محرك الهواء الساخن

محرك الهواء الساخن ^{[ 1 ]} (يُسمى تاريخيًا محرك الهواء أو المحرك الحراري ^{[ 2 ]} ) هو أي محرك حراري يستخدم تمدد وانكماش الهواء تحت تأثير تغير درجة الحرارة لتحويل الطاقة الحرارية إلى شغل ميكانيكي . قد تعتمد هذه المحركات على عدد من الدورات الديناميكية الحرارية، بما في ذلك أجهزة الدورة المفتوحة مثل تلك التي صممها السير جورج كايلي ^{[ 3 ]} وجون إريكسون ^{[ 4 ]} ، ومحرك الدورة المغلقة الذي صممه روبرت ستيرلنغ ^{[ 5 ]} . تختلف محركات الهواء الساخن عن محركات الاحتراق الداخلي ومحركات البخار الأكثر شيوعًا .

في تطبيق نموذجي، يتم تسخين الهواء وتبريده بشكل متكرر في أسطوانة ، ويتم استخدام التمدد والانكماش الناتجين لتحريك مكبس وإنتاج عمل ميكانيكي مفيد .

يستثني مصطلح "محرك الهواء الساخن" تحديدًا أي محرك يعمل بدورة ديناميكية حرارية يخضع فيها سائل التشغيل لتحول طوري ، مثل دورة رانكين . كما يستثني محركات الاحتراق الداخلي التقليدية ، التي تُضاف فيها الحرارة إلى سائل التشغيل عن طريق احتراق الوقود داخل أسطوانة التشغيل. أما أنواع الاحتراق المستمر، مثل محرك "ريدي موتور" لجورج برايتون والتوربينات الغازية المرتبطة به ، فيمكن اعتبارها حالاتٍ على الحدود الفاصلة.

عرف القدماء خاصية تمدد الهواء الساخن. يصف كتاب "النيوماتيكا" لهيرو الإسكندري أجهزةً يُمكن استخدامها لفتح أبواب المعابد تلقائيًا عند إشعال النار على مذبح القرابين. وقد سُجّلت أجهزة تُسمى محركات الهواء الساخن، أو ببساطة محركات الهواء ، منذ عام 1699. في ذلك العام، قدّم غيوم أمونتونس (1663-1705) إلى الأكاديمية الملكية للعلوم في باريس تقريرًا عن اختراعه: عجلة تدور بفعل الحرارة. ^{[ 6 ]} كانت العجلة مثبتة عموديًا، وتحيط بمحورها حجرات مملوءة بالماء. أما الحجرات المملوءة بالهواء على حافة العجلة، فكانت تُسخّن بنار أسفل أحد جانبيها. يتمدد الهواء الساخن، ويدفع الماء عبر أنابيب من حجرة إلى أخرى، مما يُخلّ بتوازن العجلة ويُسبب دورانها.

يرى:

• أمونتون (20 يونيو 1699) "Moyen de substituer commodement l' action du feu, à la force des hommes et des chevaux pour mouvoir les Machines" (وسائل استبدال قوة الرجال والخيول بقوة النار بشكل ملائم من أجل تحريك الآلات [أي الطاقة])، Mémoires de l'Académie Royale des Sciences ، الصفحات من 112 إلى 126. تظهر المذكرات في Histoire de l'Académie Royale des Sciences, année 1699 ، الذي نُشر عام 1732. تم شرح عملية مطحنة النار في Amontons في الصفحات 123-126؛ تم توضيح آليته على اللوحة التالية الصفحة 126.
• للحصول على وصف لعجلة أمونتونز التي تعمل بالنار باللغة الإنجليزية، انظر: روبرت ستيوارت، حكايات تاريخية ووصفية عن محركات البخار ومخترعيها ومحسنيها (لندن، إنجلترا: وايتمان وكرامب، 1829)، المجلد 1، الصفحات 130-132 ؛ يظهر رسم توضيحي للآلة في ^{[ 7 ]} في نفس الوقت تقريبًا الذي تم فيه وضع قوانين الغازات لأول مرة، وتشمل براءات الاختراع المبكرة براءات اختراع هنري وود ، قس هاي إركال بالقرب من كولبروكديل شروبشاير (براءة الاختراع الإنجليزية رقم 739 لعام 1759) وتوماس ميد ، وهو مهندس من سكولكوتس يوركشاير (براءة الاختراع الإنجليزية رقم 979 لعام 1791)، ^{[ 8 ]} ويحتوي الأخير على وجه الخصوص على العناصر الأساسية لمحرك من نوع الإزاحة (أطلق عليه ميد اسم الناقل). من غير المرجح أن يكون أي من هذين البراءات قد أدى إلى محرك فعلي، وربما كان أول مثال عملي هو محرك غاز الفرن ذو الدورة المفتوحة للمخترع الإنجليزي السير جورج كايلي حوالي عام 1807 ^{[ 9 ] [ 10 ]}

