स्टर्लिंग इंजन

एक स्टर्लिंग इंजन का मॉडल जो इसकी सरलता दर्शाता है। भाप इंजन या आंतरिक दहन इंजन के विपरीत, इसमें कोई वाल्व या टाइमिंग ट्रेन नहीं है। ताप स्रोत (दिखाया नहीं गया) पीतल के सिलेंडर के नीचे रखा जाएगा।

स्टर्लिंग इंजन एक ऊष्मा इंजन है जो विभिन्न तापमानों के बीच चक्रीय संपीड़न और वायु या अन्य गैस ("कार्यशील द्रव") के विस्तार द्वारा संचालित होता है, जिसके परिणामस्वरूप यांत्रिक कार्य (भौतिकी) में ऊष्मा ऊर्जा का शुद्ध रूपांतरण होता है।^[1]^[2]

अधिक विशेष रूप से, स्टर्लिंग इंजन एक स्थायी गैसीय कार्यशील द्रव के साथ एक बंद-चक्र पुनर्योजी ऊष्मा इंजन है। इस संदर्भ में, बंद-चक्र का अर्थ एक उष्मागतिकीय प्रणाली है जिसमें कार्यशील द्रव प्रणाली के भीतर स्थायी रूप से समाहित होता है, और पुनर्योजी एक विशिष्ट प्रकार के आंतरिक ताप विनिमायक और ताप भंडार के उपयोग का वर्णन करता है, जिसे पुनर्योजी ताप विनिमायक के रूप में जाना जाता है। कड़े शब्दों में कहें तो पुनर्योजी का समावेश स्टर्लिंग इंजन को अन्य संवृत चक्र गर्म हवा का इंजन से अलग करता है।^[3]

स्टर्लिंग इंजन में, इंजन के आंतरिक स्थान (सिलेंडर) के बाहर से आपूर्ति की गई ऊर्जा द्वारा एक गैस को गर्म और विस्तारित किया जाता है। इसके बाद इसे इंजन के भीतर एक अलग स्थान पर भेज दिया जाता है, जहां इसे ठंडा और संपीड़ित किया जाता है। एक पिस्टन (या पिस्टन) चक्र में सही समय पर इंजन के भीतर गैस को सही स्थानों पर ले जाता है, और इससे यांत्रिक शक्ति निकालता है। गैस इन तापीय और शीतन स्थानों के बीच दोलन करती है, तापमान और दबाव बदलते ही यह बदल जाता है। एक अनूठी विशेषता पुनर्योजी है, जो ऊष्माशोषी में संग्रह करने के बजाय मशीन के भीतर गर्मी बनाए रख के एक अस्थायी हीट स्टोर के रूप में कार्य करता है, जिससे इसकी दक्षता बढ़ती है।

गर्मी की आपूर्ति बाहर से की जाती है, इसलिए इंजन के गर्म क्षेत्र को किसी भी बाहरी ताप स्रोत से गर्म किया जा सकता है। इसी तरह, इंजन के ठंडे हिस्से को बाहरी ऊष्माशोषी बनाए रखा जा सकता है, जैसे बहता पानी या वायु प्रवाह। इंजन में गैस को स्थायी रूप से बनाए रखा जाता है, जिससे सबसे उपयुक्त गुणों वाली गैस का उपयोग किया जा सकता है, जैसे हीलियम या हाइड्रोजन। इसमे कोई ग्राह्यता नहीं है और कोई निकास गैस प्रवाहित नहीं होती है इसलिए मशीन व्यावहारिक रूप से मौन है।

मशीन प्रतिवर्ती है ताकि यदि अरालदंड को बाहरी शक्ति स्रोत द्वारा घुमाया जाए तो मशीन में एक तापमान अंतर विकसित हो जाएगा, इस तरह यह ऊष्मा पम्प के रूप में कार्य करता है।

स्टर्लिंग इंजन का आविष्कार स्कॉट्समैन रॉबर्ट स्टर्लिंग ने किया था^[4]1816 में भाप का इंजन को टक्कर देने के लिए एक औद्योगिक आद्य चालक (इंजन) के रूप में, और इसका व्यावहारिक उपयोग मोटे तौर पर एक सदी से अधिक समय तक कम-शक्ति वाले घरेलू अनुप्रयोगों तक ही सीमित था।^[5]

समकालीन नवीकरणीय ऊर्जा व्यावसायीकरण, विशेष रूप से सौर ऊर्जा, ने केंद्रित सौर ऊर्जा के भीतर और ताप पंप के रूप में इसके अनुप्रयोग को जन्म दिया है।

इतिहास

वायु इंजन अभिकल्पित के रॉबर्ट स्टर्लिंग के 1816 के एकस्वित आवेदन से चित्रण जिसे बाद में स्टर्लिंग इंजन के रूप में जाना जाने लगा

प्रारंभिक गर्म वायु इंजन

रॉबर्ट स्टर्लिंग को गर्म हवा के इंजनों के पिता में से एक माना जाता है, कुछ पूर्ववर्तियों के बावजूद - विशेष रूप से गुइलौमे एमोंटोंस,^[6]जो 1699 में पहला काम करने वाला गर्म हवा का इंजन बनाने में सफल रहे।^[7]

आमोनटोनस के बाद सर जॉर्ज केली आए थे।^[8]यह इंजन प्रकार उनमें से था जिसमें आग संलग्न है, और दहन को बनाए रखने के लिए पर्याप्त मात्रा में भट्ठी के नीचे पंप द्वारा हवा दिया जाता है, जबकि हवा का सबसे बड़ा हिस्सा आग के ऊपर प्रवेश करता है, गर्म और विस्तारित होने के लिए; संपूर्ण, दहन के उत्पादों के साथ, फिर पिस्टन पर कार्य करता है, और कार्यशील सिलेंडर से गुजरता है; और संचालन केवल साधारण मिश्रण में से एक है, धातु को किसी गर्म सतह की आवश्यकता नहीं है, हवा को गर्म करने के लिए आग को तत्काल संपर्क में लाया जा रहा है।

स्टर्लिंग 1816 में पहला वायु इंजन लेकर आया।^[9]स्टर्लिंग एयर इंजन का सिद्धांत सर जॉर्ज केली (1807) के सिद्धांत से भिन्न है, जिसमें हवा को भट्टी के माध्यम से प्रणोदित किया जाता है और समाप्त कर दिया जाता है, जबकि स्टर्लिंग के इंजन में हवा एक बंद सर्किट में काम करती है। आविष्कारक ने अपना अधिकांश ध्यान उसी पर समर्पित किया।

ए 2-horsepower (1.5 kW) आयरशायर खदान में पानी पंप करने के लिए 1818 में बनाया गया इंजन, कुछ समय तक काम करता रहा, जब तक कि एक लापरवाह परिचारक ने तापित्र को ज़्यादा गरम नहीं होने दिया। इस प्रयोग ने आविष्कारक को साबित कर दिया कि कम काम के दबाव के कारण, इंजन को केवल छोटी शक्तियों के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, जिसके लिए उस समय कोई मांग नहीं थी।

स्टर्लिंग 1816 एकस्वित^[10]एक अर्थशास्त्री के बारे में भी था, जो पुनर्योजी का पूर्ववर्ती है। इस एकस्वित (# 4081) में उन्होंने गरम करनेवाला तकनीक और कई अनुप्रयोगों का वर्णन किया है जहाँ ऐसी तकनीक का उपयोग किया जा सकता है। उनमें से एक गर्म हवा के इंजन के लिए एक नई व्यवस्था आई।

1827 में स्टर्लिंग ने अपने भाई जेम्स के साथ मिलकर एक दूसरे गर्म हवा के इंजन का एकस्वित कराया।^[11]उन्होंने डिज़ाइन को उल्टा कर दिया ताकि विस्थापितों के गर्म सिरे उपकरण के नीचे हो, और उन्होंने एक संपीड़ित वायु पंप जोड़ा ताकि भीतर की हवा को दबाव में लगभग बढ़ाया जा सके 20 standard atmospheres (2,000 kPa).

दो स्टर्लिंग भाइयों के कुछ ही समय बाद (1828) पार्किंसंस एंड क्रॉसली और अर्नॉट द्वारा अनुगमन किया गया^[12]1829 में।

ये पूर्ववर्ती, जिनके लिए एरिक्सन^[13]जोड़ा जाना चाहिए, दुनिया के लिए गर्म हवा इंजन प्रौद्योगिकी और भाप इंजन पर इसके भारी फायदे लाए हैं। उनमें से प्रत्येक अपनी विशिष्ट तकनीक के साथ आया था, और हालांकि स्टर्लिंग इंजन और पार्किंसंस और क्रॉसली इंजन काफी समान थे, रॉबर्ट स्टर्लिंग ने पुनर्योजी का आविष्कार करके खुद को अलग किया।

पार्किंसंस और क्रॉस्ले ने वातावरण की तुलना में अधिक घनत्व वाली हवा का उपयोग करने का सिद्धांत पेश किया, और इस तरह एक ही प्रकार में अधिक शक्ति का इंजन प्राप्त किया। जेम्स स्टर्लिंग ने इसी विचार का अनुसरण किया जब उन्होंने प्रसिद्ध डुंडी इंजन का निर्माण किया।^[14]

1827 का स्टर्लिंग एकस्वित 1840 के स्टर्लिंग तीसरे एकस्वित का आधार था।^[15]1827 के एकस्वित मामूली लेकिन आवश्यक थे, और इस तीसरे एकस्वित ने डुंडी इंजन का नेतृत्व किया।^[16]

जेम्स स्टर्लिंग ने 1845 में इंस्टीट्यूशन ऑफ सिविल इंजीनियर्स को अपना इंजन प्रस्तुत किया।^[17]इस तरह का पहला इंजन, जो विभिन्न संशोधनों के बाद, कुशलतापूर्वक निर्मित और गर्म किया गया एक सिलेंडर था। 30 centimetres (12 inches) व्यास में, स्ट्रोक की लंबाई के साथ 60 centimetres (2 ft), और एक मिनट में (40 rpm) 40 स्ट्रोक या चक्कर लगाए। यह इंजन आठ या दस महीनों के लिए डुंडी फाउंड्री कंपनी की सभी मशीनरी को स्थानांतरित करता है और पहले इसे एक मिनट में 320,000 किग्रा (700,000 पाउंड) 60 सेमी (2 फीट) तक उठाने में सक्षम पाया गया था, जिसकी शक्ति लगभग 16 kilowatts (21 horsepower).

इस शक्ति को अपने कार्यों के लिए अपर्याप्त पाते हुए, डुंडी फाउंड्री कंपनी ने दूसरा इंजन बनाया, जिसमें 40 centimetres (16 inches) व्यास में, का एक स्ट्रोक 1.2 metres (4 feet), और एक मिनट में 28 स्ट्रोक बनाया जब यह इंजन दो साल से अधिक समय तक लगातार संचालन में था, तो इसने न केवल सबसे संतोषजनक तरीके से फाउंड्री का काम किया था, बल्कि इसका परीक्षण (तीसरे मूवर पर घर्षण ब्रेक द्वारा) लगभग 687 tonnes (1,500,000 pounds), लगभग की एक शक्ति 34 kilowatts (45 horsepower) उठाने की सीमा तक किया गया था।.

