स्टर्लिंग इंजन

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अल्फा प्रकार स्टर्लिंग इंजन. एक विस्तारित सिलेंडर (लाल) को एक उच्च तापमान पर बनाए रखा गया है जबकि संपीड़न सिलेंडर (नीला) ठंडा है. दो सिलेंडरों के बीच पैसेज में पुनर्योजी शामिल हैं.

स्टर्लिंग इंजिन एक ऐसा उष्मीय इंजिन है जो हवा, गैस या किसी तरल पदार्थ के भिन्न-भिन्न तापमानों में चक्रीय दबावों एवं फैलाव से इस तरह कार्यान्वित होती है कि वहां पर शुद्ध रूप में उष्मीय उर्जा का बदलाव यांत्रिक क्रिया में हो जाता है.[1]

यह इंजन एक भाप इंजन की तरह होता है जिसमें इंजन दीवार के माध्यम से पूर्ण ताप को स्थानांतरित किया जाता है. इसे परम्परागत रूप से आंतरिक दहन इंजन के विपरीत एक बाह्य दहन इंजन के रूप में जाना जाता है जहां कार्यरत तरल की राशी के भीतर ईंधन के दहन के द्वारा ताप इनपुट होता है. भाप इंजन द्वारा कार्यरत तरल के रूप में तरल और गैस, दोनों पदार्थों में पानी के इस्तेमाल के विपरीत स्टर्लिंग इंजन हवा या हीलियम जैसे गैसीय तरल की निश्चित मात्रा को स्थायी रूप से संलग्न करता है. जैसा कि सभी ताप इंजन में होता है, सामान्य चक्र में शामिल है ठंडी गैस का सम्पीड़न, गैस को गर्म करना, गर्म गैस का विस्तार करना, और अंत में चक्र के दोहराव से पहले गैस को ठंडा करना.

इसे भाप इंजन के प्रतिद्वंद्वी के रूप में मूलतः 1816 में एक औद्योगिक मुख्य चालक के रूप में विचारित किया गया था, इसका व्यावहारिक उपयोग एक बड़े पैमाने पर एक सदी से भी अधिक तक न्यून-बिजली घरेलू अनुप्रयोगों के लिए सीमित था.[2] स्टर्लिंग इंजन को अपनी उच्च कार्यक्षमता (40%[3] तक), निर्बाध संचालन, और उस सुगमता के लिए जाना जाता है जिससे वह लगभग कोई भी ताप स्त्रोत का इस्तेमाल कर सकता है. वैकल्पिक और अक्षय ऊर्जा स्रोतों के साथ यह संगतता, पारम्परिक ईंधन की कीमत बढ़ने, और जलवायु परिवर्तन और तेल के सीमित उत्पादन के मद्देनज़र तेज़ी से महत्वपूर्ण बन गई है. वर्तमान में यह इंजन, सूक्ष्म संयुक्त ताप और शक्ति (CHP) इकाई के मुख्य घटक के रूप में रूचि को बढ़ा रहा है, जिसमें यह एक तुलनीय भाप इंजन के मुकाबले अधिक कुशल और सुरक्षित है.[4][5] अंतरिक्ष अनुसंधान में उपयोग के लिए स्टर्लिंग इंजन पर (विशेषकर मुक्त पिस्टन प्रकार) NASA द्वारा भी विचार किया जा रहा है.[6]

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अनुक्रम

नाम और परिभाषा[संपादित करें]

1816 में बंद चक्रीय वायु इंजन के पहले व्यावहारिक उदाहरण के स्कॉटिश आविष्कारक थे रॉबर्ट स्टर्लिंग, और 1884 के आरम्भ में यह फ्लेमिंग जेनकिन द्वारा सुझाया गया कि ऐसे इंजनों को जातिगत रूप से स्टर्लिंग इंजन कहा जाना चाहिए. इस नामकरण प्रस्ताव को ज्यादा समर्थन नहीं मिला, और बाजार में सुलभ विभिन्न प्रकार के इंजनों को इसके व्यक्तिगत डिजाइनर या निर्माता के नाम द्वारा जाना जाता रहा जैसे राइडर का, रोबिन्सन का या हेनरिसी (गर्म) का वायु इंजन. 1940 के दशक में, फिलिप्स (Philips) कंपनी 'वायु इंजन' के अपने स्वयं के संस्करण के लिए एक उपयुक्त नाम की खोज कर रहा था, जिसे उस समय तक अन्य गैसों के साथ परीक्षण किया गया था, और अन्ततः अप्रैल 1945 में इसका नाम स्टर्लिंग इंजन तय किया गया.[7] हालांकि, लगभग तीस साल बाद ग्राहम वाकर ने इस तथ्य पर दुख व्यक्त किया कि हॉट एयर इंजन जैसे शब्दावली का स्टर्लिंग इंजन के विनिमेयता के साथ प्रयोग जारी था, जिसका स्वयं व्यापक और अंधाधुंध इस्तेमाल किया गया था. अब स्थिति में कुछ सुधार हुआ है, कम से कम शैक्षिक साहित्य में, और अब आम तौर पर यह स्वीकार किया गया है कि 'स्टर्लिंग इंजन' विशेष रूप से स्थायी गैसीय कार्यरत तरल वाले बंद-चक्रीय पुनर्योजी ताप इंजन को संदर्भित करेगा, जहां बंद-चक्रीय को एक थर्मोडाइनामिक प्रणाली के रूप में परिभाषित किया गया है जिसमें कार्यरत तरल पदार्थ स्थायी रूप से प्रणाली के भीतर धारित होता है और पुनर्योजी एक विशेष प्रकार के आंतरिक ताप एक्सचेंजर और थर्मल स्टोर जिसे रीजनरेटर के रूप में जाना जाता है, के उपयोग का वर्णन करता है. ऐसा ही एक इंजन 1931 में मौजूद था जो इसी सिद्धांत पर कार्य करता था मगर एक गैसीय तरल के बजाए एक द्रव का उपयोग करता था और इसे मेलोन हीट इंजन कहा जाता था.[8]

ऐसा, बंद-चक्रीय संचालन के बाद से होना शुरू हुआ कि स्टर्लिंग इंजन एक बाह्य दहन इंजन है जो अपने कार्यरत द्रव को एक बाहरी ताप स्रोत से आपूर्ति किये जा रहे ऊर्जा इनपुट से पृथक करता है. स्टर्लिंग इंजन का कई संभावित कार्यान्वयन है जिसमें से अधिकांश प्रत्यागामी पिस्टन इंजन की श्रेणी में आता है.

कार्यात्मक विवरण[संपादित करें]

इंजन को इस प्रकार डिज़ाइन किया गया है कि कार्यरत गैस आम तौर पर इंजन के ठंडे भाग में सम्पीड़ित होती है और ताप वाले भाग में इसका विस्तारण होता है जिसके परिणामस्वरूप ताप का क्रिया में शुद्ध रूपांतरण होता है.[9] एक आंतरिक पुनर्योजी ताप एक्सचेंजर, स्टर्लिंग इंजन की थर्मल दक्षता को बढ़ाता है जो सुविधा एक समान्य गर्म वायु इंजन में नहीं होती.

प्रमुख घटक[संपादित करें]

BetaStirlingTG4web.jpg

Cut-away diagram of a rhombic drive beta configuration Stirling engine design:

  • Pink – Hot cylinder wall
  • Dark grey – Cold cylinder wall (with coolant inlet and outlet pipes in yellow)
  • Dark green – Thermal insulation separating the two cylinder ends
  • Light green – Displacer piston
  • Dark blue – Power piston
  • Light blue – Linkage crank and flywheels
Not shown: Heat source and heat sinks. In this design the displacer piston is constructed without a purpose-built regenerator.

