکنون نامی است که به جزء در موتور استرلینگ داده می شود.

اصطلاح " Recuperator " به یک مبدل حرارتی با جریان مجزا و خلاف جریان اشاره دارد. همانطور که اگر این به اندازه کافی گیج کننده نبود، گاهی اوقات از یک احیا کننده جریان مخلوط به عنوان یک بازیابی کننده جریان شبه جدا استفاده می شود. این کار را می توان از طریق استفاده از شیرهای متحرک یا با استفاده از دستگاه احیا کننده چرخشی با بافل های ثابت و یا با استفاده از سایر قطعات متحرک انجام داد. هنگامی که گرما از گازهای خروجی بازیابی می شود و برای پیش گرم کردن هوای احتراق استفاده می شود، معمولاً از اصطلاح Recuperator استفاده می شود، زیرا این دو جریان مجزا هستند.

در سال 1791، قبل از اریکسون، جان باربر موتور مشابهی را پیشنهاد کرد. موتور باربر از کمپرسور دم و منبسط کننده توربین استفاده می کرد، اما فاقد احیاگر/بازیابی کننده بود. هیچ سابقه ای از کارکرد موتور باربر وجود ندارد. اریکسون اولین موتور خود را با استفاده از یک نسخه خارجی از چرخه برایتون در سال 1833 (شماره 6409/1833 بریتانیا) اختراع و ثبت کرد. این 18 سال قبل از ژول و 43 سال قبل از برایتون بود . موتورهای برایتون همگی موتورهای پیستونی و در بیشتر موارد، نسخه‌های احتراق داخلی موتور اریکسون بودند که بازیابی نشده بودند. سیکل برایتون اکنون به عنوان چرخه توربین گاز شناخته می شود که با استفاده از کمپرسور و منبسط کننده توربین با چرخه برایتون اصلی تفاوت دارد. چرخه توربین گاز برای تمام موتورهای توربین گازی و توربوجت مدرن استفاده می شود ، با این حال توربین های چرخه ساده اغلب برای بهبود کارایی بازیابی می شوند و این توربین های بازیابی شده بیشتر شبیه کار اریکسون هستند.

اریکسون در نهایت چرخه باز را به نفع چرخه سنتی بسته استرلینگ کنار گذاشت.

موتور اریکسون را می توان به راحتی تغییر داد تا در حالت چرخه بسته کار کند، با استفاده از یک محفظه ثانویه با فشار کمتر و خنک بین اگزوز اصلی و ورودی. در چرخه بسته، فشار پایین تر می تواند به طور قابل توجهی بالاتر از فشار محیط باشد و می توان از گاز کاری He یا H2 استفاده کرد. به دلیل اختلاف فشار بیشتر بین حرکت رو به بالا و پایین پیستون کار، خروجی خاص می تواند بیشتر از یک موتور استرلینگ بدون سوپاپ باشد . هزینه اضافه شده شیر است . موتور اریکسون تلفات مکانیکی را نیز به حداقل می‌رساند: توان لازم برای تراکم از طریق تلفات اصطکاکی ناشی از میل لنگ نمی‌گذرد، بلکه مستقیماً از نیروی انبساط اعمال می‌شود. موتور اریکسون پیستونی می تواند به طور بالقوه بالاترین بازدهی موتور حرارتی ساخته شده باشد. مسلماً این هنوز در کاربردهای عملی ثابت نشده است. [ نیازمند منبع ]

اریکسون تعداد بسیار زیادی موتور را طراحی و ساخت که در چرخه‌های مختلف از جمله بخار، استرلینگ، بریتون، چرخه سیال هوای دیزل با گرمایش خارجی کار می‌کنند. او موتورهای خود را با سوخت های مختلف از جمله زغال سنگ و حرارت خورشیدی کار می کرد.

اریکسون همچنین مسئول استفاده اولیه از پروانه پیچ برای رانش کشتی، در USS Princeton ، ساخته شده در 1842-1843 بود.

