स्टर्लिङ इन्जिन

स्टर्लिङ इन्जिन एक ताप इन्जिन हो जुन हावा, ग्यास वा कुनै पनि तरल पदार्थको भिन्न भिन्न तापक्रममा चक्रीय दबाब र बिस्तार द्वारा यस प्रकारले संचालित हुन्छ कि तापलाई यान्त्रिक कार्य मा रूपान्तरण हुन्छ।

अल्फा प्रकारको स्टर्लिङ इन्जिन। एक विस्तार सिलिन्डर (रातो) उच्च तापक्रममा राखिएको छ जबकि कम्प्रेसन सिलिन्डर (नीलो) चिसो छ। रिजेनेरेटर दुई सिलिन्डरहरू बीचको बाटोमा समावेश गरिएको छ।

यो इन्जिन स्टीम इन्जिन जस्तै हुन्छ जसमा सम्पूर्ण ताप इन्जिनको बाहिरी सतहबाट स्थानान्तरण गरिन्छ। यसलाई परम्परागत रूपमा आन्तरिक दहन इन्जिनको विपरित बाह्य दहन इन्जिनको रुपमा जानिन्छ। यसमा कार्यरत तरल Working Fluidको मात्रा भित्र इन्धनको दहनबात ताप इनपुट हुन्छ। वाष्प इन्जिनद्वारा कार्यरत तरल को रुपमा तरल तथा ग्यास, दुवै पदार्थमा पानीको प्रयोग हुन्छ भने स्टर्लिङ इन्जिनमा हावा वा हिलियम जस्ता ग्यासयुक्त तरल पदार्थको निश्चित मात्रालाई स्थायी रूपमा संलग्न गरिन्छ। सबै ताप इन्जिनमा जास्तई यसमा पनि ग्यासको कप्रेसन, ग्यासको तापक्रम बढाउने, गरम ग्यासको बिस्तार र ग्यासको ताप उत्सर्जन गर्ने चक्र समावेश हुन्छ।

स्टर्लिङ इन्जिन को परिकल्पना मूलतः को सन् १८१६ मा वाष्प इन्जिनको विकल्पको रूपमा औद्योगिक प्राइम मूभर (Prime Mover)को रूपमा गरिएको थियो। यसको व्यावहारिक प्रयोग बृहत स्तरमा एक शताब्दी भन्दा बढीको लागि कम-शक्ति घरेलु उपकरणहरूमा सीमित थियो। स्टर्लिङ इन्जिन आफ्नो उच्च दक्षता (४०% सम्म ), सहज सञ्चालन, र जुनसुकै ताप स्रोत प्रयोग गर्न सक्ने सहजताका लागि परिचित छ। यो इन्जिनले हाल माइक्रो कम्बाइन्ड हिट एण्ड पावर (CHP) इकाइहरूको कोर कम्पोनेन्टको रूपमा बढ्दो चासो पाइरहेको छ, जसमा यो तुलनात्मक स्टीम इन्जिन भन्दा बढी प्रभावकारी र सुरक्षित छ। अन्तरिक्ष अनुसन्धानमा प्रयोगको लागि स्टर्लिङ इन्जिनमा (विशेष गरी बिना पिस्टन प्रकारको) पनि नासा द्वारा विचार गरिँदैछ।

नाम र परिभाषा

सन् १८१६ मा बन्द चक्रीय वायु इन्जिनको पहिलो व्यावहारिक उदाहरणको स्कटिश आविष्कारक रोबर्ट स्टर्लिङ थिए र १८८४ को को शुरुवातमा फ्लेमिङ जेन्किनले त्यस्ता इन्जिनहरूलाई सामान्य रूपमा स्टर्लिंग इन्जिनको रुपमा परिभाषित गर्न प्रस्ताव गरेका थिए। यो नामकरण प्रस्तावले धेरै समर्थन प्राप्त गर्न सकेन र बजारमा उपलब्ध विभिन्न प्रकारका इन्जिनहरूलाई यसको व्यक्तिगत डिजाइनर वा निर्माताको नामबाट परिचित थिए, जस्तै राइडर, रोबिन्सन वा हेनरीसीको हट एयर इन्जिन (Hot Air Engine) ।

