स्टर्लिंग इंजन क्या है? स्टर्लिंग इंजन कैसे काम करता है? स्टर्लिंग इंजन की खोज कैसे हुई? इसका उपयोग किन क्षेत्रों में किया जाता है? ऊष्मा ऊर्जा को गति ऊर्जा में कैसे परिवर्तित किया जाता है? स्टर्लिंग इंजन के बारे में विवरण हमारे लेख में हैं।
स्टर्लिंग इंजन क्या है?
स्टर्लिंग इंजन एक ऐसी मशीन है जो एक बंद कक्ष के बाहरी ताप से उत्पन्न ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करती है। इसे हॉट एयर इंजन के रूप में भी जाना जाता है। जैसे ही गर्म हवा फैलती है और संपीड़ित होती है, इंजन चलना शुरू कर देता है। इसका आविष्कार 1816 में स्कॉटिश पादरी रेवरेंट रॉबर्ट स्टर्लिंग ने किया था। इंजन का विकास उनके भाई जेम्स स्टर्लिंग ने किया था। आविष्कारकों के समय में भाप से चलने वाली मशीनों का इस्तेमाल होता था और ये काफी खतरनाक होती थीं। वे एक अधिक विश्वसनीय विकल्प खोजने के लिए निकल पड़े। वे जो चाहते थे वह ऊष्मा ऊर्जा को सीधे गति ऊर्जा में परिवर्तित करना था।
स्टर्लिंग इंजन में क्या है?
- पावर पिस्टन (विस्थापन): यह बंद कक्ष में गैस को स्थानांतरित करने का कार्य करता है। यह आमतौर पर बीटा टाइप और अल्फा टाइप इंजन में उपयोग किया जाता है।
- पिस्टन: यह इंजन में सिलिंडरों को घुमाकर ऊष्मा ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में बदलने में मदद करता है।
- चक्का: यह वह संरचना है जिससे पिस्टन जुड़े होते हैं। इस संरचना का कार्य उत्पन्न यांत्रिक ऊर्जा को गतिमान भागों में स्थानांतरित करना है।
- कूलर: यह बंद कक्ष में गैस को ठंडा करने में मदद करता है। यह इंजन को लंबे समय तक इस्तेमाल करने में मदद करता है।
- हीटर: यह इंजन का सबसे महत्वपूर्ण हिस्सा है। ऊष्मा ऊर्जा को गति ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए बंद कक्ष में गैस को गर्म करने के लिए इसका उपयोग किया जाता है।
इसके अलावा, कुछ इंजन प्रकारों में, इनका उपयोग इनके अलावा अन्य घटकों में किया जा सकता है। यह पूरी तरह से डेवलपर्स के विवेक पर है।
स्टर्लिंग इंजन का कार्य सिद्धांत
एक स्टर्लिंग इंजन काम करने वाली गैस (आमतौर पर हवा या गैस जैसे हीलियम, हाइड्रोजन) की एक अछूता मात्रा को बार-बार गर्म करने और ठंडा करने से संचालित होता है।
गैस गैस कानूनों (दबाव, तापमान और आयतन के सापेक्ष) द्वारा परिभाषित व्यवहार को प्रदर्शित करती है। जब गैस को गर्म किया जाता है, क्योंकि यह एक अछूता स्थान में है, तो इसका दबाव बढ़ जाता है और पावर पिस्टन को प्रभावित करता है, जिससे पावर स्ट्रोक होता है। जब गैस को ठंडा किया जाता है, तो दबाव कम हो जाता है और परिणामस्वरूप पिस्टन अपने रिटर्न स्ट्रोक पर किए गए कुछ काम को गैस को फिर से दबाने के लिए उपयोग करता है। परिणामी शुद्ध कार्य धुरी पर बल बनाता है। कार्यशील गैस समय-समय पर गर्म और ठंडे ताप विनिमायकों के बीच प्रवाहित होती है। कार्यशील गैस को पिस्टन सिलिंडर के भीतर सील कर दिया जाता है। तो यहाँ कोई निकास गैस नहीं है। अन्य प्रकार के पिस्टन इंजनों के विपरीत, वाल्व की आवश्यकता नहीं होती है।
