เครื่องจักรเสตอริ่ง
เครื่องจักรเสตอริ่ง
เครื่องจักรสเตอริ่ง เป็นเครื่องจักรความร้อนชนิดหนึ่ง ที่แตกต่างจากเครื่องจักรสันดาปภายใน ซึ่งใช้อยู่ในรถยนต์ทั่วๆไป นายโรเบิร์ต สเตอริ่งเป็นผู้ประดิษฐ์เครื่องจักรสเตอริ่งได้เป็นคนแรก เมื่อปี ค.ศ. 1816 น่าแปลกใจที่ว่า เครื่องจักรสเตอริ่งนี้มีประสิทธิภาพสูงกว่า เครื่องจักรก๊าซโซลีนหรือดีเซล และยังไม่มีเสียงอีกด้วย
เครื่องจักรสเตอริ่งมีการทำงานเป็นลักษณะวนไปมา ที่เรียกว่า วัฏจักรสเตอริ่ง ซึ่งมีความแตกต่างจากเครื่องจักรสันดาปภายใน ดังต่อไปนี้
-
ก๊าซที่บรรจุอยู่ภายในกระบอกสูบของเครื่องจักรสเตอริ่ง จะถูกผนึกอยู่ภายใน ไม่สามารถรั่วไหลออกมาได้ จึงไม่ต้องมีวาวล์ไอเสีย เหมือนกับเครื่องจักรก๊าซโซลีน หรือดีเซล และไม่มีการจุดระเบิดของหัวเทียนหรือน้ำมันเชื้อเพลิง เครื่องจึงเดินเงียบมาก
-
พลังงานของเครื่องจักรสเตอริ่งมาจากความร้อนภายนอกกระบอกสูบ จึงไม่มีการเผาไหม้ภายในกระบอกสูบ
วัฏจักรสเตอริ่ง
หลักการสำคัญของเครื่องจักรสเตอริ่ง อาศัยการเปลี่ยนแปลงความดันของก๊าซที่อยู่ภายในกระบอกสูบ ดันลูกสูบให้เคลื่อนที่ ไปหมุนเพลาของเครื่องจักร เกิดงานทางกลศาสตร์ขึ้น
คุณสมบัติของก๊าซที่ทำให้เกิดงานทางกลศาสตร์ขึ้นคือ
-
ถ้าให้ปริมาตรของก๊าซที่อยู่ในกระบอกสูบคงที่ เมื่อเราเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซ ความดันของก๊าซจะเพิ่มขึ้น
-
ถ้าให้ความดันของก๊าซที่อยู่ในกระบอกสูบคงที่ เมื่อกดลูกสูบให้ปริมาตรในกระบอกสูบลดลง อุณหภูมิของก๊าซจะเพิ่มขึ้น
ทดลองสร้างแบบจำลองเครื่องจักรสเตอริ่ง ที่ประกอบด้วยลูกสูบจำนวน 2 อัน ลูกสูบอันแรก เรียกว่าลูกสูบร้อน ได้รับความร้อนจากแหล่งความร้อนภายนอก เช่น เผาด้วยไฟ เป็นต้น ส่วนลูกสูบอันที่สอง เรียกว่า ลูกสูบเย็น โดยความร้อนถูกระบายออกจากลูกสูบเย็น ด้วย น้ำแข็ง หรืออากาศก็ได้ ลูกสูบทั้งสองไปต่อเข้าเพลาข้อเหวี่ยง เพื่อจะไปหมุนเครื่องจักรอีกทีหนึ่ง
วัฏจักรสเตอริ่งแบ่งการทำงานออกเป็น 4 ขั้นตอน ดังต่อไปนี้
ขั้นตอนที่ 1 ให้ความร้อนกับลูกสูบทางซ้าย ทำให้ความดันของก๊าซเพิ่มขึ้น ดันลูกสูบเคลื่อนที่ลง
ขั้นตอนที่ 2 ลูกสูบซ้ายเคลื่อนที่ขึ้นขณะที่ลูกสูบขวาเคลื่อนที่ลง ทำให้ก๊าซร้อนไหลเข้าไปในกระบอกสูบขวา ซึ่งจะถูกทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วโดยน้ำแข็ง ทำให้ความดันลดลง ง่ายต่อการอัดตัวในขั้นตอนต่อไป