आविष्कार और प्रारंभिक विकास

स्टर्लिंग इंजन (या स्टर्लिंग के वायु इंजन के रूप में इसे उस समय जाना जाता था) का आविष्कार किया गया था और 1816 में एकस्वित(एकस्वित) कराया गया था।^[18]इसने वायु इंजन#इतिहास का अनुसरण किया, लेकिन संभवत: पहली बार व्यावहारिक उपयोग के लिए रखा गया था, जब 1818 में, स्टर्लिंग द्वारा निर्मित एक इंजन को एक खदान में पानी पंप करने के लिए नियोजित किया गया था।^[19]स्टर्लिंग के मूल एकस्वित का मुख्य विषय हीट एक्सचेंजर था, जिसे उन्होंने विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में ईंधन अर्थव्यवस्था में वृद्धि के लिए एक मित उपयोजित्र कहा। एकस्वित ने अपने अद्वितीय बंद-चक्र गर्म हवा इंजन अभिकल्पित में मित उपयोजित्र के एक रूप में रोजगार का भी विस्तार से वर्णन किया है^[20]जिससे इसे अब आम तौर पर # पुनर्योजित्र के रूप में जाना जाता है। एक इंजीनियर, रॉबर्ट स्टर्लिंग और उनके भाई जेम्स स्टर्लिंग (1800-1876) के बाद के विकास के परिणामस्वरूप मूल इंजन के विभिन्न उन्नत विन्यासों के लिए एकस्वित प्राप्त हुआ, जिसमें दबाव भी शामिल था, जिसने 1843 तक डुंडी के लोहे की ढ़लाई के कारखाने में सभी मशीनरी को चलाने के लिए पर्याप्त बिजली उत्पादन में वृद्धि की थी।^[21]

जेम्स स्टर्लिंग द्वारा जून 1845 में सिविल इंजीनियर्स संस्थान को प्रस्तुत किए गए एक पेपर में कहा गया है कि उनका उद्देश्य न केवल ईंधन बचाना था, बल्कि उस समय के भाप इंजनों के लिए एक सुरक्षित विकल्प बनाना भी था,^[22]जिनके बायलर अक्सर फट जाते थे, जिससे कई चोटें और मौतें होती थीं।^[23]^[24]हालांकि यह विवादित रहा है।^[25]

बिजली और दक्षता को अधिकतम करने के लिए स्टर्लिंग इंजनों को बहुत उच्च तापमान पर चलाने की आवश्यकता ने दिन की सामग्री में सीमाओं को उजागर किया, और उन शुरुआती वर्षों में बनाए गए कुछ इंजनों को अस्वीकार्य रूप से लगातार विफलताओं का सामना करना पड़ा (यद्यपि पतेल् विस्फोटों की तुलना में बहुत कम विनाशकारी परिणाम ).^[26]उदाहरण के लिए, डुंडीफाउंड्री में इंजन को चार वर्षों में तीन गर्म सिलेंडर विफलताओं के बाद भाप इंजन से बदल दिया गया था।^[27]

बाद में 19वीं सदी

राइडर-एरिक्सन इंजन कंपनी द्वारा उन्नीसवीं सदी के उत्तरार्ध/बीसवीं सदी के प्रारंभ में एक विशिष्ट जल पम्पिंग इंजन

डुंडीफाउंड्री इंजन के प्रतिस्थापन के बाद, स्टर्लिंग भाइयों का वायु इंजन के विकास में आगे भागीदारी होने का कोई रिकॉर्ड नहीं है, और स्टर्लिंग इंजन ने फिर कभी औद्योगिक पैमाने पर बिजली स्रोत के रूप में भाप इंजन के साथ प्रतिस्पर्धा नहीं की। (भाप पतेल् सुरक्षित होते जा रहे थे, उदाहरण के लिए हार्टफोर्ड भाप पतेल्^[28]और भाप इंजन अधिक कुशल होते हैं, इस प्रकार प्रतिद्वंद्वी आद्य चालक्स के लिए कम लक्ष्य पेश करते हैं)। हालांकि, 1860 की शुरुआत में, स्टर्लिंग/गर्म हवा के प्रकार के छोटे इंजन उन अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त संख्या में उत्पादित किए गए थे जिनमें निम्न से मध्यम शक्ति के विश्वसनीय स्रोतों की आवश्यकता थी, जैसे कि चर्च के अंगों के लिए हवा पंप करना या पानी उठाना।^[29]ये छोटे इंजन आम तौर पर कम तापमान पर संचालित होते हैं ताकि उपलब्ध सामग्रियों पर कर न लगाया जा सके, और इसलिए ये अपेक्षाकृत अक्षम थे। उनका विक्रय बिंदु यह था कि भाप के इंजनों के विपरीत, उन्हें आग बुझाने में सक्षम किसी भी व्यक्ति द्वारा सुरक्षित रूप से संचालित किया जा सकता था। 1906 राइडर-एरिक्सन इंजन कंपनी कैटलॉग ने दावा किया कि कोई भी माली या साधारण घरेलू इन इंजनों को संचालित कर सकता है और किसी अनुज्ञापत्र प्राप्त या अनुभवी इंजीनियर की आवश्यकता नहीं है।^{[citation needed]} सदी के अंत के बाद भी कई प्रकार के इंजन का उत्पादन जारी रहा, लेकिन कुछ मामूली यांत्रिक सुधारों के अलावा इस अवधि के दौरान स्टर्लिंग इंजन का डिज़ाइन सामान्य रूप से स्थिर रहा।^[30]

20वीं सदी का पुनरुद्धार

फिलिप्स MP1002CA 1951 का स्टर्लिंग जनित्र

20वीं सदी के शुरुआती दौर में घरेलू मोटर के रूप में स्टर्लिंग इंजन की भूमिका^[31]धीरे-धीरे विद्युत मोटर और छोटे आंतरिक दहन इंजन द्वारा ले लिया गया। 1930 के दशक के अंत तक, यह काफी हद तक भुला दिया गया था, केवल खिलौनों और कुछ छोटे हवादार पंखों के लिए उत्पादित किया गया था।^[32]

उस समय के आसपास, फिलिप्स दुनिया के उन हिस्सों में अपने रेडियो की बिक्री का विस्तार करना चाह रहा था जहां ग्रिड बिजली और बैटरी लगातार उपलब्ध नहीं थी। फिलिप्स के प्रबंधन ने फैसला किया कि एक कम-शक्ति वाले सुवाह्य जनित्र की पेशकश से ऐसी बिक्री में मदद मिलेगी और आइंटहॉवन में कंपनी की अनुसंधान प्रयोगशाला में इंजीनियरों के एक समूह से इस उद्देश्य को प्राप्त करने के वैकल्पिक तरीकों का मूल्यांकन करने के लिए कहा। विभिन्न आद्य चालक (लोकोमोटिव) की एक व्यवस्थित तुलना के बाद, टीम ने स्टर्लिंग इंजन के साथ आगे बढ़ने का फैसला किया, इसके शांत संचालन (दोनों श्रव्य रूप से और रेडियो हस्तक्षेप के संदर्भ में) और विभिन्न प्रकार के ताप स्रोतों (सामान्य दीपक) पर चलने की क्षमता का हवाला देते हुए तेल - सस्ता और हर जगह उपलब्ध - यह उनके पक्ष में था)।^[33]वे यह भी जानते थे कि, भाप और आंतरिक दहन इंजनों के विपरीत, कई वर्षों तक स्टर्लिंग इंजन पर वास्तव में कोई गंभीर विकास कार्य नहीं किया गया था और इस बात पर जोर दिया कि आधुनिक सामग्री और ज्ञान से बड़े सुधार होने चाहिए।^[34]

1951 तक, 180/200 W जनित्र सेट नामित MP1002CA (बंगला सेट के रूप में जाना जाता है) उत्पादन के लिए तैयार था और 250 के एक प्रारंभिक मात्रा की योजना बनाई गई थी, लेकिन जल्द ही यह स्पष्ट हो गया कि उन्हें प्रतिस्पर्धी मूल्य पर नहीं बनाया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, ट्रांजिस्टर रेडियो के आगमन और उनकी बहुत कम बिजली की आवश्यकताओं का मतलब था कि जनित्र का मूल कारण गायब हो रहा था। इनमें से लगभग 150 जनित्र अंततः तैयार किए गए थे।^[35]कुछ ने दुनिया भर के विश्वविद्यालय और कॉलेज इंजीनियरिंग विभागों में अपना रास्ता खोज लिया, जिससे छात्रों की पीढ़ियों को स्टर्लिंग इंजन का बहुमूल्य परिचय मिला; मार्च 1961 का एक पत्र रिसर्च एंड कंट्रोल इंस्ट्रूमेंट्स लिमिटेड लंदन WC1 से नॉर्थ डेवोन टेक्निकल कॉलेज को, शेष माल की पेशकश ... आप जैसे संस्थानों को ... शुद्ध £75 की विशेष कीमत पर।

बंगला सेट के समानांतर, फिलिप्स ने विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए प्रायोगिक स्टर्लिंग इंजन विकसित किए और 1970 के दशक के अंत तक इस क्षेत्र में काम करना जारी रखा, लेकिन स्टर्लिंग इंजन #स्टर्लिंग क्रायोशीतकके उल्टे स्टर्लिंग इंजन अनुप्रयोगों के साथ केवल व्यावसायिक सफलता हासिल की। हालाँकि, उन्होंने बड़ी संख्या में एकस्वित दायर किए और सूचनाओं का खजाना जमा किया, जिसे उन्होंने अन्य कंपनियों को एकस्वित दिया और जिसने आधुनिक युग में विकास के अधिकांश कार्यों का आधार बनाया।^[36]

1996 में, स्वीछतरी नौसेना ने तीन गोटलैंड-श्रेणी की पनडुब्बियों को चालू किया। सतह पर, इन नावों को समुद्री डीजल इंजनों द्वारा चलाया जाता है। हालांकि, जलमग्न होने पर, वे बैटरी को रिचार्ज करने और प्रणोदन के लिए विद्युत शक्ति प्रदान करने के लिए स्वीछतरी शिपबिल्डर कोकम के द्वारा विकसित स्टर्लिंग-चालित जनित्र का उपयोग करते हैं।^[37]इंजन को शक्ति प्रदान करने के लिए डीजल ईंधन को जलाने में सहायता के लिए तरल ऑक्सीजन की आपूर्ति की जाती है। स्टर्लिंग इंजन स्वीछतरी सोडरमैनलैंड-श्रेणी की पनडुब्बियां, सिंगापुर में सेवा में थी, आर्चर-श्रेणी की पनडुब्बियों और जापानी सोर्यू-श्रेणी की पनडुब्बियों के लिए कावासाकी हेवी इंडस्ट्रीज द्वारा एकस्वित-निर्मित पनडुब्बियों में भी लगाए जाते हैं। एक पनडुब्बी अनुप्रयोग में, स्टर्लिंग इंजन दौड़ते समय असाधारण रूप से शांत होने का लाभ प्रदान करता है।

21वीं सदी का विकास

21वीं सदी के अंत तक, स्टर्लिंग इंजन का उपयोग केंद्रित सौर ऊर्जा प्रणालियों के छतरी संस्करण में किया जाने लगा। एक बहुत बड़े उपग्रह छतरी के समान एक प्रतिबिंबित छतरी एक थर्मल रिसीवर पर सूर्य के प्रकाश को निर्देशित और केंद्रित करता है, जो गर्मी को अवशोषित और एकत्र करता है और तरल पदार्थ का उपयोग करके इसे स्टर्लिंग इंजन में स्थानांतरित करता है। परिणामी यांत्रिक शक्ति का उपयोग बिजली उत्पन्न करने के लिए जनित्र या प्रत्यावर्ति चलाने के लिए किया जाता है।^[38]

सूक्ष्म संयुक्त ताप और शक्ति (सीएचपी) इकाइयों का मुख्य घटक स्टर्लिंग चक्र इंजन द्वारा बनाया जा सकता है, क्योंकि वे तुलनात्मक भाप इंजन की तुलना में अधिक कुशल और सुरक्षित हैं। 2003 तक, सीएचपी इकाइयों को घरेलू अनुप्रयोगों में व्यावसायिक रूप से स्थापित किया जा रहा था।^[39]

2013 में, छह विशिष्ट आयाम रहित मात्रा के आधार पर मुक्त-पिस्टन स्टर्लिंग इंजन के मानांतरण नियम के बारे में एक लेख प्रकाशित किया गया था।^[40]