बंद चक्रीय संचालन के एक परिणाम के रूप में, वह ताप जो स्टर्लिंग इंजन को चलाता है उसे एक ताप स्रोत से कार्यरत द्रव में ताप एक्सचेंजर द्वारा संचारित होना चाहिए और अततः एक ताप सिंक में जाना चाहिए. एक स्टर्लिंग इंजन प्रणाली में कम से कम एक ताप स्रोत, एक ताप सिंक और पांच ताप एक्सचेंजर होते हैं. कुछ प्रकारों में इसे संयुक्त किया जा सकता है या इसे छोड़ा जा सकता है.

ताप स्रोत[संपादित करें]

स्टर्लिंग इंजन के साथ इसके केन्द्र में बिंदु फोकस पाराबोलिक दर्पण और स्पेन में प्लाटाफोर्मा सोलर डी अल्मेरिया (PSA) में सौर ट्रैकर

ताप स्रोत, ईंधन का दहन हो सकता है और चूंकि दहन उत्पाद कार्यरत तरल (यानी बाह्य दहन) के साथ मिश्रित नहीं होते और इंजन के आंतरिक गतिमान भागों के साथ संपर्क में आते हैं, एक स्टर्लिंग इंजन को ऐसे ईंधन पर चलाया जा सकता है जो इंजन के अन्य (यानी, आंतरिक दहन) आतंरिक भाग को खराब कर सकते हैं जैसे लैंडफिल गैस जिसमें सिलोक्सेन शामिल होता है.

कुछ अन्य उपयुक्त ताप स्त्रोत में शामिल है सौर ऊर्जा, भूगर्भीय ऊर्जा, परमाणु ऊर्जा, अपशिष्ट ताप या यहां तक कि जैविक भी. अगर ताप स्रोत सौर ऊर्जा है, तो नियमित सौर मिरर और सौर पदार्थ का उपयोग किया जा सकता है. इसके अलावा, फ्रेसनेल लेंस के इस्तेमाल की वकालत की गई है (उदाहरण के लिए ग्रह संबंधी सतह खोज करने के लिए).[10] सौर शक्ति द्वारा संचालित स्टर्लिंग इंजन तेज़ी लोकप्रिय होते जा रहे हैं, क्योंकि वे बिजली उत्पादन के लिए भारी पर्यावरणीय विकल्प हैं. इसके अलावा, कुछ डिजाइन, विकास की परियोजनाओं में आर्थिक रूप से आकर्षक है.[11]

रिक्यूपरेटर[संपादित करें]

एक वैकल्पिक ताप एक्सचेंजर रेक्यूपरेटर है जिसका इस्तमाल तब होता है जब दहन ईंधन इनपुट से यांत्रिक ऊर्जा आउटपुट में उच्च कार्यक्षमता वांछित होती है. चूंकि उच्च कार्यक्षमता वाले ईंधन से चलने वाले इंजन के तापक को एक समान उच्च तापमान पर काम करना चाहिए, वहां बर्नर में निकलने वाली दहन गैस से महत्वपूर्ण ताप क्षय होता है जब तक कि दहन के लिए आवश्यक हवा को पहले से गर्म करके इसे ठंडा नहीं किया जाता है. संयुक्त ताप और ऊर्जा प्रणालियों में इस्तेमाल इंजन निकासी गैसों को इंजन के "ठंडे" भागों में ठंडा कर सकते हैं.

तापक[संपादित करें]

छोटी, कम शक्ति के इंजन में साधारणतः गरम स्थानों की दीवार शामिल होती है लेकिन जहां बड़ी शक्तियों की आवश्यकता होती है वहां पर्याप्त ताप को एक्सचेंजर के लिए एक बड़े सतही क्षेत्र की जरूरत होती है. विशिष्ट कार्यान्वयन में आंतरिक और बाह्य पंख होते हैं या कई छोटे बोर के ट्यूब होते हैं.

स्टर्लिंग इंजन ताप एक्सचेंजर की अभिकल्पना, निम्न लसलसे पम्पिंग क्षति वाले उच्च ताप स्थानांतरण और न्यून मृत स्थान के बीच एक संतुलन है. उच्च ऊर्जा और दबाव पर कार्यरत इंजन के मामले में गर्म हिस्से वाले ताप एक्सचेंजर को ऐसे मिश्रधातु से बनाया जाना चाहिए जो ऐसे तापमान पर भी काफी मज़बूती बनाए रखते हैं और जो न क्षय होगा न धीमा.

पुनर्योजक[संपादित करें]

स्टर्लिंग इंजन में, पुनर्योजी एक आंतरिक ताप एक्सचेंजर होता है और गर्म और ठंडे स्थानों के बीच अस्थायी ताप संग्रह है, जो इस प्रकार से निर्मित है कि कार्यरत द्रव इससे होके गुज़रता है, पहले एक दिशा में और फिर दूसरी. इसका कार्य, प्रणाली के भीतर उस ताप को बनाए रखना है जो अन्यथा अधिकतम और न्यूनतम चक्रीय तापमान पर पर्यावरण के साथ बदल जाएगा,[12] और इस प्रकार अधितम और न्यूनतम द्वारा पारिभाषित सीमित करने वाली कार्नोट दक्षता तक पहुंचने के लिए चक्र की थर्मल दक्षता को सक्षम बनाता है.

स्टर्लिंग इंजन में आंतरिक ताप के पुनर्चक्रण द्वारा थर्मल दक्षता को बढ़ाना पुनर्जनन का प्राथमिक कार्य है जो कि अन्यथा अपरिवर्तनीय ढंग से इंजन के माध्यम से गुजरेगा. एक माध्यमिक प्रभाव के रूप में, वर्धित ताप दक्षता एक दिए गए गर्म और ठंडे ताप एक्सचेंजर से एक उच्च शक्ति आउटपुट को सुनिश्चित करती है (क्योंकि यही है जो आमतौर पर इंजन के ताप प्रवाह को सीमित करता है), हालांकि व्यवहार में इस अतिरिक्त ऊर्जा को पूरी तरह से अतिरिक्त "मृत स्थान" (बिना प्रसार का वोल्यूम) के रूप में प्रयोग नहीं किया जा सकता और व्यावहारिक पुनर्योजी में पम्पिंग क्षति का सहज रूप से विपरीत असर हो जाता है.

पुनर्योजी एक थर्मल संधारित्र की तरह काम करता है. आदर्श पुनर्योजी में बहुत ही उच्च तापीय क्षमता होती है, बहुत कम तापीय चालकता तरल प्रवाह के समानांतर होती है, तरल प्रवाह के लम्बवत बहुत उच्च तापीय चालकता होती है, लगभग कोई मात्रा नहीं होती और यह कार्यरत द्रव से कोई घर्षण नहीं शुरू करता. जैसे ही पुनर्योजी इन आदर्श सीमाओं तक पहुंचता है, स्टर्लिंग इंजन की दक्षता में वृद्धि होती है.[13]

स्टर्लिंग इंजन पुनर्योजी की अभिकल्पना में जो चुनौती है वह है बहुत ज्यादा अतिरिक्त आंतरिक मात्रा (मृत स्थान), या प्रवाह प्रतिरोध के बिना पर्याप्त ताप एक्सचेंजर प्रदान करना, जिनमें से दोनों ही शक्ति और दक्षता को कम करते है. ये निहित डिजाइन संघर्ष एक कारक हैं जो व्यावहारिक स्टर्लिंग इंजन की दक्षता को सीमित करते हैं. एक ठेठ डिजाइन, शुद्ध धातु के तारों की जाल से निर्मित होती है, जिसमें मृत स्थान को कम करने के लिए निम्न सरंध्रता होती है, और इसमें तार की धुरी गैस बहाव के लम्बवत होती है ताकी उस दिशा में संवाहन को कम किया जा सके और संवहनी ताप अंतरण को अधिकतम किया जा सके.[14]

पुनर्योजी एक प्रमुख घटक है जिसका आविष्कार रोबर्ट स्टर्लिंग द्वारा किया गया, और इसकी उपस्थिति कोई अन्य बंद चक्र गर्म हवा इंजन से मूल स्टर्लिंग इंजन को अलग करती है. हालांकि, किसी प्रत्यक्ष पुनर्योजी के बिना भी कई इंजनों को स्टर्लिंग इंजन के रूप में ही वर्णित किया जा सकता है, 'ढीले फिटिंग' विस्थापक के साथ सरल बीटा और गामा विन्यास में, विस्थापकों की सतह और उसके सिलेंडर चक्रीय ताप अंतरण करेंगे जिसमें कार्यरत द्रव विशेष रूप से न्यून-दबाव के इंजनों में महत्वपूर्ण पुनर्योजी प्रभाव प्रदान करता है. यही बात अल्फा विन्यासित इंजन के गर्म और ठंडे सिलेंडरों के जोड़ने वाले मार्ग के बारे में सच है.