ขั้นตอนที่ 3 ลูกสูบเย็นจะเริ่มเคลื่อนที่ขึ้นอัดก๊าซ ความร้อนที่เกิดจากการอัดตัวจะระบายออกสู่ภายนอกกระบอกสูบซึ่งเย็นกว่า
ขั้นตอนที่ 4 ขณะที่ลูกสูบขวาเลื่อนขึ้น ลูกสูบทางซ้ายก็เลื่อนลง ดันก๊าซให้เข้าไปที่ลูกสูบร้อน วัฏจักรเข้าสู่ขั้นตอนที่ 1
กำลังของเครื่องจักรสเตอริ่งได้ใน ขั้นตอนที่ 1 กับขั้นตอนที่ 3 ซึ่งเราสามารถเพิ่มกำลังของเครื่องจักรสเตอริ่งได้ใน 2 ขั้นตอนดังต่อไปนี้
-
เพิ่มกำลังในขั้นตอนที่ 1 โดยเพิ่มความร้อนให้มากขึ้น จะทำให้ความดันของก๊าซเพิ่มขึ้นตาม หรือจะใช้ อุปกรณ์เสริม เรียกว่า รีเจนเนอร์เรเตอร์ (Regenerator) ช่วยกักเก็บความร้อนของก๊าซไว้ก่อน
-
เพิ่มกำลังในขั้นตอนที่ 3 โดยทำให้อุณหภูมิในกระบอกเย็นลดลงไปให้มากที่สุด ซึ่งจะช่วยให้การอัดตัวของก๊าซง่ายขึ้นและกำลังที่ได้เพิ่มขึ้น
การทำงาน 4 ขั้นตอนข้างต้น เป็นเครื่องจักรสเตอริ่งในอุดมคติ ซึ่งการทำงานจริงของเครื่องจักร แตกต่างจากรูปบนไปเพียงเล็กน้อย ดังที่จะได้อธิบายต่อไป
เครื่องจักรสเตอริ่งแบบลูกสูบดิสเพลสเซอร์ ( Displacer type stirling engine)
เครื่องจักรแบบนี้จะมีลูกสูบแตกต่างกัน 2 อัน โดยทำหน้าที่แตกต่างกัน ลูกสูบตัวแรกมีขนาดเล็กการขึ้นลงของลูกสูบนำไปหมุนเครื่องจักร ส่วนลูกสูบตัวที่สอง เป็นลูกสูบตัวใหญ่ เรียกว่า ลูกสูบดิสเพลสเซอร์ ดังรูปข้างล่างเป็นแบบจำลองของเครื่องจักรขนาดเล็ก
เครื่องจักรสเตอริ่งดังรูป สามารถหมุนได้ โดยอาศัยความร้อนที่ได้จากมือ และความเย็นจากอากาศรอบนอกระบายความร้อนเท่านั้น
ถ้าจะให้เครื่องจักรสเตอริ่งแบบดิสเพลสเซอร์หมุน จะต้องมีความแตกต่างของอุณหภูมิ ซึ่งเกิดอยู่ที่ด้านบนและล่างของลูกสูบดิสเพลสเซอร์
-
รอบข้างของลูกสูบตัวเล็กจะป้องกันให้ไม่ก๊าซรั่วออกภายนอก และจะเคลื่อนที่ขึ้นเมื่อความดันของก๊าซมากขึ้น
-
ลูกสบดิสเพลสเซอร์ ซึ่งเป็นลูกสูบตัวใหญ่ ด้านข้างของลูกสูบ ก๊าซสามารถผ่านได้ ระหว่างด้านเย็นและด้านร้อน เมื่อลูกสูบดิสเพลสเซอร์เคลื่อนมาอยู่ด้านบน ความร้อนจากภายนอกจะเผาก๊าซให้ขยายตัวดันลูกสูบตัวยเล็กให้วิ่งขึ้น แต่เมื่อลูกสูบดิสเพลสเซอร์เคลื่อนที่มาอยู่ข้างล่าง ก๊าซก็จะหดตัวเนื่องจากความเย็น ทำให้ความดันลดลง ลูกสูบตัวเล็กจึงเคลื่อนที่ลง
เครื่องจักรสเตอริ่ง 2 ลูกสูบ