नाम और वर्गीकरण

स्टर्लिंग इंजन चल रहा है

रॉबर्ट स्टर्लिंग ने 1816 में एक बंद-चक्र गर्म हवा इंजन का पहला व्यावहारिक उदाहरण एकस्वित कराया, और फ्लेमिंग जेनकिन ने 1884 की शुरुआत में सुझाव दिया कि ऐसे सभी इंजनों को सामान्य रूप से स्टर्लिंग इंजन कहा जाना चाहिए। इस नामकरण प्रस्ताव को थोड़ा समर्थन मिला, और बाजार पर विभिन्न प्रकारों को उनके व्यक्तिगत अभिकल्पक या निर्माताओं के नाम से जाना जाता रहा, जैसे, राइडर, रॉबिन्सन, या हेनरिकी (हॉट) एयर इंजन। 1940 के दशक में, फिलिप्स कंपनी 'वायु इंजन' अपने स्वयं के संस्करण के लिए एक उपयुक्त नाम की तलाश कर रही थी, जो उस समय तक हवा के अलावा अन्य कार्यशील तरल पदार्थों के साथ परीक्षण किया गया था, और अप्रैल 1945 में 'स्टर्लिंग इंजन' पर निर्णय लिया।^[41]हालांकि, लगभग तीस साल बाद, ग्राहम वॉकर के पास अभी भी इस तथ्य पर शोक व्यक्त करने का कारण था कि स्टर्लिंग इंजन के साथ हॉट एयर इंजन विनिमेय बने रहे, जो स्वयं व्यापक रूप से और अंधाधुंध रूप से लागू किया गया था,^[42]एक स्थिति जो जारी है।^[43]

भाप इंजन की तरह, स्टर्लिंग इंजन को पारंपरिक रूप से एक बाहरी दहन इंजन के रूप में वर्गीकृत किया जाता है, क्योंकि काम कर रहे तरल पदार्थ से सभी गर्मी एक ठोस सीमा (हीट एक्सचेंजर) के माध्यम से स्थानांतरित होती है, इस प्रकार दहन प्रक्रिया को अलग करती है और किसी भी दूषित पदार्थ से उत्पन्न हो सकती है। इंजन के काम करने वाले हिस्से। यह एक आंतरिक दहन इंजन के साथ विरोधाभासी है जहां काम कर रहे तरल पदार्थ के ढाँचे के भीतर एक ईंधन के दहन से गर्मी निविष्ट होती है। स्टर्लिंग इंजन के कई संभावित क्रियान्वयनों में से अधिकांश प्रत्यागामी इंजन की श्रेणी में आते हैं।

सिद्धांत

आदर्श स्टर्लिंग चक्र का प्रेशर/वॉल्यूम ग्राफ।

आदर्श स्टर्लिंग चक्र में कार्यशील द्रव पर काम करने वाली चार तापगतिकीय प्रक्रियाएँ होती हैं:

समतापीय विस्तार। विस्तार-स्थान और संबंधित ताप विनिमायक को लगातार उच्च तापमान पर बनाए रखा जाता है, और गैस गर्म स्रोत से गर्मी को अवशोषित करने के निकट-समतापीय विस्तार से गुजरती है।
स्थिर-आयतन (सम आयतनिक प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है) गर्मी हटाने। गैस को पुनर्योजी ताप विनिमायक के माध्यम से पारित किया जाता है, जहां यह ठंडा होता है, अगले चक्र में उपयोग के लिए पुनर्योजी को गर्मी स्थानांतरित करता है।
इज़ोटेर्मल संपीड़न अनुपात। संपीड़न स्थान और संबंधित हीट एक्सचेंजर को लगातार कम तापमान पर बनाए रखा जाता है, इसलिए गैस ठंडे सिंक में गर्मी को खारिज करते हुए निकट-समतापीय संपीड़न से गुजरती है।
स्थिर-आयतन (सम आयतनिक प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है) ताप-जोड़। गैस पुनर्योजी के माध्यम से वापस गुजरती है जहां यह प्रक्रिया 2 में विस्तार स्थान के रास्ते में गर्म हो रहा है

इंजन को इस तरह से अभिकल्पित किया गया है कि काम करने वाली गैस आमतौर पर इंजन के ठंडे हिस्से में संकुचित होती है और गर्म हिस्से में विस्तारित होती है जिसके परिणामस्वरूप गर्मी का ऊष्मागतिकी में शुद्ध रूपांतरण होता है।^[2]एक आंतरिक पुनर्योजी हीट एक्सचेंजर सरल गर्म हवा वाले इंजनों की तुलना में स्टर्लिंग इंजन की तापीय क्षमता को बढ़ाता है जिसमें यह सुविधा नहीं होती है।

स्टर्लिंग इंजन अपने गर्म सिरे और ठंडे सिरे के बीच तापमान के अंतर का उपयोग गैस के एक निश्चित द्रव्यमान, गर्म और विस्तारित, और ठंडा और संपीड़ित के चक्र को स्थापित करने के लिए करता है, इस प्रकार तापीय ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करता है। गर्म और ठंडे स्रोतों के बीच तापमान का अंतर जितना अधिक होगा, तापीय क्षमता उतनी ही अधिक होगी। अधिकतम सैद्धांतिक दक्षता कार्नाट चक्र के बराबर है, लेकिन घर्षण और अन्य हानियों के कारण वास्तविक इंजनों की दक्षता इस मान से कम है।

चूंकि स्टर्लिंग इंजन एक बंद चक्र है, इसमें गैस का एक निश्चित द्रव्यमान होता है जिसे कार्यशील द्रव कहा जाता है, आमतौर पर हवा, हाइड्रोजन या हीलियम। सामान्य संचालन में, इंजन सील कर दिया जाता है और कोई गैस प्रवेश या छोड़ती नहीं है; अन्य प्रकार के पिस्टन इंजनों के विपरीत, किसी वाल्व की आवश्यकता नहीं होती है। स्टर्लिंग इंजन, अधिकांश ऊष्मा इंजनों की तरह, चार मुख्य प्रक्रियाओं के माध्यम से चक्रित होता है: शीतलन, संपीड़न, ताप और विस्तार। यह गर्म और ठंडे ताप विनिमायकों के बीच गैस को आगे और पीछे ले जाकर पूरा किया जाता है, अक्सर तापित्र और शीतक के बीच पुनर्योजी ताप विनिमायक के साथ। गर्म ताप विनिमायक एक बाहरी ताप स्रोत के साथ तापीय संपर्क में होता है, जैसे कि ईंधन ज्वालक, और ठंडा ताप विनिमायक बाहरी ताप सिंक, जैसे वायु पंखों के साथ तापीय संपर्क में होता है। गैस के तापमान में बदलाव से गैस के दबाव में एक समान परिवर्तन होता है, जबकि पिस्टन की गति गैस को वैकल्पिक रूप से विस्तारित और संपीड़ित करती है।

गैस, गैस कानून द्वारा वर्णित व्यवहार का अनुसरण करती है। जो बताती है कि गैस का दबाव, तापमान और आयतन कैसे संबंधित हैं। जब गैस को गर्म किया जाता है, तो दबाव बढ़ जाता है (क्योंकि यह एक सीलबंद कक्ष में होता है) और यह दबाव तब पावर पिस्टन पर कार्य करता है जिससे पावर स्ट्रोक उत्पन्न होता है। जब गैस को ठंडा किया जाता है तो दबाव कम हो जाता है और इस गिरावट का मतलब है कि वापसी स्ट्रोक पर गैस को संपीड़ित करने के लिए पिस्टन को कम काम करना पड़ता है। स्ट्रोक के बीच काम के अंतर से शुद्ध सकारात्मक बिजली उत्पादन होता है।

जब पिस्टन का एक किनारा वातावरण के लिए खुला होता है, तो संचालन थोड़ा अलग होता है। जैसे ही काम करने वाली गैस की सीलबंद मात्रा गर्म पक्ष के संपर्क में आती है, यह पिस्टन और वायुमंडल दोनों पर काम करते हुए फैलती है। जब कार्यशील गैस ठंडे पक्ष से संपर्क करती है, तो इसका दबाव वायुमंडलीय दबाव से नीचे चला जाता है और वातावरण पिस्टन पर दबाव डालता है और गैस पर काम करता है।

अवयव

समचतुर्भुज ड्राइव बीटा विन्यास स्टर्लिंग इंजन अभिकल्पित का कट-अवे आरेख:

1 - Hot cylinder wall

2 - Cold cylinder wall

3 - Coolant inlet and outlet pipes

4 - Thermal insulation separating the two cylinder ends

5 - Displacer piston

6 - Power piston

7 - Linkage crank and flywheels

नहीं दिखाया गया: हीट सोर्स और ऊष्माशोषी। इस अभिकल्पित में विस्थापक पिस्टन का निर्माण बिना किसी उद्देश्य से निर्मित #Regenerator के किया जाता है।

बंद-चक्र संचालन के परिणामस्वरूप, स्टर्लिंग इंजन को चलाने वाली ऊष्मा को ताप स्रोत से ताप विनिमायकों द्वारा काम कर रहे द्रव में और अंत में ऊष्मा सिंक में प्रेषित किया जाना चाहिए। एक स्टर्लिंग इंजन प्रणाली में कम से कम एक ऊष्मा स्रोत, एक ऊष्मा सिंक और अधिकतम पाँच ताप विनिमायक होते हैं। कुछ प्रकार इनमें से कुछ के साथ संयोजन या वितरण कर सकते हैं।

ऊष्मा स्रोत

केंद्र में स्टर्लिंग इंजन के साथ पॉइंट फोकस परवलयिक दर्पण और स्पेन में प्लाटाफोर्मा सोलर डी अल्मेरिया (पीएसए) में इसका सौर ट्रैकर।

ऊष्मा स्रोत ईंधन के दहन द्वारा प्रदान किया जा सकता है और चूंकि दहन उत्पाद कार्यशील द्रव के साथ मिश्रित नहीं होते हैं और इसलिए इंजन के आंतरिक भागों के संपर्क में नहीं आते हैं, एक स्टर्लिंग इंजन ईंधन पर चल सकता है जो नुकसान पहुंचाएगा अन्य इंजन प्रकार 'आंतरिक, जैसे लैंडफिल गैस, जिसमें सिलोक्सेन हो सकता है जो पारंपरिक इंजनों में अपघर्षक सिलिकॉन डाइऑक्साइड जमा कर सकता है।^[44]

अन्य उपयुक्त ताप स्रोतों में केंद्रित सौर ऊर्जा, भूतापीय ऊर्जा, परमाणु ऊर्जा, अपशिष्ट ताप और जैव ऊर्जा शामिल हैं। यदि सौर ऊर्जा का उपयोग ऊष्मा स्रोत के रूप में किया जाता है, तो नियमित सौर दर्पण और सौर व्यंजन का उपयोग किया जा सकता है। फ्रेसनेल लेंस और दर्पण के उपयोग की भी वकालत की गई है, उदाहरण के लिए ग्रहों की सतह की खोज में।^[45]सौर ऊर्जा संचालित स्टर्लिंग इंजन तेजी से लोकप्रिय हो रहे हैं क्योंकि वे बिजली उत्पादन के लिए पर्यावरण की दृष्टि से एक अच्छा विकल्प प्रदान करते हैं जबकि कुछ अभिकल्पित विकास परियोजनाओं में आर्थिक रूप से आकर्षक हैं।^[46]

ऊष्मा विनियमक

स्टर्लिंग इंजन ऊष्मा विनियमक को अभिकल्पित करना कम चिपचिपाहट वाले डार्सी-वीसबैक समीकरण के साथ उच्च ताप हस्तांतरण और कम अव्यवस्थित आंतरिक मात्रा के बीच एक संतुलन है। इंजन जो उच्च शक्तियों और दबावों पर काम करते हैं, उनके गर्म पक्ष ताप विनिमायक मिश्र धातुओं से बने होते हैं जो उच्च तापमान पर काफी ताकत बनाए रखते हैं और जो जंग या रेंगना (विरूपण) नहीं करते हैं।

छोटे, कम शक्ति वाले इंजनों में ताप विनिमायकों में केवल संबंधित गर्म और ठंडे कक्षों की दीवारें शामिल हो सकती हैं, लेकिन जहां बड़ी शक्तियों की आवश्यकता होती है, वहां पर्याप्त गर्मी स्थानांतरित करने के लिए अधिक सतह क्षेत्र की आवश्यकता होती है। विशिष्ट कार्यान्वयन गर्म पक्ष के लिए आंतरिक और बाहरी पंख या कई छोटे बोर नालिका हैं, और ठंडे पक्ष के लिए एक तरल (जैसे पानी) का उपयोग कर एक शीतक है।