शीतलक[संपादित करें]

छोटे, कम शक्ति इंजन में यह केवल ठंडे स्थान वाली दीवारों से निर्मित हो सकते हैं, लेकिन जहां बड़ी शक्तियों को पर्याप्त ताप अंतरण के क्रम में पानी की तरह एक तरल पदार्थ का इस्तेमाल करने वाली एक कूलर की आवश्यकता होती है.

ताप सिंक[संपादित करें]

ताप सिंक आम तौर पर परिवेशी तापमान पर परिवेश है. मध्य से उच्च शक्ति इंजन के मामले में इंजन से परिवेशी हवा में ताप के अंतरण के लिए एक रेडिएटर की आवश्यकता होती है. समुद्री इंजन परिवेशी जल का उपयोग कर सकते हैं. संयुक्त ताप और बिजली प्रणालियों के मामले में, तापीय प्रयोजनों के लिए प्रत्यक्ष या परोक्ष रूप से इंजन के ठंडे पानी का इस्तेमाल किया जाता है.

वैकल्पिक रूप से, ताप को परीवेशी तापमान पर भेजा जा सकता है और ताप सिंक को क्रायोजेनिक द्रव (तरल नाइट्रोजन सुव्यवस्था को देंखे) या बर्फीले पानी द्वारा न्यून तापमान पर बनाए रखा जाता है.

विन्यास[संपादित करें]

जिस प्रकार से वे सिलेंडर के गर्म और ठंडे भाग के बीच कार्रवाई करते हैं उसके आधार पर प्रमुख रूप से दो प्रकार के स्टर्लिंग इंजनों की पहचान की जा सकती है:

  1. दो पिस्टन वाले अल्फा प्रकार के डिजाइन में स्वतन्त्र सिलेंडरों में पिस्टन है, और गर्म और ठंडे स्थानों के बीच गैस चालित है.
  2. विस्थापन प्रकार के स्टर्लिंग इंजन को बीटा और गामा प्रकार के रूप में जाना जाता है, जिसमें सिलेंडर के गर्म और ठंडे भागों के बीच, कार्यरत गैस का दबाव देने के लिए एक विद्युत-रोधित यांत्रिक विस्थापक का इस्तेमाल किया जाता है. विस्थापक इतना बड़ा होता है कि वह सिलेंडर के गर्म और ठंडे भाग को आसानी से तापीय रूप से विद्युत रोधित कर सकता है और गैस के वृहद भाग को विस्थापित कर सकता है. इसमें विस्थापक और सिलेंडर दीवार के बीच इतना अंतर जरूर होना चाहिए कि आसानी से विस्थापन वाले भाग के आस-पास गैस को प्रवाह करने की स्वीकृति मिल सके.

अल्फा स्टर्लिंग[संपादित करें]

एक अल्फा स्टर्लिंग में भिन्न सिलेंडरों में दो पॉवर पिस्टन शामिल होते हैं, जिसमें एक गर्म और एक ठंडा होता है. गर्म सिलेंडर उच्च तापमान के हीट एक्सचेंजर के अंदर होता है और ठंडा सिलेंडर न्यून तापमान हीट एक्सचेंजर के अंदर स्थित होता है. इस प्रकार के इंजन में एक उच्च पॉवर-टू-वोल्यूम अनुपात होता है लेकिन आमतौर पर गर्म पिस्टन के उच्च तापमान और इसके सील की टिकाऊपन की वज़ह से इसमें तकनीकी समास्याएं होती हैं.[15] व्यावहारिक तौर पर, कुछ अतिरिक्त मृत स्थान की कीमत पर गर्म क्षेत्र से सील को हटाने के लिए आमतौर पर पिस्टन एक बड़े इन्सुलेट का वहन करता है.

एक अल्फा प्रकार के स्टर्लिंग इंजन की प्रक्रिया[संपादित करें]

निम्नलिखित चित्र संपीड़न और विस्तारित स्थान में आंतरिक हीट एक्सचेंजर को प्रदर्शित नहीं करते, जो बिजली उत्पादन के लिए आवश्यक हैं. दोनों सिलेंडरो को जोड़ने वाले पाइप में एक पुनर्योजी को स्थापित किया जाएगा. क्रैंकशाफ्ट को भी छोड़ दिया गया है.

Alpha Stirling frame 12.svg
1. अधिकांश कार्यरत गैस, गर्म सिलेंडर की दीवार के साथ संपर्क में होती है, इसके गर्म और विस्तारित होने से यह सिलेंडर में नीचे की यात्रा के दौरान ठंडे पिस्टन पर दबाव बनाती है. ठंडे सिलेंडर में इसका विस्तारण जारी रहता है, जो कि अपने चक्र में गर्म पिस्टन से 90° पीछे होता है, जो गर्म गैस से अधिक काम निकलवाता है.
Alpha Stirling frame 16.svg
2. अब गैस अपनी अधिकतम मात्रा में है. गर्म सिलेंडर, अधिकांश गैस को ठंडे पिस्टन में भेजने के लिए तैयार होती है, जहां यह ठंडी होती है और उसके बाद दबाव कम हो जाता है.
Alpha Stirling frame 4.svg
3. लगभग सम्पूर्ण गैस अब सिलेंडर में है और शीतलन जारी है. फ्लाइव्हील संवेग से चालित ठंडा पिस्टन (या उसी शाफ्ट में अन्य पिस्टन जोड़ा) गैस के शेष भाग को सम्पीड़ित करता है.
Alpha Stirling frame 8.svg
4. गैस अपने न्यूनतम मात्रा पर पहुंचती है, और अब यह गर्म सिलेंडर में विस्तारित होगी जहां यह एक बार फिर गर्म होगी, और गर्म पिस्टन को इसके पॉवर स्ट्रोक में प्रेरित करेगी.
Alpha Stirling.gif
पूर्ण अल्फा प्रकार का स्टर्लिंग चक्र

बीटा स्टर्लिंग[संपादित करें]

बीटा स्टर्लिंग में एक एकल पॉवर पिस्टन होता है जो कि उसी शाफ्ट पर उसी सिलेंडर के भीतर एक विस्थापक पिस्टन के रूप में स्थित होता है. विस्थापक पिस्टन ढीला फिट होता है और विस्तारित गैस से कोई ऊर्जा ग्रहण नहीं करता लेकिन केवल गर्म हीट एक्सचेंजर से ठंडे हीट एक्सचेंजर में कार्यरत गैस को ले जाता है. जब कार्यरत गैस को सिलेंडर के गर्म वाले भाग में ढकेला जाता है तब इसका विस्तारण होता है और पॉवर पिस्टन को ढकेलता है. जब इसे सिलंडर के ठंडे भाग की तरफ ढकेला जाता है यह मशीन का अनुबंध और आवेग होता है, जो आमतौर पर फ्लाईव्हील द्वारा बढ़ता है, और गैस को सम्पीड़ित करने के लिए पॉवर पिस्टन को दूसरी तरफ से ढकेलता है. अल्फा प्रकार के विपरीत, बीटा प्रकार, ताप स्थापन सील की तकनीकी समस्याओं से बचता है.[16]

बीटा प्रकार के स्टर्लिंग इंजन की प्रक्रिया[संपादित करें]

फिर, निम्नलिखित चित्र आंतरिक हीट एक्सचेंजर्स या एक पुनर्योजी को नहीं दर्शाते, जिसे विस्थापक के आसपास गैस के रास्ते में रखा जाएगा.

