مولد حراري ميكانيكي

الأسطوانة الحرة

في هذا الإطار، يعتمد التصميم على ما وصف بالمحرك ذي الأسطوانة الحرة، إذ يُثبت المحرك كله على نوابض ويسمح له بقدر محدود من الحركة الاهتزازية. وتستعمل هذه الحركة في تحقيق اقتران ديناميكي بين المزيح والمكبس، ويساعد ذلك في تشغيل الدورة دون الحاجة إلى عمود مرفقي تقليدي.

كذلك، ويرتبط هذا المبدأ بمفهوم محركات المكبس الحر، التي لا تعتمد على آلية ميكانيكية خارجية لفرض مسار الحركة على المكبس، بل تسمح للحركة بأن تتحدد من خلال التفاعل بين قوى الغاز والعناصر المرنة وكتل الأجزاء المتحركة.

الأداء والاعتمادية

في هذا الإطار، وفي تقرير منشور سنة 1974، أشار كوك-ياربورو وزملاؤه إلى نجاح تطوير منظومة محرك حراري-مولد كهربائي قادرة على إنتاج عشرات الواطات من التيار المتناوب، مع كفاءة تحويل بلغت نحو 13% في النموذج المبلغ عنه آنذاك، وإمكان تحسينها في مراحل لاحقة.

من جانب آخر، أظهرت أعمال هارويل أن المولد الحراري الميكانيكي يمكنه إنتاج قدرات كهربائية صغيرة بصورة مستمرة لفترات طويلة. وتشير تقارير التشغيل إلى استخدام وحدات من هذا النوع في تطبيقات بعيدة، منها عوامات بحرية ومنارة، كما سجل أحد نماذج التطوير المرتبطة بمصدر حراري إشعاعي أكثر من 90000 ساعة من التشغيل المختبري المتواصل بحلول وقت إعداد التقرير.

المزيح والمجدد

في هذا الإطار، المزيح عبارة عن أسطوانة مجوفة من الفولاذ المقاوم للصدأ، ويكون معلقًا بواسطة نابض معدني منخفض الفواقد داخل الأسطوانة.

إضافةً إلى ذلك، وتستعمل منطقة حلقية ضيقة بين المزيح وجدار الأسطوانة بوصفها جزءًا من منظومة التجديد الحراري. ويُعد هذا الترتيب أبسط وأقل كلفة من بعض تصميمات المجددات المعتمدة على الشبكات السلكية.

القيود

ومن ناحية أخرى، رغم مزايا التصميم، فإن المولد الحراري الميكانيكي يعاني عددًا من القيود. فالمجدد الحلقي البسيط أقل كفاءة من بعض أنواع المجددات الأخرى، ويسهم ذلك في خفض الكفاءة الحرارية الكلية في بعض إصدارات التصميم.

وفي هذا السياق، لذلك كان تصميم TMG موجهًا أساسًا إلى تحقيق الاعتمادية والعمر التشغيلي الطويل والقدرة الصغيرة، وليس إلى الوصول إلى أعلى كفاءة حرارية أو أعلى قدرة نوعية ممكنة.

• انظر كذلك
• محرك ستيرلينغ
• دورة ستيرلينغ
• مولد كهربائي
• مولد خطي
• مبادل حراري
• محرك حراري
• هندسة حرارية
• مكبس
• هيليوم
• المراجع

وفي السياق ذاته، كما تحد الخصائص الميكانيكية للغشاء المفصلي من مقدار الشوط الممكن، وهو ما يحد بدوره من القدرة القصوى الممكنة للتصميم. وقد قدر ويست القدرة القصوى الممكنة لهذا النوع من المحركات في نطاق يقارب 500 إلى 1000 واط وفق حدود التصميم المدروسة.

الوصف

ومن جهة أخرى، يتميز المزيح كذلك بفواقد منخفضة، وهو ما يسهل تحليل أداء المحرك مقارنةً ببعض التصميمات التقليدية لمحركات ستيرلينغ.

علاوةً على ذلك، يستعمل المجدد الحراري شكلًا حلقيًا بسيطًا، ويؤدي عدد من الأسطح الداخلية دورًا في تجديد الحرارة خلال الدورة. كما أن المحرك من نوع المكبس الحر، ولذلك لا يحتاج إلى محامل دحروجية أو أختام انزلاقية في منظومة حركة المكبس، مما يقلل الاحتكاك والتآكل. ويكون حيز التشغيل محكم الإغلاق، مما يسمح باستخدام غاز الهيليوم المضغوط لفترات تشغيل طويلة.