पुनर्योजी

स्टर्लिंग इंजन में, पुनर्जनित्र एक आंतरिक ताप विनिमायक होता है और गर्म और ठंडे स्थानों के बीच अस्थायी ताप भंडार होता है, जैसे कि काम करने वाला द्रव पहले एक दिशा में और फिर दूसरी दिशा में इससे होकर गुजरता है, तरल से एक दिशा में गर्मी लेता है, और वापस लौटता है। यह धातु जाल या फोम के रूप में सरल हो सकता है, और उच्च सतह क्षेत्र, उच्च ताप क्षमता, कम चालकता और कम प्रवाह घर्षण से लाभ होता है।^[47]इसका कार्य ऊष्मागतिक प्रणाली के भीतर उस गर्मी को बनाए रखना है जो अधिकतम और न्यूनतम चक्र तापमान के मध्यवर्ती तापमान पर पर्यावरण के साथ आदान-प्रदान किया जाएगा,^[48]इस प्रकार चक्र की ऊष्मीय दक्षता को सक्षम करना (हालांकि किसी भी व्यावहारिक इंजन की नहीं)^[49] सीमित कार्नाट चक्र दक्षता तक पहुँचने के लिए।

स्टर्लिंग इंजन में पुनर्जनन का प्राथमिक प्रभाव आंतरिक ताप को 'पुनर्चक्रण' करके तापीय क्षमता को बढ़ाना है। अन्यथा जो इंजन की प्रतिवर्ती प्रक्रिया (ऊष्मागतिक) से होकर गुजरेगा। एक द्वितीयक प्रभाव के रूप में, बढ़ी हुई तापीय क्षमता गर्म और ठंडे सिरे वाले ताप विनिमायकों के दिए गए सेट से उच्च शक्ति उत्पादन देती है। ये आमतौर पर इंजन के हीट थ्रूपुट को सीमित करते हैं। अभ्यास में यह अतिरिक्त शक्ति पूरी तरह से महसूस नहीं की जा सकती है क्योंकि अतिरिक्त मृत स्थान (अनस्वेप्ट वॉल्यूम) और व्यावहारिक पुनर्योजी में निहित पम्पिंग हानि पुनर्जनन से संभावित दक्षता लाभ को कम कर देती है। स्टर्लिंग इंजन पुनर्योजी के लिए अभिकल्पित चुनौती बहुत अधिक अतिरिक्त आंतरिक आयतन ('डेड स्पेस') या प्रवाह प्रतिरोध को शुरू किए बिना पर्याप्त गर्मी हस्तांतरण क्षमता प्रदान करना है। ये अंतर्निहित डिज़ाइन संघर्ष कई कारकों में से एक हैं जो व्यावहारिक स्टर्लिंग इंजन की दक्षता को सीमित करते हैं। एक विशिष्ट अभिकल्पित मृत स्थान को कम करने के लिए कम सरंध्रता के साथ ठीक धातु के तार जाल का ढेर है, और उस दिशा में प्रवाहकत्त्व को कम करने और संवहन ताप हस्तांतरण को अधिकतम करने के लिए गैस प्रवाह के लंबवत तार अक्ष के साथ।^[50]

पुनर्योजी रॉबर्ट स्टर्लिंग द्वारा आविष्कृत प्रमुख घटक है, और इसकी उपस्थिति किसी अन्य बंद-चक्र गर्म वायु इंजन से एक सच्चे स्टर्लिंग इंजन को अलग करती है। कई छोटे 'खिलौना' स्टर्लिंग इंजन, विशेष रूप से निम्न-तापमान अंतर (एलटीडी) प्रकार, में एक अलग पुनर्योजी घटक नहीं होता है और इसे गर्म वायु इंजन माना जा सकता है; हालांकि पुनर्जनन की एक छोटी मात्रा स्वयं विस्थापक की सतह और पास की सिलेंडर दीवार द्वारा प्रदान की जाती है, या इसी तरह एक अल्फा कॉन्फ़िगरेशन इंजन के गर्म और ठंडे सिलेंडरों को जोड़ने वाला मार्ग।

ऊष्माशोषी

स्टर्लिंग इंजन के गर्म और ठंडे खंडों के बीच तापमान का अंतर जितना अधिक होगा, इंजन की दक्षता उतनी ही अधिक होगी। ऊष्माशोषी आमतौर पर पर्यावरण है जिसमें इंजन परिवेश के तापमान पर संचालित होता है। मध्यम से उच्च-शक्ति वाले इंजनों के मामले में, ऊष्मा को इंजन से परिवेशी वायु में स्थानांतरित करने के लिए एक रेडियेटर की आवश्यकता होती है। समुद्री इंजनों को ठंडे परिवेशी समुद्र, झील या नदी के पानी का उपयोग करने का लाभ मिलता है, जो आमतौर पर परिवेशी वायु की तुलना में ठंडा होता है। संयुक्त ताप और बिजली प्रणालियों के मामले में, इंजन के ठंडा पानी का उपयोग प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष रूप से हीटिंग उद्देश्यों के लिए किया जाता है, जिससे दक्षता बढ़ती है।^{[citation needed]} वैकल्पिक रूप से, गर्मी की आपूर्ति परिवेश के तापमान पर की जा सकती है और क्रायोजेन (तरल नाइट्रोजन अर्थव्यवस्था देखें) या आइस्ड वॉटर जैसे माध्यमों से ऊष्माशोषी को कम तापमान पर बनाए रखा जाता है।^{[citation needed]}

विस्थापक

विस्थापक एक विशेष प्रयोजन वाला पिस्टन है, जिसका उपयोग बीटा और गामा प्रकार के स्टर्लिंग इंजनों में किया जाता है, जो काम कर रहे गैस को गर्म और ठंडे ताप विनिमायकों के बीच आगे और पीछे ले जाता है। इंजन के अभिकल्पित के प्रकार के आधार पर, विस्थापक को सिलेंडर से सील किया जा सकता है या नहीं भी किया जा सकता है; यानी, यह सिलेंडर के भीतर एक ढीला फिट हो सकता है, जिससे काम करने वाली गैस को इसके चारों ओर से गुजरने की अनुमति मिलती है क्योंकि यह सिलेंडर के आगे के हिस्से पर कब्जा करने के लिए चलती है। अल्फा प्रकार के इंजन में गर्म पक्ष पर उच्च तनाव होता है, यही कारण है कि इतने कम आविष्कारकों ने उस तरफ एक संकर पिस्टन का उपयोग करना शुरू कर दिया। हाइब्रिड पिस्टन में एक सामान्य अल्फा प्रकार के इंजन के रूप में एक सीलबंद भाग होता है, लेकिन इसके चारों ओर सिलेंडर के रूप में छोटे व्यास के साथ एक जुड़ा विस्थापक भाग होता है। संपीड़न अनुपात मूल अल्फा प्रकार के इंजनों की तुलना में थोड़ा छोटा है, लेकिन सील किए गए भागों पर तनाव कारक बहुत कम है।

कॉन्फ़िगरेशन

तीन प्रमुख प्रकार के स्टर्लिंग इंजन गर्म और ठंडे क्षेत्रों के बीच हवा को स्थानांतरित करने के तरीके से पहचाने जाते हैं:^{[citation needed]}

अल्फा कॉन्फ़िगरेशन में दो पावर पिस्टन होते हैं, एक गर्म सिलेंडर में, एक ठंडे सिलेंडर में, और गैस दोनों के बीच पिस्टन द्वारा संचालित होती है; यह आमतौर पर वी-फॉर्मेशन में होता है जिसमें पिस्टन एक अरालदंड पर एक ही बिंदु पर जुड़ते हैं।
बीटा कॉन्फ़िगरेशन में एक गर्म सिरे और ठंडे सिरे वाला एक सिलेंडर होता है, जिसमें एक पावर पिस्टन और एक 'विस्थापक' होता है जो गर्म और ठंडे सिरों के बीच गैस को चलाता है। विस्थापक और पावर पिस्टन के बीच चरण अंतर को प्राप्त करने के लिए इसे आम तौर पर एक विषमकोणीय ड्राइव के साथ प्रयोग किया जाता है, लेकिन अरालदंड पर उन्हें 90 डिग्री चरण से बाहर जोड़ा जा सकता है।
गामा विन्यास में दो सिलेंडर होते हैं: एक जिसमें एक विस्थापक होता है, जिसमें एक गर्म और एक ठंडा अंत होता है, और दूसरा पावर पिस्टन के लिए होता है; वे एक ही स्थान बनाने के लिए जुड़ जाते हैं, इसलिए सिलेंडरों का दबाव समान होता है; पिस्टन आमतौर पर समानांतर में होते हैं और अरालदंड पर 90 डिग्री चरण से बाहर हो जाते हैं।

अल्फा

अल्फा-प्रकार स्टर्लिंग इंजन। दो सिलेंडर हैं। विस्तार सिलेंडर (लाल) को उच्च तापमान पर बनाए रखा जाता है जबकि संपीड़न सिलेंडर (नीला) को ठंडा किया जाता है। दो सिलेंडरों के बीच के मार्ग में पुनर्योजी होता है

एक अल्फा स्टर्लिंग में अलग-अलग सिलेंडरों में दो पावर पिस्टन होते हैं, एक गर्म और एक ठंडा। गर्म सिलेंडर उच्च तापमान वाले हीट एक्सचेंजर के अंदर स्थित होता है और ठंडा सिलेंडर कम तापमान वाले हीट एक्सचेंजर के अंदर स्थित होता है। इस प्रकार के इंजन में उच्च शक्ति-से-आयतन अनुपात होता है, लेकिन आमतौर पर गर्म पिस्टन के उच्च तापमान और इसकी सील के स्थायित्व के कारण इसमें तकनीकी समस्याएं होती हैं।^[51]व्यवहार में, यह पिस्टन आमतौर पर कुछ अतिरिक्त मृत स्थान की कीमत पर सील को गर्म क्षेत्र से दूर ले जाने के लिए एक बड़ा इंसुलेटिंग हेड रखता है। क्रैंक कोण का दक्षता पर बड़ा प्रभाव पड़ता है और सबसे अच्छा कोण अक्सर प्रयोगात्मक रूप से पाया जाना चाहिए। 90° का कोण अक्सर लॉक हो जाता है।^{[citation needed]}

प्रक्रिया का चार-चरणीय विवरण इस प्रकार है:

अधिकांश काम करने वाली गैस गर्म सिलेंडर में होती है और गर्म सिलेंडर की दीवारों से इसका संपर्क अधिक होता है। इसका परिणाम गैस के समग्र ताप में होता है। इसका दबाव बढ़ता है और गैस फैलती है। क्योंकि गर्म सिलेंडर अपनी अधिकतम मात्रा में है और ठंडा सिलेंडर मध्य स्ट्रोक (आंशिक मात्रा) पर है, ठंडे सिलेंडर में विस्तार से सिस्टम की मात्रा बढ़ जाती है।
सिस्टम अपनी अधिकतम मात्रा में है और अधिक गैस का ठंडे सिलेंडर से संपर्क होता है। यह गैस को ठंडा करता है, इसके दबाव को कम करता है। चक्का गति या एक ही अरालदंड पर अन्य पिस्टन जोड़े के कारण, गर्म सिलेंडर सिस्टम की मात्रा को कम करने के लिए एक अपस्ट्रोक शुरू करता है।
लगभग पूरी गैस अब ठंडे सिलेंडर में है और कूलिंग जारी है। यह गैस के दबाव को कम करता रहता है और संकुचन का कारण बनता है। चूंकि गर्म सिलेंडर न्यूनतम मात्रा में होता है और ठंडा सिलेंडर इसकी अधिकतम मात्रा में होता है, ठंडे सिलेंडर के अंदर की ओर संपीड़न से सिस्टम की मात्रा कम हो जाती है।
सिस्टम अपने न्यूनतम आयतन पर है और गैस का गर्म सिलेंडर के साथ अधिक संपर्क है। गर्म सिलेंडर के विस्तार से सिस्टम की मात्रा बढ़ जाती है।