Beta Stirling frame 12.png
1. पावर पिस्टन (गहरा भूरा) गैस को सम्पीड़ित करता है, विस्थापक पिस्टन (हल्का भूरा) चलता है ताकि अधिकांश गैस, गर्म ताप एक्सचेंजर के समीप होती है.
Beta Stirling frame 16.png
2. गर्म गैस, दबाव को बढ़ाती है और पॉवर पिस्टन को पॉवर स्ट्रोक के दूरतम सीमा में ढकेलती है.
Beta Stirling frame 4.png
3. विस्थापक पिस्टन अब स्थानांतरित होती है, और गैस को सिलेंडर के ठंडे वाले भाग से शंटिंग करती है.
Beta Stirling frame 8.png
4. ठंडी गैस अब फ्लाइव्हील आवेग द्वारा सम्पीड़ित होती है. इसमें काफी कम ऊर्जा की खपत होती है और जब यह ठंडा हो जाती है दबाव कम हो जाता है.
Stirling Animation.gif
पूर्ण बीटा प्रकार का स्टर्लिंग चक्र

गामा स्टर्लिंग[संपादित करें]

एक गामा स्टर्लिंग सरल रूप से एक बीटा स्टर्लिंग है जिसमें पॉवर पिस्टन, विस्थापन पिस्टन सिलेंडर के बगल में एक भिन्न सिलेंडर में आरूढ़ होता है, लेकिन फिर भी वह उसी फ्लाइव्हील से जुड़ा होता है. दोनों सिलेंडरों के गैस उनके बीच मुक्त रूप से प्रवाहित हो सकते हैं और एक एकल शरीर बनाते हैं. यह विन्यास एक न्यून सम्पीड़ित अनुपात का निर्माण करता है लेकिन यह यंत्रवत् सरल होता है और बहु सिलेंडरों वाले स्टर्लिंग इंजनों में अक्सर इसका इस्तेमाल किया जाता है.

अन्य प्रकार[संपादित करें]

अन्य स्टर्लिंग विन्यासों का इंजीनियरों और आविष्कारों को प्रभावित करना जारी है. टोम पीट ने एक विन्यास की कल्पना की जिसे वे "डेल्टा" प्रकार कहना पसंद करते हैं, यद्यपि इस पदनाम को व्यापक रूप से मान्यता प्राप्त नहीं है, इसमें एक विस्थापक और दो पॉवर पिस्टन हैं जिसमें एक गर्म और दूसरा ठंडा है.[17]

एक रोटरी स्टर्लिंग इंजन भी है जो स्टर्लिंग चक्र से सीधे टोर्क में ऊर्जा को रूपांतरित करता है, जो कि रोटरी दहन इंजन के बराबर होता है. कोई व्यावहारिक इंजन का अभी तक निर्माण नहीं किया गया है लेकिन अनेक अवधारणाओं, मॉडल और पेटेंट का निर्माण होता रहा है, जैसे क्वासीटर्बाइन इंजन.[18]

एक अन्य विकल्प है फ्लूडाइन इंजन (फ्लूडाइन हीट पंप , जिसमें स्टर्लिंग चक्र लागू करने के लिए हाइड्रोलिक पिस्टन का उपयोग किया जाता है. फ्लूडाइन इंजन द्वारा उत्पन्न क्रिया, तरल को पम्प करने में खर्च होती है. इसके सरलतम रूप में, इंजन में शामिल होता है एक कार्यरत गैस, एक द्रव और दो नॉन-रिटर्न वाल्व.

रिंगबोम इंजन अवधारणा को 1907 में प्रकाशित किया गया, जिसमें कोई रोटरी यंत्र या विस्थापक के लिए लिंकेज नहीं था. इसके बजाए यह एक क्षुद्र सहायक पिस्टन द्वारा चालित है, जो आमतौर पर अवरोध द्वारा सीमित चाल के साथ मोटी विस्थापक रॉड होती है.[19]

रॉस योक के साथ दो सिलेंडर स्टर्लिंग , एक दो सिलेंडर वाला स्टर्लिंग इंजन है (90° पर अवस्थित नहीं है, बल्कि 0° डिग्री पर है) जो विशेष योक से जुड़ा हुआ है. इंजन का विन्यास/योक व्यवस्था का आविष्कार एंडी रोस द्वारा किया गया था.[20]

फ्री पिस्टन स्टर्लिंग इंजन[संपादित करें]

विभिन्न मुक्त-पिस्टन स्टर्लिंग विन्यास ... एफ "मुक्त सिलेंडर" जी फ्लूडाइन, एच. "डबल-एक्टिंग" स्टर्लिंग (आमतौर पर 4 सिलेंडर)

"फ्री पिस्टन" स्टर्लिंग इंजन में तरल पिस्टन वाले के साथ वे इंजन शामिल हैं जिनमें पिस्टन के रूप में मध्यपट है. "फ्री पिस्टन" उपकरण में, ऊर्जा को एक विद्युतीय रैखिक आवर्तित्र, पम्प या अन्य समाक्षीय उपकरण द्वारा जोड़ा या हटाया जा सकता है. यह लिंकेज की आवश्यकता को दरकिनार कर देता है और गतिशील भाग की संख्या को कम कर देता है. कुछ डिजाइनों में गैर-सम्पर्क गैस बेरिंग या प्लेनर स्प्रिंग्स के माध्यम से काफी सटीक स्प्रिंग के इस्तेमाल के द्वारा घर्षण और रगड़ को लगभग समाप्त कर दिया जाता है.

1960 के दशक के शुरू में, डबल्यू.टी. बेल ने क्रैंक यंत्र को चिकना करने की समस्याओं को दूर करने के क्रम में स्टर्लिंग इंजन के एक फ्री पिस्टन इंजन संस्करण का आविष्कार किया.[21] जबकि स्टर्लिंग इंजन के आधारभूत फ्री पिस्टन इंजन के आविष्कार के लिए आमतौर पर बेल को श्रेय दिया जाता है, उसी प्रकार के इंजनों का स्वतंत्र आविष्कार ई.एच. कूक-यरबोरो और सी. वेस्ट द्वारा हार्वेल लेबोरेटरीज़ ऑफ द UKAERE में किया गया.[22] जी.एम. बेन्सन ने भी महत्वपूर्ण प्रारम्भिक योगदान दिया और कई नवीन फ्री-पिस्टन विन्यास का पेटेंट करवाया.[23]

मुक्त रूप से गतिशील घटकों के प्रयोग वाली स्टर्लिग चक्र मशीन की पहली चर्चा जिसे माना जाता है वह संभवत 1876 का ब्रिटिश पेटेंट डिस्क्लोजर है.[24] इस मशीन को रेफ्रिजरेटर के रूप में अभिकल्पित किया गया (जैसे विपरीत स्टर्लिंग चक्र). फ्री पिस्टन स्टर्लिंग उपकरण का इस्तेमाल कर पहला उपभोक्ता उत्पाद एक पोर्टेबल फ्रीज था, जिसका निर्माण जापान के ट्विनबर्ड कॉरपोरेशन द्वारा किया गया और 2004 में अमेरिका में कोलमैन द्वारा प्रस्तावित किया गया.

तापध्वनिक चक्र[संपादित करें]

तापध्वनिक उपकरण स्टर्लिंग उपकरणों से बहुत अलग होते हैं, हालांकि प्रत्येक कार्यरत गैस अणु विशेष पथ द्वारा एक मूल स्टर्लिंग चक्र का अनुकरण करती है. इन उपकरणों में तापध्वनिक इंजन और तापध्वनिक रेफ्रिजरेटर शामिल है. उच्च-आयामी ध्वनिक खड़ी तरंगे, स्टर्लिंग पॉवर पिस्टन के अनुरूप संपीड़न और प्रसरण उत्पन्न करती हैं, जबकि चरण के बाहर ध्वनिक यात्रा तरंगे, स्टर्लिंग विस्थापक पिस्टन के अनुरूप तापमान प्रवणता के लगे एक विस्थापन को प्रेरित करती हैं. इस प्रकार एक तापध्वनिक उपकरण में आमतौर से विस्थापक नहीं होता, जिस प्रकार से एक बीटा और गामा स्टर्लिंग में पाया जाता है.