เครื่องจักรแบบนี้ ลูกสูบร้อนจะถูกเผาด้วยไฟ ส่วนลูกสูบเย็นจะระบายความร้อนออกด้านนอก โดยอาศัยครีบที่ทำไว้อยู่รอบกระบอกสูบเพื่อเพิ่มพื้นที่ระบายความร้อน และลูกสูบทั้งสองจะต่อเข้ากับเพลาข้อเหวี่ยง นำไปหมุนเครื่องจักร
ขั้นตอนที่ 1 ให้ความร้อนกับลูกสูบตัวล่าง ความดันของก๊าซจะเพิ่มขึ้น ดันให้ลูกสูบร้อนเคลื่อนที่ไปทางซ้าย ส่วนลูกสูบเย็นยังคงหยุดนิ่ง เพราะเพลาข้อเหวี่ยงยังอยู่ในช่วงการหมุนเปลี่ยนทิศทาง
ขั้นตอนที่ 2 ลูกสูบทั้งคู่เคลื่อนที่ โดยลูกสูบร้อนจะเคลื่อนที่ไปทางขวา และลูกสูบเย็นจะเคลื่อนทีขึ้น ก๊าซจะถูกลูกสูบร้อนดันผ่านห้องรีเจนเนอร์เรเตอร์ (regenerator) ไปยังลูกสูบเย็น ห้องรีเจนเนอร์เรเตอร์ คือ ห้องที่สามารถเก็บกักความร้อนไว้ได้ชั่วคราว ซึ่งภายในทำด้วยเส้นลวดมากมาย เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัส ขณะที่ก๊าซร้อนพุ่งผ่าน เส้นลวดเหล่านี้จะดูดกลืนความร้อนอย่างรวดเร็ว และระบายความร้อนออกทางครีบด้านบนของกระบอกสูบเย็น
ขั้นตอนที่ 3 ลูกสูบเย็นจะเคลื่อนที่อัดก๊าซ ความร้อนของก๊าซที่เกิดจากการอัดตัวจะถูกถ่ายเทออกทางครีบ
ขั้นตอนที่ 4 ซึ่งเป็นขั้นตอนสุดท้ายของวัฏจักร ลูกสูบเย็นจะเคลื่อนที่ลง ขณะที่ลูกสูบร้อนจะเคลื่อนที่ไปทางซ้าย ดูดก๊าซจากห้องรีเจนเนอร์เรเตอร์เข้าไปในกระบอกสูบของลูกสูบร้อน วัฏจักรเข้าสู่ขั้นตอนแรก
สุดท้ายนี้มีคำถามว่า ทำไมเครื่องจักรสเตอริ่งจึงไม่เป็นที่นิยมมากนัก ดังเช่น รถยนต์เก๋งทุกประเภท ไม่มีคันไหนนำไปใช้เลย ทั้งข้อดีคือเสียงเงียบ และไม่ก่อให้เกิดมลพิษ เหตุผลนั้นเกิดจาก
-
แหล่งกำเนิดความร้อนอยู่ภายนอก ทำให้การส่งถ่ายความร้อนเข้าไปในกระบอกสูบต้องใช้เวลา ทำให้ ในช่วงการสตาร์ทของเครื่องจักรสเตอริ่ง ต้องมีการอุ่นเครื่องยนต์ให้เครื่องยนต์ร้อนถึงระดับหนึ่งก่อน จึงจะมีกำลังถึงจุดที่ต้องการ และขณะที่ขับเคลื่อนการเปลี่ยนถ่ายกำลังยังไม่ดีเท่าที่ควร ตอบสนองได้ช้า
ฉะนั้นอนาคตอันใกล้นี้ เครื่องจักรสเตอรริ่งยังแทนเครื่องจักรสันดาปภายในยังไม่ได้ แต่ใช้ในรถยนต์พวกไฮบริด ซึ่งเป็นเครื่องจักรผสมผสานได้ แต่ก็ไม่แน่ในประเทศไทยที่มีอากาศค่อนข้างร้อนอาจจะนำเครื่องจักรนี้มาใช้ได้ น่าที่จะมีการวิจัยทดลองดู
ที่มา http://www.rmutphysics.com/charud/virtualexperiment/virtual2/stirling-engine/index.html
http://www.ipst.ac.th/design/document/stirling_engine.pdf
http://astro.sfasu.edu/courses/egr112/StirlingEngine/stirling.html