في هذا الإطار، يتميز المحرك بأسطوانات تقترب من السلوك متساوي الحرارة. ويرتبط ذلك بعدة خصائص في التصميم، منها أن مساحة السخان تغطي نهاية الأسطوانة، وأن المحرك قصير الشوط وذو أسطوانات عريضة وضحلة، مما يعطي نسبة مرتفعة نسبيًا بين مساحة السطح والحجم. كما أن سمك حيز الغاز صغير، واستعمل الهيليوم بوصفه مائع التشغيل، وهو مناسب في تطبيقات محركات ستيرلينغ بسبب خواصه الحرارية.

كذلك، يتميز التصميم بعدد من الخصائص التي تهدف إلى خفض الكلفة وتحسين الاعتمادية. فتصميم السخان بسيط مقارنةً بالسخانات الأنبوبية أو ذات الزعانف المستعملة في بعض محركات ستيرلينغ التقليدية، كما أن المبادلات الحرارية الخاصة بالسخان والمبرد بسيطة ميكانيكيًا.

الغشاء المفصلي

في هذا الإطار، كان من الخصائص المميزة للمحرك مكبس القدرة الذي اخترعه كوك-ياربورو، والذي عُرف باسم الغشاء المفصلي . ويتكون من حلقة من الفولاذ المقاوم للصدأ مثبتة عند الحافة الخارجية والداخلية بواسطة حلقات مرنة.

وفي هذا الصدد، تسمح هذه الحلقات بالحركة المرنة دون انزلاق بالنسبة إلى الأسطح الملامسة، لذلك لا يحتاج هذا الجزء إلى تشحيم انزلاقي تقليدي، وينخفض التآكل الناتج عن الاحتكاك بصورة كبيرة.

علاوةً على ذلك، وقد كان استخدام الأغشية المرنة جزءًا مهمًا من توجه التصميم نحو تقليل عدد الأجزاء المتحركة وتقليل متطلبات الصيانة وزيادة مدة التشغيل.

المزايا

كذلك، حقق تصميم TMG عددًا من المزايا مقارنةً ببعض محركات ستيرلينغ التقليدية، من أهمها:

• بساطة منظومة السخان والمبادلات الحرارية.
• انخفاض عدد الأجزاء التي تتطلب حركة انزلاقية.
• انخفاض الاحتكاك والتآكل.
• إمكانية إحكام حيز التشغيل واستخدام غاز الهيليوم المضغوط.
• ملاءمته لتطبيقات القدرة الصغيرة طويلة الأمد.
• إمكانية استخدام مصادر حرارية متعددة بدل الاعتماد على احتراق وقود معين.

المواصفات

ومن جهة أخرى، فيما يلي مواصفات نموذج HoMach TMG 120 كما أوردها كولين ويست في كتابه عن محركات ستيرلينغ:

حيز الانضغاط والتبريد

كذلك، وفي أحد النماذج التطويرية استعمل غشاء مفصلي مزدوج يحتوي على ماء تبريد، وكان الماء يُضخ بواسطة نظام حراري سايفون .

ومن جهة أخرى، يقع حيز الانضغاط بين مركز مكبس القدرة والمزيح، ويجري تبريده بالتوصيل الحراري عبر مكبس القدرة.

إضافةً إلى ذلك، يتغير عمق حيز الانضغاط أثناء الدورة نتيجة الحركة النسبية بين المزيح ومكبس القدرة، مع وجود فرق طور يقارب 90 درجة بين حركتيهما.

التطبيقات

علاوةً على ذلك، وقد أظهرت تقارير التشغيل البحرية استخدام مولدين بقدرة 25 واط لتزويد عوامة وطنية بريطانية بالطاقة خلال رحلتين متتاليتين، كما استُخدمت وحدة بقدرة 60 واط لتزويد منارة بالطاقة لأكثر من سنة.

كذلك، كان الهدف الأساسي للمولد الحراري الميكانيكي توفير مصدر قدرة صغير ومستقل يمكن تشغيله لفترات طويلة مع متطلبات صيانة محدودة. وشملت التطبيقات التي دُرست أو اختبرت لمفهوم TMG:

• مصادر القدرة الكهربائية البعيدة.
• التطبيقات البحرية، بما في ذلك تشغيل عوامات بحرية.
• تشغيل أنظمة الإضاءة والمعدات في المواقع النائية.
• نظم القدرة طويلة الأمد.
• تحويل الحرارة الناتجة من مصادر مثل النظائر المشعة إلى طاقة كهربائية.