इतिहास[संपादित करें]

रॉबर्ट स्टर्लिंग के हवा इंजन डिजाइन के 1816 पेटेंट अनुप्रयोग का दृष्टांत जो बाद में स्टर्लिंग इंजन के रूप में जाना गया.

1816 में स्टर्लिंग इंजन (या स्टर्लिंग का वायु इंजन जैसा कि उस समय ज्ञात था) रोबर्ट स्टर्लिंग द्वारा आविष्कृत और पेटेंटकृत था.[25] इसमें पूर्व में हवा इंजन बनाने के प्रयासों का अनुकरण किया गया लेकिन संभवतः पहली बार व्यवहार में इसे तब लाया गया जब 1818 में स्टर्लिंग द्वारा निर्मित एक इंजन का प्रयोग एक खदान में पानी डालने के लिए किया गया.[26] मूल स्टर्लिंग पेटेंट का मुख्य विषय हीट एक्सचेंजर था जिसे उन्होंने कई अनुप्रयोगों में इसके ईंधन बचत में वृद्धि करने के कारण "इकोनोमाइजर" कहा. यह पेटेंट इसके विशेष बंद-चक्र हवा इंजन डिजाइन में इकोनोमाइजर के कार्य के एक रूप का भी वर्णन करती है[27] जिसमें इस अनुप्रयोग को आमतौर पर अब 'पुनर्योजी' के रूप में जाना जाता है. रोबर्ट स्टर्लिंग और उनके भाई जेम्स द्वारा, जो एक इंजीनियर थे, उत्तरवर्ती विकास किया गया, जिसके परिणामस्वरूप पेटेंट में मूल इंजन के विभिन्न विन्यासों में सुधार हुआ, इसमें प्रेशराइजेशन भी शामिल है, जिसने 1843 तक डुंडी आयरन फाउंडरी में सभी यंत्रों को चलाने के लिए पॉवर आउटपुट में पर्याप्त बढ़ौतरी कर ली थी.[28]

हालांकि यह विवादित है,[29] यह व्यापक रूप से माना जाता है कि ईंधन की बचत के साथ-साथ आविष्कारक, उस समय के भाप इंजन के लिए एक सुरक्षित विकल्प के निर्माण के लिए प्रेरित हुए,[30] जिसका बॉयलर अक्सर विस्फोट कर जाता था और जिसके कारण कई प्रकार की चोटे आती थीं और घातक परिणाम होते थे.[31][32] काफी उच्च तापमान पर ऊर्जा और दक्षता को अधिकतम करने के लिए स्टर्लिंग इंजन को चलाने की आवश्यकता होती थी जो उस वक्त की उपलब्ध सामग्री की सीमाओं को उजागर करता था और कुछ इंजन जिनका निर्माण उन प्रारम्भिक वर्षों में किया गया, उन्होंने लगातार विफलताओं का सामना किया (हालांकि वह एक बॉयलर के विस्फोट के विनाशकारी परिणामों की तुलना में काफी कम था[33]) - उदाहरण के लिए, चार वर्षो में तीन गर्म सिलेंडर की विफलता के बाद डुंडी फाउंडरी इंजन को भाप इंजन के साथ बदला गया था.[34]

उन्नीसवीं सदी का उत्तरार्ध[संपादित करें]

राइडर-एरिकसन इंजन कम्पनी द्वारा उन्नीसवीं शताब्दी के अंत में/ प्रारम्भिक बीसवीं सदी में एक ठेठ वाटर पंपिग इंजन

डंडी फाउंड्री इंजन की विफलता के बाद स्टर्लिंग भाइयों के हवा इंजन के साथ अतिरिक्त विकास में उनकी भागीदारी का फिर कोई रिकॉर्ड नहीं मिलता है और स्टर्लिंग इंजन एक औद्योगिक पैमाने पर शक्ति स्त्रोत के रूप में फिर कभी भाप के साथ प्रतिस्पर्धी नहीं हुआ (भाप बॉयलर सुरक्षित बनते जा रहे थे[35] और भाप इंजन अधिक कुशल, इस प्रकार प्रतिद्वंदी मुख्य चालकों के लिए न्यून लक्ष्य प्रस्तुत कर रहे थे). हालांकि, स्टर्लिंग/गर्म वायु प्रकार के लगभग 1860 लघु इंजनों का निर्माण पर्याप्त मात्रा में किया गया और जहां भी न्यून से मध्यम ऊर्जा के विश्वसनीय स्रोत की आवश्यकता थी, उन अनुप्रयोगों की खोज की गई, जैसे पानी को बढ़ाना या चर्च अंगों को हवा प्रदान करना.[36] आम तौर पर इन्हें कम तापमान पर संचालित किया जाता था ताकी उपलब्ध सामग्री पर दबाव न पड़े, इसलिए वे अपेक्षाकृत अक्षम थे. लेकिन उनका सकारात्मक पक्ष यह था कि, भाप इंजन के विपरीत, वे आग को प्रबंधित करने में सक्षम किसी भी व्यक्ति द्वारा सुरक्षित रूप से संचालित किया जा सकता था.[37] सदी के अंत के बाद भी कई प्रकार के इंजनो का उत्पादन जारी रहा, लेकिन कुछ मामूली यांत्रिक सुधार के अलावा, स्टर्लिंग इंजन की डिजाइन इस अवधि के दौरान स्थिर रही.[38]

बीसवीं सदी का पुनरुद्धार[संपादित करें]

बीसवीं शताब्दी के प्रारम्भ के दौरान एक "घरेलू मोटर"[39] के रूप में स्टर्लिंग इंजन की भूमिका को धीरे-धीरे विद्युत मोटर और छोटे आंतरिक दहन इंजन ने ले लिया. 1930 के दशक के अंत में बड़े पैमाने पर इसे विस्मृत कर दिया गया था, केवल खिलौने और छोटे वायु संचार पंखों के लिए उत्पादन किया गया.[40] इस समय में फिलिप्स उन क्षेत्रों में अपने रेडियो की बिक्री में विस्तार करने की कोशिश करने लगा जहां बिजली उपलब्ध नहीं थी और बैटरी की सप्लाई अनिश्चित थी. फिलिप्स प्रबंधन ने फैसला किया कि न्यून शक्ति वाला जेनरेटर इस प्रकार की बिक्री को सरल बना देगा और इंडहोवन में कम्पनी के अनुसंधान प्रयोगशाला में इंजीनियरों के एक समूह को यह कार्य सौंपा गया.

विभिन्न मुख्य चालकों की व्यवस्थित तुलना के बाद स्टर्लिंग इंजन के खामोश संचालन (श्रवणीयता और रेडियो हस्तक्षेप दोनों के क्रम में) और कई ताप स्त्रोतों में चलाने की क्षमता (साधारण लैंप तेल - "सस्ता और सभी जगहों में उपलब्धता" - को अनुगृहीत किया गया), के लिए टीम ने स्टर्लिंग को चुना.[41] वे भी जानते थे कि, भाप इंजन और आंतरिक दहन इंजन के विपरीत, वस्तुतः स्टर्लिंग इंजन में कई वर्षों से कोई गंभीर विकास का कार्य नहीं किया गया और कहा कि आधुनिक सामग्री और जानकारी को अधिक सुधार में सक्षम होना चाहिए.[42]

1951 की फिलिप्स MP1002CA स्टर्लिंग जनरेटर

अपने पहले प्रयोगात्मक इंजन द्वारा प्रोत्साहित होकर, जो 30mm × 25mm[43] बोर और स्ट्रोक से 16 W शाफ्ट ऊर्जा का उत्पादन करती थी, फिलिप्स ने विकास कार्यक्रम की शुरूआत की. इस कार्य को द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान जारी रखा गया और 1940 के दशक के अंत में फिलिप्स के सहायक जोहन डी विट डोरड्रेच्ट को टाइप 10 का "उत्पादन" और जेनेरेटर सेट में शामिल करने के लिए दिया गया. परिणामस्वरूप, एक बोर और 55 mm x 27 mm के स्ट्रोक को 200 W के दर्जे पर MP1002CA नाम दिया गया ("बंगलो सेट" के रूप में जाना जाता है). 250 के एक प्रारंभिक बैच का उत्पादन 1951 में शुरू किया गया, लेकिन यह स्पष्ट हो गया कि वे एक प्रतिस्पर्धी मूल्य पर नहीं जा सकते और अंत्यंत कम ऊर्जा की आवश्यकताओं के साथ ट्रांजिस्टर रेडियो के आगमन का अर्थ था सेट के लिए मूल तर्क का गायब होना. अंततः लगभग इसके 150 सेटों का उत्पादन किया गया.[44] कुछ को दुनिया भर के विश्वविद्यालयों और कॉलेज के इंजीनियरिंग विभागों में जगह मिली[45] जिससे स्टर्लिंग इंजन की बहुमूल्य जानकारी छात्रों को मिलने लगी.

