طراحی و ساخت یک موتور استرلینگ پیستون آزاد مولد برق

قابلیت¬ها و ویژگی¬های منحصر بفرد موتورهای استرلینگ این موتورها را برای بازه وسیعی از کاربردها مناسب می¬سازد. اگر چه این موتورها در مقایسه با موتورهای احتراق داخلی از توان مخصوص کمتری برخوردار هستند در عوض از ساختمان ساده¬ای بهره می¬برند و این مسئله باعث عمر بالا و قابلیت اطمینان بیشتر شده است. موتورهای پیستون آزاد ساختمان به مراتب ساده¬تری دارند و با استفاده از آب بندهای ویژه، اصطکاک در آنها به حداقل خود رسیده است. عمر بالاتر و قابلیت کارکرد این موتورها با هر منبع حرارتی باعث شده است که این موتورها برای تولید برق خورشیدی مورد استفاده قرار گیرند. امروزه تعدادی از سفینه¬های فضایی برای ماموریت¬های دورتر از مریخ از این موتورها برای تولید برق بهره می¬برند. در این پایان نامه در ابتدا با استفاده از تحلیل ایزوترمال و تحلیل دینامیکی خطی یک موتور استرلینگ پیستون آزاد طراحی شده است. پس از مشخص شدن ابعاد اصلی موتور، طراحی یاتاقان¬های منعطف پیستون و جابجاکننده با کمک نرم¬افزار abaqus انجام گرفته و نقشه¬های نهایی موتور تهیه شده است. با استفاده از نقشه-های بدست آمده موتور طراحی شده به طور کامل ساخته شده و پس از مونتاژ قطعات راه¬اندازی شده¬است. با توجه به امکانات کم برای تست دقیق موتور فرکانس کاری موتور به کمک فرکانس جریان خروجی اندازه¬گیری شده است. فرکانس کاری موتور در حال حاضر 43 هرتز است که البته می-توان با تغییرات جزیی فرکانس کاری موتور را به 60 هرتز رساند. با توجه به ساده سازی¬هایی که در تحلیل ایزوترمال وجود دارد، برای بهینه¬سازی موتور لازم است که از تحلیل¬های عددی برای شبیه¬سازی موتور بهره گرفته شود. به این منظور با استفاده از کد تجاری fluent یک شبیه¬سازی دو بعدی غیر دائم از موتور ارائه شده است. در این شبیه سازی از قابلیت مش متحرک و لغزان موجود در نرم¬افزار برای ایجاد حرکت اجزای متحرک استفاده شده است. لازم به ذکر است این شبیه¬سازی گام ابتدایی برای تحلیل¬های دقیق¬تر از موتور در آینده خواهد بود و می¬توان جزئیات بیشتری را به آن اضافه کرد. پس از رسیدن به حالت شبه دائمی، توان خروجی موتور محاسبه شده است. حل عددی نشان داد که استفاده از قابلیت شبکه متحرک مقرون به صرفه است و در حال حاضر مشکل عمده موتور در مبدل¬های حرارتی آن است. به علت انحراف فرآیندها از حالت ایده آل ایزوترم توان خروجی محاسبه شده حدود یک سوم توان سیکل اشمیت است. مقدار توان خروجی حدود 10 وات بدست آمده است که با توجه به بهینه نبودن مبدل¬ها می¬توان آن را در آینده با طراحی مبدل¬های مناسب تا حدود 40 وات افزایش داد.