सन् १९४० को दशकमा, फिलिप्स (Philips) कम्पनीले 'एयर इन्जिन' को आफ्नै संस्करणको लागि उपयुक्त नाम खोजिरहेको थियो, जुन त्यस समयसम्म अन्य ग्यासहरूसँग परीक्षण गरिएको थियो र अन्ततः अप्रिल १९४५ मा यसको नाम स्टर्लिङ इन्जिन तय गरियो । यद्यपि, लगभग तीस वर्ष पछि, ग्राहम वाकरले यस तथ्यमाथि दुख व्यक्त गरे कि हट एयर इन्जिन जस्ता शब्दावलीहरू स्टर्लिङ इन्जिनसँग एकान्तर रूपमा प्रयोग गरिन थाल्यो, जुन आफैंमा व्यापक र अन्धाधुन्ध रूपमा प्रयोग गरिएको थियो। स्थिति अब केही सुधार भएको छ, कम्तिमा शैक्षिक साहित्यमा, र यो अब आम स्तरमा यो कुरा स्वीकार गरिएको छ कि 'स्टर्लिङ इन्जिन' ले विशेष रूपमा एक स्थिर ग्यासीय काम गर्ने तरल पदार्थको साथ बन्द-चक्र पुन: उत्पन्न ताप इन्जिनलाई बुझाउँछ, जहाँ बन्द-चक्रिक हुन्छ। एक थर्मोडायनामिक प्रणालीको रूपमा परिभाषित गरिएको छ जसमा काम गर्ने तरल पदार्थ स्थायी रूपमा प्रणाली भित्र निहित हुन्छ र पुन: उत्पन्न गर्ने एक विशेष प्रकारको आन्तरिक हिट एक्सचेन्जर र थर्मल स्टोरको प्रयोगलाई पुन: उत्पन्न गर्ने भनेर चिनिन्छ। यस्तै एक इन्जिन सन् १९३१ मा थियो जुन यसै सिद्धान्तमा काम गर्थ्यो तर ग्यासको सट्टा तरल प्रयोग गर्‍यो र मालोन ताप इन्जिन (Malon Heat Engine) भनिन्थ्यो।

स्टर्लिङ्ग इन्जिन एक बाह्य दहन इन्जिन हो जसले आफ्नो काम गर्ने तरल पदार्थलाई बाह्य ताप स्रोतबाट आपूर्ति भइरहेको ऊर्जा इनपुटबाट अलग गर्छ। स्टर्लिङ इन्जिनका धेरै सम्भावित कार्यान्वयनहरू छन्, जसमध्ये धेरै जसो रेसिप्रोकेटिङ पिस्टन इन्जिनको श्रेणीमा पर्छन्।

कार्यात्मक विवरण

इन्जिन यस्तो डिजाइन गरिएको छ कि काम गर्ने ग्यास सामान्यतया इन्जिनको चिसो भागमा संकुचित हुन्छ र तातो भागमा विस्तार हुन्छ, जसको परिणामस्वरूप ताप शक्ति भौतिक कार्य मा रुपान्तरित हुन्छ। एक आन्तरिक पुनरुत्पादक हिट एक्सचेंजर (Heat Exchanger) ले स्टर्लिङ इन्जिनको थर्मल दक्षता (Thermal Efficiency) बढाउँछ, यो विशेषता सामान्य अन्य ताप इन्जिनमा फेला पर्दैन।