बीटा

बीटा-प्रकार का स्टर्लिंग इंजन, केवल एक सिलेंडर के साथ, एक छोर पर गर्म और दूसरे पर ठंडा। एक ढीला-ढाला विस्थापक सिलेंडर के गर्म और ठंडे सिरों के बीच हवा को शंट करता है। सिलेंडर के खुले सिरे पर एक पावर पिस्टन चक्का चलाता है

एक बीटा स्टर्लिंग में एक #विस्थापन पिस्टन के समान अरालदंड पर एक ही सिलेंडर के भीतर एक एकल पावर पिस्टन की व्यवस्था होती है। विस्थापित पिस्टन एक ढीला फिट है और विस्तार गैस से कोई शक्ति नहीं निकालता है, लेकिन केवल गर्म और ठंडे ताप विनिमायकों के बीच कार्यशील गैस को शटल करने का काम करता है। जब काम करने वाली गैस को सिलेंडर के गर्म सिरे पर धकेला जाता है तो यह फैलती है और पावर पिस्टन को धकेलती है। जब इसे सिलेंडर के ठंडे सिरे पर धकेला जाता है तो यह सिकुड़ता है और मशीन की गति, आमतौर पर एक चक्का द्वारा बढ़ाया जाता है, गैस को संपीड़ित करने के लिए पावर पिस्टन को दूसरे तरीके से धकेलता है। अल्फा प्रकार के विपरीत, बीटा प्रकार गर्म चलने वाली मुहरों की तकनीकी समस्याओं से बचाता है, क्योंकि पावर पिस्टन गर्म गैस के संपर्क में नहीं है।^[52]

पावर पिस्टन (डार्क ग्रे) ने गैस को संकुचित कर दिया है, विस्थापक पिस्टन (हल्का ग्रे) स्थानांतरित हो गया है जिससे अधिकांश गैस गर्म ताप विनिमायक के निकट है।
गर्म गैस दबाव में बढ़ जाती है और पावर पिस्टन को पावर स्ट्रोक की सबसे दूर की सीमा तक धकेल देती है।
विस्थापक पिस्टन अब चलता है, गैस को सिलेंडर के ठंडे सिरे तक शंटिंग करता है।
ठंडी गैस अब चक्का गति से संकुचित हो जाती है। इसमें कम ऊर्जा लगती है, क्योंकि ठंडा होने पर इसका दबाव कम हो जाता है।

गामा

एक गामा स्टर्लिंग केवल एक बीटा स्टर्लिंग है जिसमें पावर पिस्टन विस्थापक पिस्टन सिलेंडर के साथ एक अलग सिलेंडर में लगा होता है, लेकिन फिर भी उसी चक्का से जुड़ा होता है। दो सिलेंडरों में गैस उनके बीच स्वतंत्र रूप से प्रवाहित हो सकती है और एक पिंड बनी रहती है। यह कॉन्फ़िगरेशन दोनों के बीच कनेक्शन की मात्रा के कारण कम संपीड़न अनुपात उत्पन्न करता है लेकिन यांत्रिक रूप से सरल है और बहु-सिलेंडर स्टर्लिंग इंजनों में अक्सर उपयोग किया जाता है।^{[citation needed]}

अन्य प्रकार

क्षैतिज पिस्टन को शक्ति प्रदान करने वाले दो घूर्णन विस्थापकों का शीर्ष दृश्य। स्पष्टता के लिए पुनर्योजी और रेडिएटर हटा दिए गए

अन्य स्टर्लिंग विन्यासों में इंजीनियरों और अन्वेषकों की रुचि बनी हुई है।^{[citation needed]}

रोटरी स्टर्लिंग इंजन, रोटरी दहन इंजन के समान, स्टर्लिंग चक्र की शक्ति को सीधे टार्क में बदलने का प्रयास करता है। अभी तक कोई व्यावहारिक इंजन नहीं बनाया गया है लेकिन कई अवधारणाएं, मॉडल और एकस्वित तैयार किए गए हैं, जैसे क्वासिटुरबाइन इंजन।^[53]* पिस्टन और रोटरी कॉन्फ़िगरेशन के बीच एक हाइब्रिड एक डबल-एक्टिंग इंजन है। यह डिज़ाइन विस्थापितों को पावर पिस्टन के दोनों ओर घुमाता है। गर्मी हस्तांतरण क्षेत्र में महान अभिकल्पित परिवर्तनशीलता देने के अलावा, यह लेआउट आउटपुटअरालदंड पर एक बाहरी सील और पिस्टन पर एक आंतरिक सील को हटा देता है। साथ ही, दोनों पक्षों पर अत्यधिक दबाव डाला जा सकता है क्योंकि वे एक दूसरे के विरुद्ध संतुलन बनाते हैं।^{[citation needed]}
एक अन्य विकल्प फ्लूडाइन इंजन (या फ्लुडाइन हीट पंप) है, जो स्टर्लिंग चक्र को लागू करने के लिए हाइड्रोलिक पिस्टन का उपयोग करता है। फ्लुइडाइन इंजन द्वारा उत्पादित कार्य तरल को पंप करने में चला जाता है। अपने सरलतम रूप में, इंजन में एक कार्यशील गैस, एक तरल और दो नॉन-रिटर्न वाल्व होते हैं।^{[citation needed]}
1907 में प्रकाशित रिंग बूम इंजन अवधारणा में विस्थापक के लिए कोई रोटरी तंत्र या संबंध नहीं है। इसके बजाय यह एक छोटे सहायक पिस्टन द्वारा संचालित होता है, आमतौर पर एक मोटी विस्थापक रॉड, जिसमें स्टॉप द्वारा सीमित गति होती है।^[54]^[55]* इंजीनियर एंडी रॉस (इंजीनियर) ने एक विशेष योक का उपयोग करके जुड़े दो-सिलेंडर स्टर्लिंग इंजन (0° पर स्थित है, न कि 90° पर) का आविष्कार किया।^[56]^[promotion?]
फ्रैंचॉट इंजन उन्नीसवीं सदी में चार्ल्स-लुई-फेलिक्स फ्रैंचॉट द्वारा आविष्कार किया गया एक डबल-एक्टिंग इंजन है। एक डबल-अभिनय इंजन में, कार्यशील द्रव का दबाव पिस्टन के दोनों किनारों पर कार्य करता है। डबल-एक्टिंग मशीन के सबसे सरल रूपों में से एक, फ्रैंचॉट इंजन में दो पिस्टन और दो सिलेंडर होते हैं, और दो अलग-अलग अल्फा मशीनों की तरह काम करते हैं। फ्रैंचॉट इंजन में, प्रत्येक पिस्टन दो गैस चरणों में कार्य करता है, जो एकल-अभिनय अल्फा मशीन की तुलना में यांत्रिक घटकों का अधिक कुशल उपयोग करता है। हालांकि, इस मशीन का एक नुकसान यह है कि एक कनेक्टिंग रॉड में इंजन के गर्म हिस्से में एक स्लाइडिंग सील होनी चाहिए, जो उच्च दबाव और तापमान से निपटने में मुश्किल होती है।^[57]

फ्री-पिस्टन इंजन

विभिन्न फ्री-पिस्टन स्टर्लिंग कॉन्फ़िगरेशन... एफ. फ्री सिलेंडर, जी. फ्लूडाइन, एच. डबल-एक्टिंग स्टर्लिंग (आमतौर पर 4 सिलेंडर)।

फ्री-पिस्टन स्टर्लिंग इंजन में फ्लुइडाइन इंजन वाले और पिस्टन के रूप में डायाफ्राम वाले इंजन शामिल हैं। एक फ्री-पिस्टन डिवाइस में, एक विद्युत रैखिक अल्टरनेटर, पंप या अन्य समाक्षीय डिवाइस द्वारा ऊर्जा को जोड़ा या हटाया जा सकता है। यह एक लिंकेज की आवश्यकता से बचा जाता है, और चलती भागों की संख्या को कम करता है। कुछ अभिकल्पितों में, गैर-संपर्क गैस असर या प्लानर वसंत (उपकरण) के माध्यम से बहुत सटीक निलंबन के उपयोग से घर्षण और घिसाव को लगभग समाप्त कर दिया जाता है।^{[citation needed]}

फ्री-पिस्टन स्टर्लिंग इंजन के चक्र में चार मूलभूत चरण हैं:^{[citation needed]}

पावर पिस्टन को विस्तारित गैस द्वारा बाहर की ओर धकेला जाता है जिससे कार्य होता है। गुरुत्वाकर्षण चक्र में कोई भूमिका नहीं निभाता है।
इंजन में गैस की मात्रा बढ़ जाती है और इसलिए दबाव कम हो जाता है, जिससे विस्थापक रॉड में दबाव अंतर होता है जिससे विस्थापक को गर्म सिरे की ओर मजबूर होना पड़ता है। जब विस्थापित चलता है, पिस्टन लगभग स्थिर होता है और इसलिए गैस की मात्रा लगभग स्थिर होती है। इस कदम के परिणामस्वरूप निरंतर आयतन शीतलन प्रक्रिया होती है, जिससे गैस का दबाव कम हो जाता है।
घटा हुआ दबाव अब पिस्टन की बाहरी गति को रोक देता है और यह फिर से गर्म सिरे की ओर तेजी से बढ़ना शुरू कर देता है और अपनी जड़ता से, अब ठंडी गैस को संकुचित कर देता है, जो मुख्य रूप से ठंडे स्थान में होती है।
जैसे ही दबाव बढ़ता है, एक बिंदु पर पहुंच जाता है जहां विस्थापक छड़ पर दबाव अंतर इतना बड़ा हो जाता है कि विस्थापक छड़ (और इसलिए विस्थापक भी) को पिस्टन की ओर धकेलना शुरू कर देता है और इस तरह ठंडे स्थान को ढहा देता है और ठंड को स्थानांतरित कर देता है, संपीड़ित लगभग स्थिर आयतन प्रक्रिया में गर्म पक्ष की ओर गैस। जैसे ही गैस गर्म पक्ष में आती है, दबाव बढ़ जाता है और (1) में बताए अनुसार विस्तार कदम शुरू करने के लिए पिस्टन को बाहर की ओर ले जाना शुरू कर देता है।

1960 के दशक की शुरुआत में, ओहियो के एथेंस में स्थित ओहियो विश्वविद्यालय के विलियम टी. बीले ने क्रैंक तंत्र को लुब्रिकेट करने की कठिनाई को दूर करने के लिए स्टर्लिंग इंजन के एक मुक्त पिस्टन संस्करण का आविष्कार किया।^[58]जबकि बुनियादी मुक्त पिस्टन स्टर्लिंग इंजन के आविष्कार का श्रेय आमतौर पर बीले को दिया जाता है, समान प्रकार के इंजनों का स्वतंत्र आविष्कार टेड कुक-यारबोरो|ई.एच. द्वारा किया गया था। परमाणु ऊर्जा अनुसंधान प्रतिष्ठान की हारवेल प्रयोगशालाओं में कुक-यारबोरो और सी. वेस्ट।^[59]जी.एम. बेन्सन ने भी महत्वपूर्ण प्रारंभिक योगदान दिया और कई उपन्यास मुक्त-पिस्टन विन्यासों का एकस्वित कराया।^[60]^[61]

स्वतंत्र रूप से चलने वाले घटकों का उपयोग करने वाली स्टर्लिंग साइकिल मशीन का पहला ज्ञात उल्लेख 1876 में एक ब्रिटिश एकस्वित प्रकटीकरण है।^[62]इस मशीन की परिकल्पना एक रेफ्रिजरेटर (यानी, उल्टा स्टर्लिंग चक्र) के रूप में की गई थी। मुफ्त पिस्टन स्टर्लिंग डिवाइस का उपयोग करने वाला पहला उपभोक्ता उत्पाद जापान के ट्विनबर्ड कॉर्पोरेशन द्वारा निर्मित एक पोर्टेबल रेफ्रिजरेटर था और 2004 में कोलमैन कंपनी द्वारा अमेरिका में पेश किया गया था।^{[citation needed]}