विविध अनुप्रयोगों के लिए फिलिप्स प्रायोगिक स्टर्लिंग इंजनो के विकास कार्य में जुट गया और 1970 के दशक तक अपने इस कार्य को जारी रखा, लेकिन उसे केवल प्रतिलोम स्टर्लिंग इंजन क्रायोकूलर में व्यावसायिक सफलता मिली. हालांकि उनके पास पेटेंट की एक बड़ी संख्या थी और जानकारी का खजाना था जिसका लाइसेंस उन्होंने अन्य कंपनियों को दिया और जिसने आधुनिक युग में अधिकांश विकास कार्यों को आधार प्रदान किया.[46]

सदी के अंत में, कई कंपनियों ने मध्यम-शक्ति इंजन के अनुसंधान प्रोटोटाइप का विकास किया और कुछ मामलों में छोटे निर्माण श्रृंखला को विकसित किया. बाजार को कभी भी एक बड़े पैमाने पर हासिल नहीं कर पाया गया क्योंकि इकाई लागत काफी अधिक थी और कुछ तकनीकी समस्याएं अनसुलझी बनी रही. अब इक्कीसवीं सदी में, कुछ व्यावसायिक सफलता दिखाई देने लगी है, विशेष रूप से संयुक्त ताप और ऊर्जा इकाई में.

कम शक्ति इंजन के क्षेत्र में, कई योजनाएं, किट और पूर्ण निर्मित इंजन व्यावसायिक तौर पर उपलब्ध हैं. पारंपरिक छोटे मॉडल और कुछ वास्तविक उपयोग के लिए कुछ बड़े मशीनों के अलावा 1980 के दशक में एक नए रूप को पेश किया गया: निम्न तापमान फ्लैट प्लेट प्रकार.

सिद्धांत[संपादित करें]

एक आदर्श स्टर्लिंग चक्र का एक दबाव / वोल्यूम मात्रा ग्राफ

आदर्श स्टर्लिंग चक्र में, चार तापीय प्रक्रिया शामिल है जो कार्यरत द्रव पर कार्य करती है:

  1. समतापी फैलाव. फैलाव का क्षेत्र एवं संबद्ध उष्मीय केन्द्र को नियत अधिकतम तापमान पर बनाये रखा जाता है, और गैस गरम साधन से उष्णता ग्रहण कर समतापी फैलाव के समीप पहुंच जाती है.
  2. स्थिर-राशि (जिसे आइसोवोलुमेट्रिक तथा आइसोहोरीक भी कहा जाता है) ताप-निवारक. गैस, रीजेनरेटर से होकर गुजरती है, जहां वह ठंडी होती है तथा ताप के जेनरेटर में अगली प्रक्रिया के लिए स्थान्तरण होता है.
  3. समतापी संपीड़न. संपीड़क के स्थान एवं संबद्ध उष्मीय केन्द्र को लगातार एक न्यूनतम तापमान में रखा जाता है ताकि गैस शीतल हौज़ में स्थानांतरित होकर समतापी फैलाव के समीप पहुंचे.
  4. नियत परिमाण (जिसे आइसोवोलुमेट्रिक तथा आइसोहोरीक भी कहा जाता है). गैस पुनः रिजेनरेटर से होकर गुजरती है जहां 2 में स्थानांतरित गर्मी को फैलाव के स्थान में पहुंचने के दौरान दुबारा पाती है.

सैद्धांतिक उष्मीय उपयोगिता, परिकल्पित कार्नोट चक्र के सामान हो जाती है, मसलन किसी भी उष्मीय कुशलता इंजन द्वारा अधिकतम उपयोगिता प्राप्त करना. हालांकि पाठ्य-पुस्तक के सामान्य नियमों का वर्णन करने में यह महत्वपूर्ण है परन्तु एक वास्तविक स्टर्लिंग इंजन के अंदर क्या हो रहा है, यह एक लंबी प्रक्रिया है तथा विश्लेषण के लिए इसे आधार नहीं मान लिया जाना चाहिए. सच तो यह है कि इस बात पर बहस हो चुकी है कि उष्णता सम्बन्धी इंजनियरिंग की पुस्तकों में इस सिद्धांत के अव्यवस्थित प्रयोग ने सामान्य रूप से स्टर्लिंग इंजन पर अध्ययन को हानि पहुंचाई है.[47][48]

अन्य वास्तविक-भौतिक मुद्दे भी वास्तविक इंजनों की उपयोगिता को संवहनीय ऊष्मा स्थानान्तरण एवं चिपचिपे बहाव(घर्षण) की वजह से कम कर देते हैं. वहीं व्यावहारिक यांत्रिकी कारण भी हैं, उदहारण के लिए सामान्य शुद्ध गति विज्ञान की कड़ी को जटिल यांत्रिकी की जगह पर महत्ता दी जा सकती है ताकि आदर्श क्रिया को बढ़ाया जा सके एवं उपलब्ध पदार्थो से उपजने वाली सीमाओं को कम किया जा सके जैसे क्रियान्वित गैस का अनादर्श गुण-स्वभाव, उष्मीय चालाकता, तनन की शक्ति, विसर्पण, फाड़ने की शक्ति, और पिघलाव का बिंदु.

संचालन[संपादित करें]

चूंकि स्टर्लिंग इंजन एक बंद प्रक्रिया है, इसमें गैस का थक्का होता है जिसे "क्रियाशील तरल पदार्थ" कहा जाता है, साधारणतः जिसमें हवा, हाइड्रोजन एवं हीलियम होती है. साधारण संचालन में इंजन सील होते हैं और गैस अंदर नहीं जाती है या इंजन को छोड़ती नहीं. दूसरे पिस्टन इंजनों कि तरह वाल्वों की आवश्यकता यहां नहीं पड़ती. स्टर्लिंग इंजन, अधिकतर उष्मीय इंजनों की तरह चार प्रक्रियाओं: शीतलन, संकुचन, तापन, एवं प्रसरण क्रिया से गुजरता है. यह कार्य गैस को गर्म और ठन्डे हीट एक्सचेंजर के बीच आगे और पीछे स्थानांतरित करने से होता है, जिसके लिए अक्सर तापक और शीतलक के बीच रीजनरेटर होता है. गरम उष्णीय यंत्र बाह्य गर्मी के साधन जैसे ईंधन ज्वालक द्वारा थर्मल के संपर्क में रहता है एवं शीतल उष्णीय यंत्र बाह्य गर्मी के हौज़ जैसे हवा के पंखे के द्वारा थर्मल के संपर्क में रहता है. गैस के तापमान में बदलाव अनुकूलित गैस के दबाव को भी बदलेगा जबकि पिस्टन की चाल गैस के वैकल्पिक रूप से फैलाव और दबाव का करण बनती है.