कुछ स्टर्लिंग इंजन ठंडे और गर्म टैंकों के बीच कार्यशील गैस को आगे-पीछे करने के लिए स्प्लिटर पिस्टन का उपयोग करते हैं। कई सिलेंडरों के पावर पिस्टन के इंटरकनेक्शन के कारण सिलेंडर को अलग-अलग तापमान पर रखकर काम करने वाली गैस चलती है।
वास्तविक स्टर्लिंग इंजनों में, टैंकों के बीच एक पुनर्योजी रखा जाता है। इस गर्मी को पुनर्योजी से स्थानांतरित किया जाता है क्योंकि गर्म और ठंडे पक्ष के बीच गैस चक्र होता है। कुछ डिज़ाइनों में, विभाजक पिस्टन ही पुनर्योजी है। यह पुनर्योजी स्टर्लिंग चक्र की दक्षता में योगदान देता है। पुनर्योजी के रूप में यहां वर्णित संरचना वास्तव में एक ठोस संरचना है जो कुछ हवा को इसके माध्यम से गुजरने से नहीं रोकेगी। उदाहरण के लिए, इस कार्य के लिए स्टील की गेंदों का उपयोग किया जा सकता है। जैसे ही हवा ठंडे कमरे और गर्म कमरे के बीच चलती है, यह इस पुनर्योजी से होकर गुजरती है। गर्म हवा ठंडे हिस्से तक पहुंचने से पहले, इन गेंदों पर कुछ गर्मी ऊर्जा छोड़ती है। जैसे ही ठंडी हवा गर्म पक्ष की ओर जाती है, यह पहले छोड़ी गई ऊष्मा ऊर्जा के साथ थोड़ी गर्म होती है। दूसरे शब्दों में, यह गर्म भाग में प्रवेश करने से पहले हवा को प्री-हीट करके और ठंडे हिस्से में प्रवेश करने से पहले प्री-कूलिंग करके इंजन की दक्षता को बढ़ाता है।
एक आदर्श स्टर्लिंग इंजन चक्र में समान इनलेट और आउटलेट तापमान के लिए कार्नोट ताप इंजन के समान सैद्धांतिक दक्षता होती है। इसकी थर्मोडायनामिक दक्षता भाप इंजन की तुलना में अधिक है। (या कुछ साधारण आंतरिक दहन और डीजल इंजन)
कोई भी ऊष्मा स्रोत स्टर्लिंग इंजन को शक्ति प्रदान कर सकता है। बाहरी दहन इंजन, अभिव्यक्ति में दहन को अक्सर गलत समझा जाता है। ऊष्मा स्रोत दहन द्वारा उत्पन्न किया जा सकता है, लेकिन यह सौर ऊर्जा, भूतापीय ऊर्जा या परमाणु ऊर्जा भी हो सकता है। इसी तरह, तापमान अंतर पैदा करने के लिए इस्तेमाल किया जाने वाला ठंडा स्रोत परिवेश के तापमान से नीचे विभिन्न सामग्री हो सकता है। ठंडे पानी या रेफ्रिजरेंट के उपयोग से ठंडक प्राप्त की जा सकती है। हालांकि, चूंकि ठंडे स्रोत से प्राप्त होने वाला तापमान अंतर कम होगा, इसलिए इसे बड़े पैमाने पर काम करने की आवश्यकता होगी, और पंपिंग में होने वाली बिजली की हानि चक्र की दक्षता को कम कर देगी। दहन उत्पाद संपर्क में नहीं आते हैं। इंजन के आंतरिक भागों के साथ। स्टर्लिंग इंजन में चिकनाई वाला तेल जीवन आंतरिक दहन इंजन की तुलना में अधिक लंबा होता है।
स्टर्लिंग इंजन के प्रकार
3 मुख्य प्रकार के स्टर्लिंग इंजन हैं। अन्य इंजन प्रकार 3 इंजनों के उन्नत संस्करण हैं।
- अल्फा प्रकार स्टर्लिंग इंजन:
इसमें दो पिस्टन, एक चक्का, पिस्टन के साथ एक बंद गैस कक्ष, ताप विनिमायक, एक ताप जनरेटर और एक चक्का होता है। इसका उद्देश्य शीर्ष पर स्थित पिस्टन के क्षेत्र को ऊष्मा स्रोत से गर्म करके उसमें गैस को सक्रिय करना है। गर्म गैस पिस्टन को आगे-पीछे करने लगती है, दूसरा जुड़ा हुआ पिस्टन हिलने लगता है, जिससे गर्म और ठंडी गैस चेंबर में विस्थापित हो जाती है। उत्पन्न ऊर्जा को चक्का की मदद से स्थानांतरित किया जाता है जिससे ये दो पिस्टन जुड़े होते हैं।
- बीटा प्रकार स्टर्लिंग इंजन:
एक ही शाफ्ट पर 2 पिस्टन होते हैं। ये दोनों पिस्टन एक दूसरे से जुड़े हुए हैं। नीचे के पिस्टन के साथ चेंबर को गर्म करने से बंद चेंबर में मौजूद गैस को गर्म किया जाता है और सक्रिय किया जाता है। इस तरह पिस्टन ऊपर की ओर बढ़ना शुरू कर देता है। अन्य जुड़ा हुआ पिस्टन भी ठंडी गैस को कक्ष में जाने में मदद करता है। चक्का, जिससे पिस्टन जुड़े हुए हैं, उत्पन्न ऊर्जा को स्थानांतरित करता है।
- गामा प्रकार स्टर्लिंग इंजन:
दो अलग-अलग पिस्टन हैं। बड़े पिस्टन वाले कक्ष को गर्म किया जाता है और उसमें मौजूद गैस सक्रिय हो जाती है। इस तरह चक्का से आपस में जुड़े पिस्टन हिलने लगते हैं।
स्टर्लिंग इंजन के लाभ
- चूंकि गर्मी बाहरी रूप से लागू होती है, इसलिए हम ईंधन और वायु मिश्रण को सटीक रूप से नियंत्रित कर सकते हैं।
- चूँकि ऊष्मा प्रदान करने के लिए एक सतत ऊष्मा स्रोत का उपयोग किया जाता है, इसलिए बिना जले ईंधन की मात्रा बहुत कम होती है।
- इस प्रकार के इंजन को अपने शक्ति स्तर पर इंजन प्रकारों की तुलना में कम रखरखाव और स्नेहन की आवश्यकता होती है।
- वे आंतरिक दहन इंजन की तुलना में संरचना में काफी सरल हैं।
- वे कम दबाव में भी काम कर सकते हैं, वे भाप स्रोत मशीनों की तुलना में अधिक सुरक्षित हैं।
- कम दबाव हल्के और अधिक टिकाऊ सिलेंडरों के उपयोग की अनुमति देता है।
स्टर्लिंग इंजन के नुकसान
- ईंधन की बचत के मामले में लागत अधिक है, क्योंकि इंजन की पहली शुरुआत में आवश्यक गर्मी की आवश्यकता होती है।
- उसकी शक्ति को एक अलग स्तर पर ले जाना काफी मुश्किल है।
- कुछ स्टर्लिंग इंजन जल्दी शुरू नहीं हो सकते। उन्हें पर्याप्त गर्मी की जरूरत है।
- आमतौर पर हाइड्रोजन गैस का प्रयोग बंद कक्ष में किया जाता है। हालांकि, जब इस गैस के अणु काफी छोटे होते हैं, तो इसे चेंबर में रखना मुश्किल होता है। इसलिए, हमें अतिरिक्त लागतों का सामना करना पड़ता है।
- कूलर वाले हिस्से को पर्याप्त गर्मी अवशोषित करनी चाहिए। यदि बहुत अधिक गर्मी का नुकसान होता है, तो इंजन की दक्षता कम हो जाएगी।
स्टर्लिंग इंजन अनुप्रयोग क्षेत्र
स्टर्लिंग इंजन का उपयोग कम शक्ति वाले विमानन इंजनों, समुद्री इंजनों, ताप पंपों, संयुक्त ताप और विद्युत प्रणालियों में किया जाता है। आज, इसका उपयोग ज्यादातर सौर पैनल क्षेत्रों में बिजली उत्पन्न करने के लिए किया जाता है।
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