फ्लैट इंजन

फ्लैट स्टर्लिंग इंजन का कटअवे: 10 - गर्म सिलेंडर। 11 - गर्म सिलेंडर की मात्रा। 12 - गर्म सिलेंडर की बी मात्रा। 17 - गर्म पिस्टन डायाफ्राम। 18 - ताप माध्यम। 19 - पिस्टन रॉड। 20 - ठंडा सिलेंडर। 21 - ठंडे सिलेंडर का आयतन। 22 - ठंडे सिलेंडर का बी वॉल्यूम। 27 - शीत पिस्टन डायाफ्राम। 28 - शीतलक माध्यम। 30 - वर्किंग सिलेंडर। 31 - काम कर रहे सिलेंडर की मात्रा। 32 - काम करने वाले सिलेंडर की बी मात्रा। 37 - काम कर रहे पिस्टन डायाफ्राम। 41 - A आयतन का पुनर्योजी द्रव्यमान। 42 - बी मात्रा का पुनर्योजी द्रव्यमान। 48 - ताप संचायक। 50 - थर्मल इन्सुलेशन। 60 - जनित्र। 63 - चुंबकीय सर्किट। 64 - विद्युत घुमावदार। 70 - गर्म और काम करने वाले सिलेंडरों को जोड़ने वाला चैनल।

फ्लैट डबल-एक्टिंग स्टर्लिंग इंजन का डिज़ाइन इस तथ्य की मदद से एक विस्थापक के ड्राइव को हल करता है कि विस्थापक के गर्म और ठंडे पिस्टन के क्षेत्र अलग-अलग होते हैं।^{[citation needed]}

ड्राइव बिना किसी मैकेनिकल ट्रांसमिशन के ऐसा करता है।^{[citation needed]} डायाफ्राम का उपयोग करने से घर्षण और स्नेहक की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।^{[citation needed]} जब विस्थापक गति में होता है, तो जनित्र कार्यशील पिस्टन को सीमा स्थिति में रखता है, जो इंजन के कार्य चक्र को एक आदर्श स्टर्लिंग चक्र के करीब लाता है।^{[citation needed]} एक फ्लैट अभिकल्पित के कार्यान्वयन से हीट एक्सचेंजर्स के क्षेत्र और मशीन की मात्रा का अनुपात बढ़ जाता है।^{[citation needed]} काम कर रहे सिलेंडर का फ्लैट अभिकल्पित इज़ोटेर्माल के करीब विस्तार और संपीड़न की थर्मल प्रक्रिया का अनुमान लगाता है।^{[citation needed]} नुकसान गर्म और ठंडे स्थान के बीच थर्मल इन्सुलेशन का एक बड़ा क्षेत्र है।^[63]

थर्माकॉस्टिक चक्र

तापध्वनिक उपकरण स्टर्लिंग उपकरणों से बहुत भिन्न होते हैं, हालांकि प्रत्येक कार्यशील गैस अणु द्वारा तय किया गया अलग-अलग पथ एक वास्तविक स्टर्लिंग चक्र का पालन करता है। इन उपकरणों में थर्मोअकॉस्टिक हॉट एयर इंजन और थर्मोअकॉस्टिक प्रशीतन शामिल हैं। उच्च-आयाम ध्वनिक स्थायी तरंगें स्टर्लिंग पावर पिस्टन के अनुरूप संपीड़न और विस्तार का कारण बनती हैं, जबकि आउट-ऑफ़-फेज ध्वनिक यात्रा तरंगें तापमान ढाल के साथ विस्थापन का कारण बनती हैं, जो स्टर्लिंग डिसप्लेसर पिस्टन के अनुरूप होता है। इस प्रकार एक तापध्वनिक उपकरण में आमतौर पर एक विस्थापक नहीं होता है, जैसा कि बीटा या गामा स्टर्लिंग में पाया जाता है।^{[citation needed]}

अन्य विकास

नासा ने बाहरी सौर मंडल के लिए विस्तारित मिशनों के लिए स्टर्लिंग रेडियोआइसोटोप जनित्र|परमाणु-क्षय तापित स्टर्लिंग इंजन पर विचार किया है।^[64]2018 में, नासा और संयुक्त राज्य अमेरिका के ऊर्जा विभाग ने घोषणा की कि उन्होंने KRUSTY नामक एक नए प्रकार के परमाणु रिएक्टर का सफलतापूर्वक परीक्षण किया है, जो स्टर्लिंग टेक्नोलॉजी का उपयोग करके किलोपावर रिएक्टर के लिए है, और जिसे गहरे अंतरिक्ष वाहनों और जांचों को शक्ति देने में सक्षम होने के लिए डिज़ाइन किया गया है। साथ ही एक्सोप्लैनेटरी कैंप।^[65]

2012 में केबल टेलीकम्युनिकेशन इंजीनियर्स सोसायटी द्वारा आयोजित केबल-टेक एक्सपो में, डीन कामेन ने टाइम वार्नर केबल के मुख्य प्रौद्योगिकी अधिकारी माइक लाजोई के साथ अपनी कंपनी डेका रिसर्च और एससीटीई के बीच एक नई पहल की घोषणा करने के लिए मंच संभाला। कामेन इसे स्टर्लिंग इंजन के रूप में संदर्भित करता है।^[66]^[67]

परिचालन विचार

एक बहुत ही छोटे स्टर्लिंग इंजन के क्रियाशील कंप्रेसर और डिसप्लेसर को दिखाने वाला वीडियो

आकार और तापमान

बहुत कम शक्ति वाले इंजन बनाए गए हैं जो 0.5 K के तापमान अंतर पर चलते हैं।^[68]एक विस्थापक प्रकार के स्टर्लिंग इंजन में एक पिस्टन और एक विस्थापक होता है। इंजन को चलाने के लिए बड़े सिलेंडर के ऊपर और नीचे के तापमान में अंतर की आवश्यकता होती है। कम तापमान-अंतर (एलटीडी) स्टर्लिंग इंजन के मामले में, किसी के हाथ और आसपास की हवा के बीच तापमान का अंतर इंजन को चलाने के लिए पर्याप्त हो सकता है।^[69]विस्थापक-प्रकार के स्टर्लिंग इंजन में पावर पिस्टन को कसकर बंद कर दिया जाता है और अंदर गैस के फैलने पर ऊपर और नीचे जाने के लिए नियंत्रित किया जाता है। दूसरी ओर, विस्थापक बहुत ढीला फिट होता है ताकि हवा इंजन के गर्म और ठंडे वर्गों के बीच स्वतंत्र रूप से चल सके क्योंकि पिस्टन ऊपर और नीचे चलता है। डिसप्लेसर ऊपर और नीचे चलता है जिससे डिसप्लेसर सिलिंडर की अधिकांश गैस या तो गर्म या ठंडी हो जाती है।^{[citation needed]} स्टर्लिंग इंजन, विशेष रूप से वे जो छोटे तापमान अंतर पर चलते हैं, उनके द्वारा उत्पादित बिजली की मात्रा के लिए काफी बड़े होते हैं (यानी, उनके पास कम शक्ति घनत्व होता है)। यह मुख्य रूप से गैसीय संवहन के ऊष्मा अंतरण गुणांक के कारण होता है, जो ताप प्रवाह को सीमित करता है जिसे एक विशिष्ट ठंडे ताप विनिमायक में लगभग 500 W/(m) तक प्राप्त किया जा सकता है।²·K), और एक हॉट हीट एक्सचेंजर में लगभग 500–5000 W/(m)²·के).^[70]आंतरिक दहन इंजनों की तुलना में, यह इंजन अभिकल्पितर के लिए कार्यशील गैस में और बाहर गर्मी को स्थानांतरित करने के लिए अधिक चुनौतीपूर्ण बना देता है। तापीय दक्षता के कारण आवश्यक ताप अंतरण कम तापमान अंतर के साथ बढ़ता है, और 1 kW आउटपुट के लिए ताप विनिमायक सतह (और लागत) (1/ΔT) के साथ बढ़ती है^{2</उप>। इसलिए, बहुत कम तापमान अंतर वाले इंजनों की विशिष्ट लागत बहुत अधिक है। तापमान के अंतर और/या दबाव में वृद्धि से स्टर्लिंग इंजन को अधिक शक्ति का उत्पादन करने की अनुमति मिलती है, यह मानते हुए कि ताप विनिमायकों को बढ़े हुए ताप भार के लिए डिज़ाइन किया गया है, और आवश्यक संवहित ताप प्रवाह प्रदान कर सकते हैं।}

स्टर्लिंग इंजन तुरंत शुरू नहीं हो सकता; इसे सचमुच गर्म करने की जरूरत है। यह सभी बाहरी दहन इंजनों के लिए सही है, लेकिन इस प्रकार के अन्य भाप इंजनों की तुलना में स्टर्लिंग के लिए गर्म होने का समय अधिक लंबा हो सकता है। निरंतर गति वाले इंजन के रूप में स्टर्लिंग इंजन का सबसे अच्छा उपयोग किया जाता है।

स्टर्लिंग का बिजली उत्पादन स्थिर रहता है और इसे समायोजित करने के लिए कभी-कभी सावधानीपूर्वक अभिकल्पित और अतिरिक्त तंत्र की आवश्यकता होती है। आमतौर पर, आउटपुट में परिवर्तन इंजन के विस्थापन (अक्सर एक दिखावे की परत अरालदंड व्यवस्था के उपयोग के माध्यम से), या काम कर रहे तरल पदार्थ की मात्रा को बदलकर, या पिस्टन/विस्थापक चरण कोण को बदलकर, या कुछ मामलों में बस द्वारा प्राप्त किया जाता है। इंजन लोड को बदलना। यह संपत्ति हाइब्रिड इलेक्ट्रिक प्रोपल्शन या बेस लोड यूटिलिटी जनरेशन में कम है, जहां निरंतर बिजली उत्पादन वास्तव में वांछनीय है।

गैस पसंद

गति और शक्ति का प्रदर्शन करते हुए एक बेंच टॉप स्टर्लिंग इंजन का वीडियो।

उपयोग की जाने वाली गैस की ऊष्मा क्षमता कम होनी चाहिए, ताकि हस्तांतरित ऊष्मा की दी गई मात्रा से दबाव में बड़ी वृद्धि हो। इस मुद्दे को ध्यान में रखते हुए हीलियम अपनी बहुत कम ताप क्षमता के कारण सबसे अच्छी गैस होगी। वायु एक व्यवहार्य कार्यशील द्रव है,^[71]लेकिन अत्यधिक दबाव वाले वायु इंजन में ऑक्सीजन स्नेहन तेल विस्फोटों के कारण होने वाली घातक दुर्घटनाओं का कारण बन सकता है।^[72]ऐसी ही एक दुर्घटना के बाद फिलिप्स ने विस्फोटों के ऐसे जोखिम से बचने के लिए अन्य गैसों के उपयोग का मार्ग प्रशस्त किया।