गैस, गैस के सिद्धांत के व्यवहार का पालन करता है जिसमें यह बताया गया है कि कैसे गैसीय दबाव, तापमान और आयतन से सम्बंधित हैं. जब गैस को गरम किया जाता है, तो चूंकि वह एक बंद कक्ष में होती है, दबाव बढ़ता जाता है जो फिर पॉवर पिस्टन को पॉवर स्ट्रोक उत्पन्न करने के लिए प्रेरित करता है. जब गैस ठंडा होता है और दबाव कम होता है तब इसके माने होते हैं कि पिस्टन द्वारा गैस को वापसी के चोट के दौरान कम कार्य करना होगा, नतीजतन शुद्ध ऊर्जा का उत्पादन प्राप्त होता है.

जब पिस्टन का एक कोना वातावरण के लिए खुला रहता है तब प्रक्रिया थोड़ी भिन्न रहती है. क्योंकि क्रियाशील गैस का बंद आयतन गरम हिस्से के संपर्क में आता है, वह फैलता है तथा पिस्टन और वातावरण दोनों पर क्रियाशील होता है. जब क्रियाशील गैस ठन्डे हिस्से के संपर्क में आता है, तो इसका दबाव वातावरणीय दबाव से भी नीचे गिर जाता है और वातावरण पिस्टन को धकेलता है जो कि गैस पर काम करता है.

संक्षेप में स्टर्लिंग इंजन गरम हिस्से और ठन्डे हिस्से के तापमान के अंतर का इस्तेमाल नियत गैस के थक्के के गरम होने और फैलने, ठन्डे होने और दबने कि प्रक्रिया को स्थापित करने के लिए करता है, नतीजतन तापीय उर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में बदला जाता है. गर्म और ठन्डे स्रोत के बीच तापमान भिन्नता जितनी ज्यादा होती है, तापीय कुशलता उतनी ही अधिक होती है. परिकल्पित उपयोगिता कैर्नोट क्रिया के बराबर है परन्तु वास्तविक इंजनों की उपयोगिता घर्षण और नुक्सान के कारण इस मान से कम होता है.

बहुत कम उर्जा के उपयोग वाले इंजनों को बनाया गया है जो कि कम से कम 0.5 K. के तापमान के अंतर पर भी चल सकता है.[49]

दबाव[संपादित करें]

अक्सर अधिक उर्जा वाले स्टर्लिंग इंजनों के क्रियाशील तरल पदार्थ के न्यूनतम दबाव एवं और औसत दबाव दोनों वातावरण के दबाव से अधिक होते हैं. आरंभिक इंजन के दबाव को एक पम्प द्वारा संपादित किया जा सकता है अथवा एक संपीड़ित गैस टैंक से इंजन को भर कर, या केवल इंजन को उस वक्त सील करके जब औसत तापमान, औसत कार्यान्वयन तापमान से कम होता है. ये सभी तरीके उष्णता सम्बन्धी क्रिया में क्रियाशील तरल पदार्थ के थक्के को बढ़ा देते है. सभी उष्मीय यंत्रों को एक उचित तरीके से आकार में होना चाहिए ताकि आवश्यक दर से गर्मी का स्थानान्तरण होता रहे. अगर उष्मीय यंत्र अच्छी तरह से अभिकल्पित किया गया हो और संवहनीय ताप अंतरण के लिए आवश्यक ताप प्रवाह को प्रदान कर सकता है तो इंजन प्रथम सन्निकटन में औसत दबाव के अनुपात में ऊर्जा उत्पन्न करने में सक्षम होगा, जिसका पूर्वानुमान वेस्ट संख्या, और बिअल संख्या में किया गया है. अभ्यास में, अधिकतम दबाव, पात्र के सुरक्षित दबाव तक सिमित होता है. स्टर्लिंग इंजन के बनावट के अन्य आयामों के सामान, इष्टतमकरण बहुविविध होता है, और इसमें अधिकतर परस्पर-विरोधी आवश्यकताएं होती हैं.

चिकनाई और घर्षण[संपादित करें]

संयुक्त ताप और ऊर्जा अनुप्रयोगों के लिए एक आधुनिक स्टर्लिंग इंजन और 55 kW विद्युत आउटपुट के साथ सेट जेनरेटर

उच्च तापमान और दबाव में, वायुदाबीय घुमावदार पात्रों में ऑक्सीजन, या गरम हवा इंजनों में क्रियाशील गैस, इंजन के चिकने तेल से मिलकर विस्फोट कर सकती है. कम से कम एक व्यक्ति इस विस्फोट के कारण मरा है.[50]

चिकनाई, उष्मीय यंत्रों खासकर रीजेनरेटर में जम भी सकते हैं. इन कारणों की वजह से ही निर्माता गैर-चिकनाई एवं सस्ते घर्षण की वस्तुओं को पसंद करते हैं (जैसे कि रुलों और ग्रेफाईट) जो कि पुर्जों के स्थानातरण में सामान्य बल का प्रयोग करते हैं, विशेषकर सीलों के फिसलने में. कुछ डिजाइन ऐसे होते हैं जो सील किये हुए पिस्टनों के लिए फिसलन को पूर्ण रूप से रोकने के लिए झिल्ली का इस्तेमाल करते हैं. ये कुछ कारण हैं जिसकी वजह से स्टर्लिंग इंजन के रख-रखाव की कम आवश्यकता पड़ती है तथा अंतर-दहन वाले इंजनों से ज्यादा लंबी आयु होती है.

विश्लेषण[संपादित करें]

अंतर-दहन वाले इंजनों के साथ तुलना[संपादित करें]

अंतर-दहन वाले इंजनों के विपरीत स्टर्लिंग इंजन में नवीनीकरण ताप स्रोत को आसानी से इस्तेमाल करने, अधिक आवाज नहीं करने, और कम लागत के कारण ज्यादा भरोसेमंद होने की क्षमता होती है. इन्हें उन अनुप्रयोगों में ज्यादा पसंद किया जाता है, जहां इन विशेष लाभ का सम्मान होता है, विशेष रूप से उत्पन्न उर्जा की प्रति इकाई की लागत($/kWh) प्रति इकाई पूंजी ($/kW) से ज्यादा महत्वपूर्ण होती है. इस आधार पर स्टर्लिंग इंजन 100 kW. तक प्रतिस्पर्धात्मक होता है.[51]

एक ही विद्युत शक्ति की समानता लिए हुए अंतर-दहन इंजन की तुलना में, स्टर्लिंग इंजन चालू समय में ऊंची पूंजी लागत लिए हुए है और ज्यादातर बड़े और भारी होते हैं. फिर भी वे अधिकतर अंतर-दहन वाले इंजनों से ज्यादा कुशल होते हैं.[52] उनके कम रख-रखाव की लागत के कारण उर्जा के समस्त लागत से समानता की जा सकती है. थर्मल उपयोगिता की भी समानता (छोटे इंजनों के लिए) की जा सकती है , जो कि 15% से 30% में श्रेणीबद्ध है.[51] अनुप्रयोग जैसे micro-CHP में, अंतर-दहन की अपेक्षा स्टर्लिंग इंजन को ज्यादा पसंद किया जाता है. दूसरे उदाहरण जल पम्प, अंतरिक्षयानिकी, और बिजली का निर्माण है जो उन प्रचुर उर्जा के संसाधन जैसे सौर्य उर्जा एवं जैव ईंधन जैसे कि कृषि अपशिष्ट, और अन्य अपशिष्ट जैसे पालतू जानवरों का मल आदि का इस्तेमाल करते हैं जो अंतर-दहन के इंजन के साथ काम नहीं कर पाते. स्टर्लिंग का इस्तेमाल स्वीडन के गोटलैंड क्लास पनडुब्बियों में भी किया गया है.[53] फिर भी प्रति इकाई उर्जा की अधिक लागत, कम उर्जा घनत्व के कारण और पुर्जों के महंगे दामों की वजह से स्टर्लिंग इंजन मोटर-गाड़ी के इंजन के मुकाबले मूल्य-प्रतिस्पर्द्धात्मक नहीं है.