प्रमुख घटक

बन्द चक्र सञ्चालनको परिणाम स्वरूप, स्टर्लिङ इन्जिन चलाउने तापलाई स्रोतबाट कार्यरत तरल पदार्थमा ताप एक्सचेन्जर (Heat Exchanger) मार्फत प्रवाहित हुन्च्च र अन्ततः ताप सिङ्कमा जान्छ। स्टर्लिङ्ग इन्जिन प्रणालीमा कम्तिमा तापको एउटा स्रोत, एउटा ताप सिङ्क र पाँचवटा ताप एक्सचेन्जरहरू हुन्छन्। केही प्रकारहरूमा यसलाई संयुक्त गर्न सकिन्छ वा यसलाई छोड्न सकिन्छ।

ताप स्रोत

यसको केन्द्रमा स्टर्लिङ्ग इन्जिन र स्पेनको Plataforma Solar de Almeria (PSA) मा सौर्य ट्रयाकरको साथ पोइन्ट फोकस प्याराबोलिक मिरर

तापको स्रोत इन्धनको दहन हुन सक्छ। दहन उत्पादनहरूले कार्यरत तरल पदार्थ (Working Fluid) (अर्थात् बाह्य दहन) सँग मिश्रित हुँदैन र इन्जिनको आन्तरिक गतिशील भागहरूसँग सम्पर्कमा आउँछ। स्टर्लिङ इन्जिनलाई ल्यान्डफिल ग्यास सिलोक्सेन जस्ता इन्धनमा पनि चलाउन सकिन्छ जसले अन्य (अर्थात, आन्तरिक दहन) ले इन्जिनको भित्री भागलाई खराब गर्न सक्छ।

केही अन्य उपयुक्त ताप स्रोतहरूमा सौर्य ऊर्जा, भू-तापीय ऊर्जा, आणविक ऊर्जा, अपशिष्ट ताप वा जैविक पनि समावेश छन्। यदि सौर्य उर्जा उपयोग गर्ने हि भने, नियमित सौर्य ऐना र सौर्य सामग्री प्रयोग गर्न सकिन्छ। यस बाहेक , फ्रेसनेल लेन्सको प्रयोगलाई अगाडी सारिएको छ (जस्तै ग्रह सतह अन्वेषणको लागि)। सौर्य शक्तिबाट चल्ने स्टर्लिङ्ग इन्जिनहरूको लोकप्रियता बढ्दै गैइरहेको छ, किनकि तिनीहरू बिजुली उत्पादनको लागि उत्कृष्ट वातावरणीय विकल्प हुन्। थप रूपमा, त्यस्ता इन्जिन विकास परियोजनाहरूमा केही डिजाइनहरू आर्थिक रूपमा आकर्षक छन्।

रिक्यूपरेटर

रिक्यूपरेटर एक वैकल्पिक ताप एक्सचेंजर (Heat Exchanger) हो, जुन दहन ईन्धन इनपुटबाट मेकानिकल ऊर्जा उत्पादनमा उच्च दक्षता चाहिएको बेला प्रयोग गरिन्छ। उच्च क्षमताको इन्धनबाट चल्ने इन्जिनको हिटरलाई उच्च तापक्रममा काम गर्नु पर्ने हुनाले, दहनका लागि आवश्यक हावालाई पहिले तताएर चिसो नगरेसम्म बर्नरबाट निस्कने दहन ग्यासबाट उल्लेखनीय ताप हानि हुन्छ। संयुक्त ताप र पावर प्रणाली (Combined Heat and Power System)हरूमा प्रयोग गरिएका इन्जिनहरूले इन्जिनको "चिसो" भागहरूमा निकास ग्यासहरूलाई चिसो पार्न सक्छ।

हीटर

सानो, कम क्षमताको इन्जिनहरूमा सामान्यतया भित्ता तताउने ठाउँहरू समावेश गर्दछ तर जहाँ ठूला शक्तिहरू आवश्यक हुन्छन् पर्याप्त ताप एक्सचेंजरको लागि ठूलो सतह क्षेत्र आवश्यक हुन्छ। सामान्य कार्यान्वयनहरूमा भित्री र बाहिरी पखेटाहरू वा धेरै साना बोरहरूको ट्यूबहरू हुन्छन्।