من المرجح أن محرك الهواء الذي ابتكره روبرت ستيرلنغ عام 1818، والذي تضمن جهازه المبتكر لتوفير الطاقة (الحاصل على براءة اختراع عام 1816)، كان أول محرك هواء يُستخدم عمليًا. ^{[ 11 ]} كان جهاز توفير الطاقة، المعروف الآن باسم المُجدِّد ، يخزن الحرارة من الجزء الساخن من المحرك أثناء مرور الهواء إلى الجانب البارد، ثم يُطلق الحرارة إلى الهواء المُبرَّد عند عودته إلى الجانب الساخن. وقد حسّن هذا الابتكار كفاءة محرك ستيرلنغ، وينبغي أن يكون موجودًا في أي محرك هواء يُطلق عليه اسم محرك ستيرلنغ .

حصل ستيرلنغ، بالاشتراك مع شقيقه جيمس، على براءة اختراع لمحرك هواء ساخن ثانٍ عام 1827. وقد عكسا التصميم بحيث أصبحت الأطراف الساخنة للمُزيحات أسفل الآلات، وأضافا مضخة هواء مضغوط لزيادة ضغط الهواء داخل المحرك إلى حوالي 20 ضغطًا جويًا. ويذكر تشامبرز أن هذا المحرك لم ينجح، بسبب عيوب ميكانيكية و"تراكم غير متوقع للحرارة، لم تستخلصها بالكامل المناخل أو الممرات الصغيرة في الجزء البارد من المُجدد، الذي لم يكن سطحه الخارجي كبيرًا بما يكفي لتصريف الحرارة غير المستعادة عندما كان المحرك يعمل بهواء مضغوط للغاية".

ابتكر باركنسون وكروسلي، الحاصلان على براءة اختراع إنجليزية عام 1828، محرك الهواء الساخن الخاص بهما. في هذا المحرك، تُعرَّض حجرة الهواء جزئيًا، عن طريق غمرها في الماء البارد، للبرودة الخارجية، بينما يُسخَّن الجزء العلوي منها بالبخار. يتحرك وعاء داخلي لأعلى ولأسفل داخل هذه الحجرة، مُزيحًا الهواء، ومُعرِّضًا إياه بالتناوب لتأثيرات الماء البارد والبخار الساخن، مما يُغيِّر درجة حرارته وحالة تمدده. تُسبِّب هذه التقلبات حركة ترددية لمكبس داخل أسطوانة تتصل حجرة الهواء بنهايتيها بالتناوب.

في عام 1829، حصل أرنوت على براءة اختراع لآلة تمديد الهواء، حيث تُوضع نار على شبكة بالقرب من قاع أسطوانة مغلقة، وتُملأ الأسطوانة بهواء نقي تم إدخاله حديثًا. يُسحب مكبس حر لأعلى، مما يسمح للهواء الموجود في الأسطوانة أعلاه بالمرور عبر أنبوب يمر عبر النار، فيكتسب مرونة متزايدة تُسهم في تمدده أو زيادة حجمه، وهي قدرة النار على منحه إياها.

وفي العام التالي (1830)، تبعه الكابتن إريكسون الذي حصل على براءة اختراع لمحركه الثاني الذي يعمل بالهواء الساخن. ويصفه وصفه بمزيد من التفصيل بأنه يتكون من "حجرة دائرية، يدور فيها مخروط على عمود أو محور بواسطة أجنحة أو شفرات، تتعرض بالتناوب لضغط البخار؛ وتعمل هذه الأجنحة أو الشفرات من خلال شقوق أو فتحات في سطح دائري يدور بشكل مائل، ويبقى بذلك على اتصال بجانب المخروط".

قام إريكسون ببناء محركه الثالث للهواء الساخن (المحرك الحراري) عام 1833، والذي أثار اهتماماً كبيراً قبل بضع سنوات في إنجلترا؛ والذي، إذا ما تم تشغيله عملياً، سيثبت أنه أهم اختراع ميكانيكي على الإطلاق، وسيمنح الحياة المتحضرة فوائد أعظم من أي اختراع سبقه. فهدفه هو إنتاج طاقة ميكانيكية عن طريق الحرارة، باستهلاك وقود ضئيل للغاية، بحيث يمتلك الإنسان قوة ميكانيكية غير محدودة تقريباً تحت تصرفه، في مناطق يكاد ينعدم فيها الوقود حالياً.