हाइड्रोजन की कम चिपचिपाहट और उच्च तापीय चालकता इसे सबसे शक्तिशाली कामकाजी गैस बनाती है, मुख्यतः क्योंकि इंजन अन्य गैसों की तुलना में तेजी से चल सकता है। हालांकि, हाइड्रोजन अवशोषण के कारण, और इस कम आणविक भार गैस से जुड़ी उच्च प्रसार दर को देखते हुए, विशेष रूप से उच्च तापमान पर, एच₂ तापित्र की ठोस धातु के माध्यम से रिसाव। व्यावहारिक होने के लिए कार्बन स्टील के माध्यम से प्रसार बहुत अधिक है, लेकिन अल्युमीनियम, या यहां तक कि स्टेनलेस स्टील जैसी धातुओं के लिए स्वीकार्य रूप से कम हो सकता है। कुछ सिरेमिक भी प्रसार को बहुत कम करते हैं। खोई हुई गैस के प्रतिस्थापन के बिना इंजन के अंदर दबाव बनाए रखने के लिए हर्मेटिक सील प्रेशर वेसल सील आवश्यक हैं। हाई-टेम्परेचर-डिफरेंशियल (HTD) इंजनों के लिए, हाई-प्रेशर वर्किंग फ्लुइड को बनाए रखने के लिए सहायक सिस्टम की आवश्यकता हो सकती है। ये सिस्टम गैस स्टोरेज बोतल या गैस जनित्र हो सकते हैं। हाइड्रोजन पानी के इलेक्ट्रोलीज़, लाल गर्म कार्बन आधारित ईंधन पर भाप की क्रिया, हाइड्रोकार्बन ईंधन के गैसीकरण या धातु पर अम्ल की प्रतिक्रिया से उत्पन्न हो सकता है। हाइड्रोजन भी धातुओं के हाइड्रोजन उत्सर्जन का कारण बन सकता है। हाइड्रोजन एक ज्वलनशील गैस है, जो इंजन से निकलने पर एक सुरक्षा चिंता का विषय है।
अधिकांश तकनीकी रूप से उन्नत स्टर्लिंग इंजन, जैसे कि संयुक्त राज्य अमेरिका की सरकारी प्रयोगशालाओं के लिए विकसित किए गए हैं, हीलियम का उपयोग कार्यशील गैस के रूप में करते हैं, क्योंकि यह हाइड्रोजन की दक्षता और शक्ति घनत्व के करीब कार्य करता है, जिसमें सामग्री की कम मात्रा होती है। हीलियम अक्रिय गैस है, और इसलिए ज्वलनशील नहीं है। हीलियम अपेक्षाकृत महंगा है, और इसे बोतलबंद गैस के रूप में आपूर्ति की जानी चाहिए। एक परीक्षण ने GPU-3 स्टर्लिंग इंजन में हीलियम (24% अपेक्षाकृत) की तुलना में हाइड्रोजन को 5% (पूर्ण) अधिक कुशल दिखाया।^[73]शोधकर्ता एलन ऑर्गन ने प्रदर्शित किया कि एक अच्छी तरह से डिज़ाइन किया गया वायु इंजन सैद्धांतिक रूप से हीलियम या हाइड्रोजन इंजन के समान ही कुशल है, लेकिन हीलियम और हाइड्रोजन इंजन प्रति इकाई आयतन से कई गुना अधिक शक्तिशाली हैं।
कुछ इंजन वायु या नाइट्रोजन का उपयोग कार्यशील द्रव के रूप में करते हैं। इन गैसों का ऊर्जा घनत्व बहुत कम होता है (जो इंजन की लागत को बढ़ाता है), लेकिन वे उपयोग करने के लिए अधिक सुविधाजनक होते हैं और वे गैस की रोकथाम और आपूर्ति की समस्याओं को कम करते हैं (जिससे लागत कम हो जाती है)। ज्वलनशील पदार्थों या चिकनाई वाले तेल जैसे पदार्थों के संपर्क में संपीड़ित हवा का उपयोग विस्फोट के खतरे का परिचय देता है, क्योंकि संपीड़ित हवा में ऑक्सीजन का एक उच्च आंशिक दबाव होता है। हालांकि, ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया के माध्यम से ऑक्सीजन को हवा से हटाया जा सकता है या बोतलबंद नाइट्रोजन का उपयोग किया जा सकता है, जो लगभग निष्क्रिय और बहुत सुरक्षित है।
अन्य संभावित हवा से हल्की गैसों में मीथेन और अमोनिया शामिल हैं।

दबाव

अधिकांश उच्च-शक्ति वाले स्टर्लिंग इंजनों में, काम कर रहे तरल पदार्थ का न्यूनतम दबाव और औसत दबाव दोनों ही वायुमंडलीय दबाव से ऊपर होते हैं। यह प्रारंभिक इंजन दबाव एक पंप द्वारा, या एक संपीड़ित गैस टैंक से इंजन को भरकर, या इंजन को सील करके भी महसूस किया जा सकता है जब औसत तापमान औसत ऑपरेटिंग तापमान से कम होता है। ये सभी विधियाँ थर्मोडायनामिक चक्र में कार्यशील द्रव के द्रव्यमान को बढ़ाती हैं। आवश्यक ताप अंतरण दर की आपूर्ति के लिए सभी ताप विनिमायकों का उचित आकार होना चाहिए। यदि हीट एक्सचेंजर्स अच्छी तरह से डिज़ाइन किए गए हैं और संवहन ताप हस्तांतरण के लिए आवश्यक ऊष्मा प्रवाह की आपूर्ति कर सकते हैं, तो इंजन, पहले सन्निकटन में, औसत दबाव के अनुपात में शक्ति का उत्पादन करता है, जैसा कि पश्चिम संख्या और बील संख्या द्वारा भविष्यवाणी की गई है। व्यवहार में, अधिकतम दाब भी दाब पात्र के सुरक्षित दाब तक ही सीमित होता है। स्टर्लिंग इंजन डिज़ाइन के अधिकांश पहलुओं की तरह, अनुकूलन बहुपरिवर्तनीय कलन है, और अक्सर परस्पर विरोधी आवश्यकताएं होती हैं।^[70]दबाव की एक कठिनाई यह है कि जब यह शक्ति में सुधार करता है, तो आवश्यक गर्मी बढ़ी हुई शक्ति के अनुपात में बढ़ जाती है। इस गर्मी हस्तांतरण को दबाव के साथ तेजी से कठिन बना दिया जाता है क्योंकि बढ़ते दबाव में इंजन की दीवारों की मोटाई भी बढ़ जाती है, जो बदले में गर्मी हस्तांतरण के प्रतिरोध को बढ़ाती है।^{[citation needed]}

स्नेहक और घर्षण

संयुक्त ताप और बिजली अनुप्रयोगों के लिए 55 kW विद्युत उत्पादन के साथ एक आधुनिक स्टर्लिंग इंजन और जनित्र सेट।

उच्च तापमान और दबावों पर, हवा के दबाव वाले क्रैंककेस में ऑक्सीजन, या गर्म हवा के इंजनों की कामकाजी गैस में, इंजन के चिकनाई वाले तेल के साथ संयोजन कर सकते हैं और विस्फोट कर सकते हैं। इस तरह के विस्फोट में कम से कम एक व्यक्ति की मौत हो गई है।^[72]लुब्रिकेंट हीट एक्सचेंजर्स को भी अवरूद्ध कर सकते हैं, विशेष रूप से पुनर्योजी को। इन कारणों से, अभिकल्पितर गैर-चिकनाई वाली, घर्षण सामग्री के कम-गुणांक (जैसे रूलोन (प्लास्टिक) या सीसा) को पसंद करते हैं, विशेष रूप से सीलिंग को फिसलने के लिए चलती भागों पर कम सामान्य बल के साथ। कुछ डिज़ाइन सीलबंद पिस्टन के लिए डायफ्राम का उपयोग करके पूरी तरह से फिसलने वाली सतहों से बचते हैं। ये कुछ ऐसे कारक हैं जिनकी वजह से स्टर्लिंग इंजनों को कम रखरखाव की आवश्यकता होती है और वे आंतरिक-दहन वाले इंजनों की तुलना में लंबे समय तक चलते हैं।^{[citation needed]}

दक्षता

सैद्धांतिक तापीय दक्षता काल्पनिक कार्नाट चक्र के बराबर होती है, यानी किसी भी ताप इंजन द्वारा प्राप्त की जाने वाली उच्चतम दक्षता। हालांकि, हालांकि यह सामान्य सिद्धांतों को समझाने के लिए उपयोगी है, आदर्श चक्र व्यावहारिक स्टर्लिंग इंजन से काफी हद तक अलग है।^[74]यह तर्क दिया गया है कि इंजीनियरिंग ऊष्मप्रवैगिकी पर कई मानक पुस्तकों में इसके अंधाधुंध उपयोग ने सामान्य रूप से स्टर्लिंग इंजनों के अध्ययन को नुकसान पहुंचाया है।^[75]^[76]

स्टर्लिंग इंजन एक आंतरिक दहन इंजन की विशिष्ट कुल दक्षता प्राप्त नहीं कर सकते, मुख्य बाधा थर्मल दक्षता है। आंतरिक दहन के दौरान, तापमान थोड़े समय के लिए लगभग 1500 °C–1600 °C तक पहुँच जाता है, जिसके परिणामस्वरूप किसी भी स्टर्लिंग इंजन की तुलना में ऊष्मप्रवैगिकी चक्र का औसत ताप आपूर्ति तापमान अधिक हो जाता है। चालन द्वारा उच्च तापमान पर गर्मी की आपूर्ति करना संभव नहीं है, जैसा कि स्टर्लिंग इंजन में किया जाता है क्योंकि कोई भी सामग्री उस उच्च तापमान में दहन से गर्मी का संचालन नहीं कर सकती है, बिना भारी गर्मी के नुकसान और सामग्री के ताप विरूपण से संबंधित समस्याओं के बिना।^{[citation needed]} स्टर्लिंग इंजन शांत संचालन में सक्षम हैं और लगभग किसी भी ताप स्रोत का उपयोग कर सकते हैं। ऊष्मीय ऊर्जा स्रोत ओटो चक्र या डीजल चक्र इंजनों की तरह आंतरिक दहन के बजाय स्टर्लिंग इंजन के बाहर उत्पन्न होता है। इस प्रकार का इंजन वर्तमान में सूक्ष्म संयुक्त ताप और शक्ति (सीएचपी) इकाइयों के मुख्य घटक के रूप में रुचि पैदा कर रहा है, जिसमें यह तुलनात्मक भाप इंजन की तुलना में अधिक कुशल और सुरक्षित है।^[77]^[78]हालाँकि, इसका पावर-टू-वेट अनुपात कम है,^[79]स्थिर प्रतिष्ठानों में उपयोग के लिए इसे और अधिक उपयुक्त बनाना जहां अंतरिक्ष और वजन प्रीमियम पर नहीं हैं।^{[citation needed]} अन्य वास्तविक दुनिया के मुद्दे संवहन (गर्मी हस्तांतरण) और द्रव गतिशीलता # विस्कस बनाम इनविसिड प्रवाह (घर्षण) की सीमाओं के कारण वास्तविक इंजनों की दक्षता को कम करते हैं। व्यावहारिक, यांत्रिक विचार भी हैं: उदाहरण के लिए, आदर्श चक्र को दोहराने के लिए आवश्यक एक अधिक जटिल तंत्र पर एक सरल कीनेमेटिक लिंकेज का समर्थन किया जा सकता है, और आदर्श गैस जैसे उपलब्ध सामग्रियों द्वारा लगाई गई सीमाएं। कार्यशील गैस के गैर-आदर्श गुण, तापीय चालकता, तन्य शक्ति, रेंगना (विरूपण), वंक शक्ति और गलनांक। एक प्रश्न जो अक्सर उठता है वह यह है कि क्या इज़ोटेर्माल विस्तार और संपीड़न के साथ आदर्श चक्र वास्तव में स्टर्लिंग इंजन पर लागू करने के लिए सही आदर्श चक्र है। प्रोफेसर सी.जे. रैलिस ने इंगित किया है कि किसी भी स्थिति की कल्पना करना बहुत मुश्किल है जहां विस्तार और संपीड़न रिक्त स्थान इज़ोटेर्मल व्यवहार तक पहुंच सकते हैं और इन स्थानों को रूद्धोष्म के रूप में कल्पना करना कहीं अधिक यथार्थवादी है।^[80]एक आदर्श विश्लेषण जहां विस्तार और संपीड़न रिक्त स्थान को इज़ोटेर्मल हीट एक्सचेंजर्स के साथ रूद्धोष्म माना जाता है और रैलिस द्वारा पूर्ण उत्थान का विश्लेषण किया गया था और स्टर्लिंग मशीनरी के लिए एक बेहतर आदर्श मानदंड के रूप में प्रस्तुत किया गया था। उन्होंने इस चक्र को 'छद्म-स्टर्लिंग चक्र' या 'आदर्श रुद्धोष्म स्टर्लिंग चक्र' कहा। इस आदर्श चक्र का एक महत्वपूर्ण परिणाम यह है कि यह कार्नाट दक्षता की भविष्यवाणी नहीं करता है। इस आदर्श चक्र का एक और निष्कर्ष यह है कि कम संपीड़न अनुपात में अधिकतम दक्षता पाई जाती है, जो वास्तविक मशीनों में देखी जाने वाली विशेषता है। एक स्वतंत्र कार्य में, टी. फिंकेलस्टीन ने स्टर्लिंग मशीनरी के अपने विश्लेषण में रूद्धोष्म विस्तार और संपीड़न स्थान भी ग्रहण किया^[81]