کشتی کالری اریکسون [ ویرایش ]

در سال 1851 موتور چرخه اریکسون (دومین مورد از دو مورد مورد بحث در اینجا) برای تامین انرژی یک کشتی 2000 تنی، کشتی کالری اریکسون ، [3] استفاده شد و به مدت 73 ساعت بدون نقص کار کرد. [4] موتور ترکیبی حدود 300 اسب بخار (220 کیلووات) قدرت تولید می کرد. این موتور ترکیبی از چهار موتور دو پیستونه داشت. پیستون/سیلندر انبساط بزرگتر، با قطر 14 فوت (4.3 متر)، شاید بزرگترین پیستونی بود که تا کنون ساخته شده است. شایعات حاکی از آن است که میزهایی روی آن پیستون ها قرار داده شده است (بدیهی است در محفظه فشرده سازی خنک، نه محفظه برق داغ) و شام سرو و خورده شده است، در حالی که موتور با قدرت کامل کار می کند. [ نیاز به منبع ] در 6.5 RPM فشار به 8 psi (55 کیلو پاسکال) محدود شد. طبق گزارش رسمی، فقط 4200 کیلوگرم زغال سنگ در 24 ساعت مصرف می کرد (هدف اولیه 8000 کیلوگرم بود که هنوز هم بهتر از موتورهای بخار معاصر است). آزمایش یک دریا ثابت کرد که با وجود اینکه موتور خوب کار می کرد، کشتی ضعیف بود. مدتی پس از آزمایشات، اریکسون غرق شد. وقتی بالا آمد، موتور سیکل اریکسون حذف شد و یک موتور بخار جای آن را گرفت. این کشتی در نوامبر 1892 در ورودی بارکلی ساوند ، بریتیش کلمبیا، کانادا به گل نشسته و غرق شد. [5]

پتانسیل امروز [ ویرایش ]

چرخه اریکسون (و چرخه مشابه برایتون) امروزه برای استخراج نیرو از گرمای خروجی گاز (و گاز تولیدی ) موتورها و متمرکز کننده های خورشیدی مورد توجه مجدد قرار گرفته است . یک مزیت مهم چرخه اریکسون نسبت به موتور شناخته شده استرلینگ اغلب به رسمیت شناخته نمی شود: حجم مبدل حرارتی بر راندمان تأثیر منفی نمی گذارد.

(...) علیرغم داشتن مزایای قابل توجهی نسبت به استرلینگ. در میان آن‌ها، شایان ذکر است که مبدل‌های حرارتی موتور اریکسون حجم‌های مرده نیستند، در حالی که طراح مبدل‌های حرارتی موتور استرلینگ باید با سازش دشواری بین مناطق بزرگ انتقال حرارت، اما تا حد ممکن حجم مبدل‌های حرارتی کوچک مواجه شود. [7]

برای موتورهای متوسط ​​و بزرگ هزینه سوپاپ ها در مقایسه با این مزیت می تواند ناچیز باشد. پیاده سازی توربو کمپرسور به علاوه توربین در محدوده MWe مطلوب به نظر می رسد، کمپرسور جابجایی مثبت به اضافه توربین برای توان Nx100 کیلووات، و کمپرسور + انبساط جابجایی مثبت زیر 100 کیلو وات. با سیال هیدرولیک با دمای بالا ، هم کمپرسور و هم منبسط کننده می توانند پمپ های حلقه مایع حتی تا دمای 400 درجه سانتیگراد باشند، با پوشش چرخشی برای بهترین بازده.

1. ↑ «موتور چرخه باز اریکسون 1852» . hotairengines.org .
2. ↑ «موتور چرخه بسته اریکسون 1833» . hotairengines.org .
3. ↑ «کشتی کالری اریکسون» . hotairengines.org .
4. ↑ «موتور کالری اریکسون» . Genuineideas.com​ بازیابی شده در 2015-12-15 .
5. ↑ "گورستان اقیانوس آرام - کشتی های غرق شده جزیره ونکوور" . www.pacificshipwrecks.ca . بایگانی شده از نسخه اصلی در 10 ژوئیه 2004 . بازبینی شده در 13 ژانویه 2022 .
6. ^ "پروژه ها - جزئیات" . سیستم. 18-11-2015. بایگانی شده از نسخه اصلی در 2015-12-22 . بازیابی شده در 2015-12-15 .
7. ↑ Fula A، Stouffs P، Sierra F (22 مارس 2013). انتقال حرارت درون سیلندر در نمونه اولیه موتور اریکسون (PDF) . کنفرانس بین المللی انرژی های تجدیدپذیر و کیفیت برق (ICREPQ'13). بیلبائو اسپانیا

پیوندهای خارجی

https://en.wikipedia.org/wiki/Ericsson_cycle