شهد عام 1838 حصول محرك الهواء الساخن فرانشوت على براءة اختراع، وهو بالتأكيد محرك الهواء الساخن الذي كان الأفضل في اتباع متطلبات كارنو.

حتى ذلك الحين، لم تُحقق جميع محركات الهواء هذه نجاحًا، لكن التكنولوجيا كانت تتطور. في عام ١٨٤٢، بنى جيمس ستيرلنغ، شقيق روبرت، محرك دندي ستيرلنغ الشهير. استمر هذا المحرك لمدة سنتين أو ثلاث سنوات على الأقل، ثم توقف إنتاجه بسبب عيوب تقنية. تُعد محركات الهواء الساخن قصة تجارب وأخطاء، واستغرق الأمر عشرين عامًا أخرى قبل أن تُستخدم على نطاق صناعي. بُنيت أولى محركات الهواء الساخن الموثوقة على يد شو، وروبر، وإريكسون، حيث تم إنتاج آلاف منها.

وجدت المحركات الساخنة سوقًا رائجة لضخ المياه (وخاصةً إلى خزانات المياه المنزلية) حيث كان مدخل المياه يوفر البرودة اللازمة للحفاظ على فرق درجة الحرارة. كما تم استخدامها في مجالات تجارية أخرى.

• شركة هايوارد، تايلر وشركاه في لندن. محركات لضخ المياه وتشغيل المضخات حوالي 1876-1883. ^{[ 12 ]}
• لويس هاينريسي ، ورشة عمل ميكانيكية للجراحة، تسفيكاو في ساكسونيا. 1884-
• شركة هايوارد تايلر وشركاه في لندن. إمدادات المياه المنزلية (براءة اختراع رايدر) حوالي 1888-1901. ^{[ 13 ]}
• شركة دبليو إتش بيلي وشركاه، سالفورد. محركات لضخ المياه المنزلية وتشغيل الآلات الثابتة حوالي 1885-1887 ^{[ 14 ]}
• آدم وودوارد وأبناؤه، أنكوتس، مانشستر. براءة اختراع روبنسون. حوالي عام 1887 ^{[ 15 ]}
• نوريس وهينتي، لندن. بائعو محركات الضخ من نوع "روبنسون". حوالي 1898-1901 ^{[ 16 ]}
• شركة سي إتش ديلاماتر وشركاه، مصانع ديلاماتر للحديد، نيويورك. محرك من نوع "رايدر" و"إريكسون". 1870-1898
• شركة رايدر للمحركات، والدن، نيويورك. 1879-1898
• شركة رايدر-إريكسون للمحركات ، والدن، نيويورك. 1898-

يمكن أن تتكون الدورة الديناميكية الحرارية لمحرك الهواء الساخن (في الوضع الأمثل) من 3 عمليات أو أكثر (عادةً 4). ويمكن أن تكون هذه العمليات أيًا مما يلي:

• عملية متساوية الحرارة (عند درجة حرارة ثابتة، يتم الحفاظ عليها بإضافة الحرارة أو إزالتها من مصدر أو مستودع حراري)
• عملية متساوية الضغط (عند ضغط ثابت)
• عملية متساوية القياس / متساوية الحجم (عند حجم ثابت)
• عملية كظيمة (لا تتم إضافة أو إزالة الحرارة من سائل التشغيل)
  • عملية متساوية الإنتروبيا ، عملية كظيمة قابلة للانعكاس (لا تتم إضافة أو إزالة الحرارة من سائل التشغيل - والإنتروبيا ثابتة ).
• عملية متساوية المحتوى الحراري ( المحتوى الحراري ثابت)

بعض الأمثلة (ليست كل دورات الهواء الساخن، كما هو موضح أعلاه) هي كما يلي:

ومثال آخر هو دورة فويومييه . ^{[ 17 ]}

• محرك ستيرلينغ
• محرك حراري صوتي
• محرك مانسون-غايز
• محرك فراغي
• محرك حراري كارنو
• الجدول الزمني لتكنولوجيا المحركات الحرارية

• مقدمة عن آلات دورة ستيرلينغ
• رواد تصميم محركات الطائرات (اختر السيرة الذاتية المطلوبة)
• جهاز لطريقة التمايز الحراري ( براءة اختراع فويليومير)
• بحث في محركات الهواء الساخن في القرن التاسع عشر