स्टर्लिङ इन्जिन हीट एक्सचेन्जरको डिजाइन कम चिपचिपापन पम्पिङ हानि र कम डेड स्पेसको साथ उच्च ताप स्थानान्तरण बीचको सन्तुलन हो। उच्च शक्ति र दबाबमा चल्ने इन्जिनको अवस्थामा, तातो भाग ताप एक्सचेंजर यस्तो तापक्रममा उच्च शक्ति कायम राख्ने मिश्र धातुबाट बनेको हुनुपर्छ र क्षय वा ढिलो हुँदैन।

वैकल्पिक रूपमा, तापलाइ बाहिरी तापक्रममा फाल्न सकिन्छ र ताप सिंक लाई क्रायोजेनिक तरल पदार्थ (तरल नाइट्रोजन प्रणाली हेर्नुहोस्) वा ठण्डा पानीद्वारा कम तापक्रममा राखिन्छ ।

सिलिन्डरको तातो र चिसो भागमा काम गर्ने तरिकाको आधारमा मुख्य रुपमा २ प्रकारका स्टर्लिङ इन्जिन :

ताप सिंक

मध्यदेखि उच्च शक्ति इन्जिनको मामिलामा इन्जिनबाट बाहिरी हावामा ताप फाल्नको लागि रेडिएटरको आवश्यकता हुन्छ। समुद्री इन्जिन (Marine Engine)हरूले बाहिरी पानीको प्रयोग गर्न सक्छन्। संयुक्त तातो र पावर प्रणाली (Combine Heat and Power) को मामलामा, इन्जिन कूलिङ पानी प्रत्यक्ष वा अप्रत्यक्ष रूपमा तताउने उद्देश्यका लागि प्रयोग गरिन्छ।

लेआउट

1. दुई-पिस्टन अल्फा प्रकारको डिजाइनमा स्वतन्त्र सिलिन्डरहरूमा पिस्टन हुन्छ र तातो र चिसो ठाउँहरू बीचमा ग्यास संचालित हुन्छ।
2. विस्थापन-प्रकार स्टर्लिङ्ग इन्जिनहरू, बिटा र गामा प्रकारको रुपमा जानिन्छ, सिलिन्डरको तातो र चिसो भागहरू बीचको काम गर्ने ग्यासलाई दबाउन इन्सुलेटेड मेकानिकल विस्थापक प्रयोग गर्दछ। सिलिन्डरको तातो र चिसो पक्षहरूलाई सजिलै थर्मल रूपमा इन्सुलेट गर्न र ग्यासको ठूलो भागलाई विस्थापित गर्न विस्थापन पर्याप्त छ। विस्थापनकर्ता र सिलिन्डर पर्खालको बीचमा पर्याप्त अन्तर हुनुपर्दछ ताकि विस्थापकको वरिपरि ग्यासको सहज प्रवाह हुन सक्छ।

अल्फा स्टर्लिङ

एक अल्फा स्टर्लिङ मा भिन्न भिन्न सिलिन्डरमा दुई पावर पिस्टन हुन्छ, जसमा एक तातो र एक चिसो हुन्छ। तातो सिलिन्डर उच्च तापक्रमको ताप एक्सचेंजर (Heat Exchanger) भित्र र चिसो सिलिन्डर कम तापक्रम ताप एक्सचेंजर भित्र स्थित छ। यस प्रकारको इन्जिनमा पावर-टू-भोल्युम अनुपात (Power to Volume Ratio) उच्च हुन्छ तर तातो पिस्टनको उच्च तापक्रम र यसको सिलहरूको स्थायित्वका कारण सामान्यतया प्राविधिक समस्या हुन्छ। व्यावहारिक अभ्यासमा, केही अतिरिक्त मृत ठाउँको लागतमा तातो क्षेत्रको सिल हटाउनको लागि सामान्यतया ठूलो इन्सुलेट आवश्यक पर्छ ।