आदर्श स्टर्लिंग चक्र वास्तविक दुनिया में अप्राप्य है, जैसा कि किसी भी ताप इंजन के साथ होता है। स्टर्लिंग मशीनों की दक्षता पर्यावरण के तापमान से भी जुड़ी हुई है: मौसम ठंडा होने पर उच्च दक्षता प्राप्त होती है, इस प्रकार इस प्रकार के इंजन को गर्म जलवायु वाले स्थानों में कम आकर्षक बना दिया जाता है। अन्य बाहरी दहन इंजनों की तरह, स्टर्लिंग इंजन ईंधन के दहन के अलावा अन्य ताप स्रोतों का उपयोग कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, सौर ऊर्जा से चलने वाले स्टर्लिंग इंजन के लिए विभिन्न डिज़ाइन विकसित किए गए हैं।

आंतरिक दहन इंजन के साथ तुलना

आंतरिक दहन इंजनों के विपरीत, स्टर्लिंग इंजन में अक्षय ताप स्रोतों का अधिक आसानी से उपयोग करने की क्षमता होती है, और कम रखरखाव के साथ शांत और अधिक विश्वसनीय होने की क्षमता होती है। उन्हें उन अनुप्रयोगों के लिए प्राथमिकता दी जाती है जो इन अद्वितीय लाभों को महत्व देते हैं, विशेष रूप से यदि उत्पन्न प्रति यूनिट ऊर्जा की लागत प्रति यूनिट बिजली की पूंजीगत लागत से अधिक महत्वपूर्ण है। इस आधार पर, स्टर्लिंग इंजन लगभग 100 किलोवाट तक लागत-प्रतिस्पर्धी हैं।^[82]

उसी शक्ति रेटिंग के आंतरिक दहन इंजन की तुलना में, स्टर्लिंग इंजन की वर्तमान में पूंजी लागत अधिक होती है और आमतौर पर बड़े और भारी होते हैं। उनकी कम रखरखाव आवश्यकताएं समग्र ऊर्जा लागत को तुलनीय बनाती हैं। थर्मल दक्षता भी तुलनीय है (छोटे इंजनों के लिए), 15% से 30% तक।^[82]सूक्ष्म सीपीएच जैसे अनुप्रयोगों के लिए, स्टर्लिंग इंजन अक्सर आंतरिक दहन इंजन के लिए बेहतर होता है। अन्य अनुप्रयोगों में जल पम्पिंग, अन्तरिक्ष, और भरपूर मात्रा में ऊर्जा स्रोतों से विद्युत उत्पादन शामिल हैं जो आंतरिक दहन इंजन के साथ असंगत हैं, जैसे कि सौर ऊर्जा, और बायोमास जैसे शून्य अपशिष्ट कृषि और अन्य अपशिष्ट जैसे घरेलू कचरा। हालांकि, स्टर्लिंग इंजन आम तौर पर एक ऑटोमोबाइल इंजन के रूप में मूल्य-प्रतिस्पर्धी नहीं होते हैं, क्योंकि प्रति यूनिट बिजली की उच्च लागत और कम बिजली घनत्व होता है।^{[citation needed]} बुनियादी विश्लेषण क्लोज-फॉर्म श्मिट विश्लेषण पर आधारित है।^[83]^[84]

आंतरिक दहन इंजनों की तुलना में स्टर्लिंग इंजनों के लाभों में शामिल हैं:

स्टर्लिंग इंजन किसी भी उपलब्ध ऊष्मा स्रोत पर सीधे चल सकते हैं, न कि केवल दहन द्वारा उत्पादित, इसलिए वे सौर, भू-तापीय, जैविक, परमाणु स्रोतों या औद्योगिक प्रक्रियाओं से अपशिष्ट ताप पर चल सकते हैं।
एक निरंतर दहन प्रक्रिया का उपयोग गर्मी की आपूर्ति के लिए किया जा सकता है, इसलिए एक प्रत्यागामी आंतरिक दहन इंजन की आंतरायिक दहन प्रक्रियाओं से जुड़े उत्सर्जन को कम किया जा सकता है।
कुछ प्रकार के स्टर्लिंग इंजनों में इंजन के ठंडे हिस्से में बीयरिंग और सील होते हैं, जहां उन्हें कम स्नेहक की आवश्यकता होती है और अन्य प्रत्यागामी इंजन प्रकारों के समकक्षों की तुलना में लंबे समय तक चलते हैं।
इंजन तंत्र कुछ मायनों में अन्य प्रत्यागामी इंजन प्रकारों की तुलना में सरल होते हैं। किसी वाल्व की आवश्यकता नहीं है, और ज्वालक सिस्टम अपेक्षाकृत सरल हो सकता है। क्रूड स्टर्लिंग इंजन सामान्य घरेलू सामग्री का उपयोग करके बनाया जा सकता है।^[85]* एक स्टर्लिंग इंजन एकल-चरण कार्यशील तरल पदार्थ का उपयोग करता है जो अभिकल्पित दबाव के करीब एक आंतरिक दबाव बनाए रखता है, और इस प्रकार ठीक से अभिकल्पित किए गए सिस्टम के लिए विस्फोट का जोखिम कम होता है। इसकी तुलना में, एक भाप इंजन दो-चरण गैस/तरल काम कर रहे तरल पदार्थ का उपयोग करता है, इसलिए एक दोषपूर्ण अतिप्रवाह राहत वाल्व विस्फोट का कारण बन सकता है।
कुछ मामलों में, कम ऑपरेटिंग दबाव हल्के सिलेंडरों के उपयोग की अनुमति देता है।
पनडुब्बियों में वायु-स्वतंत्र प्रणोदन उपयोग के लिए, उन्हें चुपचाप और बिना वायु आपूर्ति के चलाने के लिए बनाया जा सकता है।
वे आसानी से शुरू होते हैं (यद्यपि धीरे-धीरे, वार्मअप के बाद) और ठंड के मौसम में अधिक कुशलता से चलते हैं, आंतरिक दहन के विपरीत, जो गर्म मौसम में जल्दी शुरू होता है, लेकिन ठंड के मौसम में नहीं।
पानी पंप करने के लिए उपयोग किए जाने वाले स्टर्लिंग इंजन को कॉन्फ़िगर किया जा सकता है ताकि पानी संपीड़न स्थान को ठंडा कर सके। ठंडे पानी को पंप करते समय यह दक्षता बढ़ाता है।
वे अत्यधिक लचीले होते हैं। उनका उपयोग सर्दियों में सीएचपी (संयुक्त ताप और शक्ति) के रूप में और गर्मियों में शीतकके रूप में किया जा सकता है।
वेस्ट हीट को आसानी से काटा जाता है (आंतरिक दहन इंजन से निकलने वाली वेस्ट हीट की तुलना में), जिससे स्टर्लिंग इंजन डुअल-आउटपुट हीट और पावर सिस्टम के लिए उपयोगी होते हैं।
1986 में नासा ने स्टर्लिंग ऑटोमोटिव इंजन का निर्माण किया और इसे एक शेवरलेट सेलिब्रिटी में स्थापित किया। ईंधन अर्थव्यवस्था में 45% सुधार हुआ और उत्सर्जन बहुत कम हो गया। त्वरण (शक्ति प्रतिक्रिया) मानक आंतरिक दहन इंजन के बराबर था। यह इंजन, जिसे मॉड II नामित किया गया है, उन तर्कों को भी खारिज कर देता है कि स्टर्लिंग इंजन भारी, महंगे, अविश्वसनीय हैं और खराब प्रदर्शन प्रदर्शित करते हैं।^[86]एक उत्प्रेरक कनवर्टर, मफलर और लगातार तेल परिवर्तन की आवश्यकता नहीं होती है।^[86]

आंतरिक दहन इंजन की तुलना में स्टर्लिंग इंजन के नुकसान में शामिल हैं:

स्टर्लिंग इंजन डिज़ाइन में ताप इनपुट और ऊष्मा उत्पादन के लिए ताप विनिमायकों की आवश्यकता होती है, और इनमें कार्यशील तरल पदार्थ का दबाव होना चाहिए, जहाँ दबाव इंजन शक्ति उत्पादन के समानुपाती होता है। इसके अलावा, विस्तार-पक्ष हीट एक्सचेंजर अक्सर बहुत उच्च तापमान पर होता है, इसलिए सामग्रियों को ताप स्रोत के संक्षारक प्रभावों का विरोध करना चाहिए, और कम रेंगना (विरूपण) होना चाहिए। आमतौर पर ये सामग्री आवश्यकताएं इंजन की लागत में काफी वृद्धि करती हैं। एक उच्च तापमान ताप विनिमायक के लिए सामग्री और असेंबली लागत आम तौर पर कुल इंजन लागत का 40% होती है।^[72]* सभी थर्मोडायनामिक चक्रों को कुशल संचालन के लिए बड़े तापमान के अंतर की आवश्यकता होती है। बाहरी दहन इंजन में, तापित्र का तापमान हमेशा विस्तार तापमान के बराबर या उससे अधिक होता है। इसका मतलब है कि तापित्र सामग्री के लिए धातु संबंधी आवश्यकताओं की बहुत मांग है। यह एक गैस टर्बाइन के समान है, लेकिन एक ओटो इंजन या डीजल इंजन के विपरीत है, जहां विस्तार तापमान इंजन सामग्री की धातुकर्म सीमा से कहीं अधिक हो सकता है, क्योंकि इनपुट ताप स्रोत इंजन के माध्यम से संचालित नहीं होता है, इसलिए इंजन सामग्री कामकाजी गैस के औसत तापमान के करीब काम करें। स्टर्लिंग चक्र वास्तव में प्राप्त करने योग्य नहीं है, स्टर्लिंग मशीनों में वास्तविक चक्र सैद्धांतिक स्टर्लिंग चक्र की तुलना में कम कुशल है, साथ ही स्टर्लिंग चक्र की दक्षता कम होती है जहां परिवेश का तापमान हल्का होता है, जबकि यह ठंडे वातावरण में अपना सर्वश्रेष्ठ परिणाम देगा , जैसे कि उत्तरी देशों की सर्दियाँ।
अपशिष्ट गर्मी का अपव्यय विशेष रूप से जटिल होता है क्योंकि थर्मल दक्षता को अधिकतम करने के लिए शीतलक तापमान जितना संभव हो उतना कम रखा जाता है। इससे रेडिएटर्स का आकार बढ़ जाता है, जिससे पैकेजिंग मुश्किल हो सकती है। सामग्री लागत के साथ, यह ऑटोमोटिव आद्य चालक्स के रूप में स्टर्लिंग इंजनों को अपनाने को सीमित करने वाले कारकों में से एक रहा है। सह-उत्पादन (सीएचपी) का उपयोग कर शिप#प्रोपल्शन और स्टेशनरी microgeneration सिस्टम जैसे अन्य अनुप्रयोगों के लिए उच्च शक्ति घनत्व की आवश्यकता नहीं है।^[39]

अनुप्रयोग

एसईएस से सौर तापीय ऊर्जा#छतरी अभिकल्पित

स्टर्लिंग इंजन के अनुप्रयोगों में हीटिंग और कूलिंग से लेकर अंडरवाटर पावर सिस्टम तक शामिल हैं। एक स्टर्लिंग इंजन गर्म करने या ठंडा करने के लिए ऊष्मा पम्प के रूप में उलटा कार्य कर सकता है। अन्य उपयोगों में संयुक्त ताप और शक्ति, सौर ऊर्जा उत्पादन, स्टर्लिंग क्रायोकूलर, ताप पंप, समुद्री इंजन, कम शक्ति मॉडल विमान इंजन शामिल हैं।^[87]और कम तापमान अंतर इंजन।

यह भी देखें

संदर्भ

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बाहरी कड़ियाँ

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Simple Performance Prediction Method for Stirling Engine
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