बुनियादी विश्लेषण, क्लोस्ड-फॉर्म श्मिट विश्लेषण पर आधारित है.[54][55]

लाभ[संपादित करें]

  • केवल दहन द्वारा उत्पादित ताप पर ही नहीं बल्कि स्टर्लिंग इंजन को सीधे या किसी भी उपलब्ध गर्मी स्रोत पर चलाया जा सकता है, इसलिए उन्हें सौर, भूगर्भीय, जैविक, परमाणु स्रोतों के ताप या औद्योगिक प्रक्रियाओं के अपशिष्ट ताप से चलाया जा सकता है.
  • एक सतत दहन प्रक्रिया का इस्तेमाल ताप आपूर्ति के लिए किया जा सकता है, ताकि सभी प्रकार के उत्सर्जन को कम किया जा सकता है.
  • अधिकांश प्रकार के स्टर्लिंग इंजन के ठंडे वाले भाग में बेरिंग और सील होते हैं, और उसमें कम लुबरीकेंट की आवश्यकता होती है और दूसरे प्रत्यागामी इंजन प्रकारों से अधिक टिकाऊ होते हैं.
  • अन्य प्रत्यागामी इंजन प्रकारों की तुलना में इसका इंजन तंत्र काफी सरल होता है. वाल्वों की आवश्यकता नहीं हैं, और बर्नर प्रणाली अपेक्षाकृत आसान हो सकता है. अपरिष्कृत स्टर्लिंग इंजन का निर्माण आम घरेलू सामग्रियों का उपयोग करके किया जा सकता है.[56]
  • स्टर्लिंग इंजन एक एकल-चरण तरल पदार्थ का इस्तेमाल करता है जो डिजाइन दबाव के करीब आंतरिक दबाव को बनाए रखती है और इसलिए ठीक से डिजाइन किए गए प्रणाली के लिए विस्फोट का जोखिम कम होता है. इसकी तुलना में, एक भाप इंजन तरल/द्रव के दो चरण का उपयोग करता है, इसलिए एक दोषपूर्ण वाल्व एक विस्फोट का कारण हो सकता है.
  • कुछ मामलों में, न्यून ऑपरेटिंग दबाव हल्के सिलेंडरों के उपयोग की अनुमति देता है.
  • पनडुब्बी में वायु-स्वतंत्र प्राणोदन इस्तेमाल के लिए उनका निर्माण इस प्रकार किया जा सकता है कि वे बिना आवाज के और हवा की आपूर्ति के चल सके.
  • वे आसानी से शुरू हो जाते हैं (हालांकि धीरे से, वार्मअप के बाद) और ठंडे मौसम में और अधिक कुशलतापूर्वक चलते हैं, आंतरिक दहन के विपरीत जो गर्म मौसम में तो जल्दी शुरू हो जाते हैं लेकिन ठंडे मौसम में नहीं.
  • जल को पंप करने के लिए इस्तेमाल एक स्टर्लिंग इंजन को ऐसे विन्यसित किया जा सकता है कि पानी सम्पीड़न स्थान को ठंडा कर सके. ठंडे पानी को पंप करते समय ये सबसे प्रभावी होते है.
  • वे बहुत लचीले होते है. पानी में इनका इस्तेमाल CHP के रूप में (संयुक्त ताप और ऊर्जा) और गर्मी में कूलर के रूप में भी किया जा सकता है.
  • अपशिष्ट ताप को आसानी से दोहन किया जा सकता है (आंतरिक दहन इंजन से अपशिष्ट ताप के मुकाबले), जो कि स्टर्लिंग इंजन को दोहरे-आउटपुट ताप और ऊर्जा प्रणाली के लिए उपयोगी बनाता है.

नुकसान[संपादित करें]

आकार और लागत मुद्दे[संपादित करें]
  • स्टर्लिंग इंजनों को ताप इनपुट और ताप आउटपुट के लिए हीट एक्सचेंजर की आवश्यकता पड़ती है और इनमें क्रियाशील तरल पदार्थ का दबाव जरूरी होता है, जहां की दबाव इंजन के बाह्य निगातन के अनुपात में होता है. साथ ही साथ उष्मीय संयंत्र का फैलने वाला हिस्सा बहुत ऊंचे तापमान पर होता है, ऐसे में वस्तुओं में गर्मी के मूल को सहने के लिए ज्यादा शक्ति की आवश्यकता होती है ताकि न्यून विसर्पण (विकृति) पैदा न हो. तय है कि इन वस्तुओं की आवश्यकता इंजन के दामों को बढ़ा देती है. उच्च उष्मीय संयंत्र की सामग्री और उसके निर्माण, कुल इंजन की लागत का 40% होता है.[50]
  • उष्णता सम्बन्धी इस प्रक्रिया की उपयोगिता के लिए तापमान में भारी अंतर होना जरूरी है. एक बाह्य-दहन के इंजन में हीटर का तापमान फैलाव के तापमान के बराबर या बढ़कर होता है. इसका मतलब यह हुआ कि हीटर की वस्तुओं के लिए धातु की बहुत मांग होती है. यह गैस टरबाईन के समान ही है, परन्तु ओटो इंजन एवं डीजल इंजन से भिन्न, जहां पर फैलाव का तापमान इंजन के वस्तुओं के धातु की आवश्यकता से कहीं अधिक बढ़ जाता है, क्योंकि इनपुट ताप स्रोत का प्रवर्तन इंजन से नहीं होता, ऐसे में इंजन की सामग्री, क्रियाशील गैस के औसत तापमान के समीप संचालन करती है.
  • अपशिष्ट ताप का अपव्यय विशेषकर इसलिए जटिल हो जाता है क्योंकि शीतलक का तापमान उष्णीय उपयोगिता को अधिक करने के लिए कम से कम रखा जाता है. यह रेडियटर के आकार को बढ़ा देता है ऐसे में पैकेजिंग करना मुश्किल बन पड़ता है. वस्तुओं की लागत के साथ-साथ यह भी एक कारण रहा है जिस कारण मोटर-गाड़ी के मुख्य चालक के रूप में स्टर्लिंग इंजन को अपनाने में बाधा आती है. दूसरे अनुप्रयोग जैसे जहाज के प्रणोदन तथा छोटे अनुनिर्माण व्यवस्था के इस्तेमाल के लिए संयोजित गर्मी और उर्जा (CHP) के लिए अधिक उर्जा घनत्व की आवश्यकता नहीं पड़ती.[57]
शक्ति और टॉर्क के मुद्दे[संपादित करें]
  • स्टर्लिंग इंजन, विशेषकर वे जो कम तापमान के अंतर पर चलते हैं, आम तौर पर काफी बड़े होते हैं (उदारण के लिए वे न्यून विशिष्ट उर्जा का उत्पादन करते हैं). यह मूलतः गर्मी के गैसीय संवहन के साथ सहकारी उपयोगिता के कारण होता है जो गर्मी के अंतर प्रवाह को सीमित कर देता है जिसे विशिष्ट रूप से ठन्डे उष्णीय संयंत्र में लगभग 500 W/(m2•K) पर तथा गरम उष्णीय संयंत्र में 500–5000 W/(m2•K) पर पाया जा सकता है.[58] अंतर-दहन वाले इंजनों से समानता करने पर यह निर्माता के लिए काफी मुश्किल होता है कि क्रियाशील गैस से वह अंदर और बाहर गर्मी का स्थानांतरण करे. क्योंकि थर्मल उपयोगिता की वजह से गर्मी का स्थानान्तरण न्यूनतम तापमान के अंतर के बढ़ने से होता है और 1 kW आउटपुट के लिए उष्मीय संयंत्र साधन(और लागत) के दूसरे उर्जा 1/deltaT के साथ बढ़ जाता है . फलतः न्यूनतम अंतर के इंजनों की विनिर्देशित लागत बहुत अधिक होती है . यह मान कर कि उष्मीय संयंत्र को इस तरह बनाया गया है कि वह गर्मी के भार का वहन कर सके तथा आवश्यक गर्मी को अंतर-प्रवाहित करे सके, तापमान के अंतर को बढ़ाने/दबाव डालने से स्टर्लिंग इंजन को अधिक उर्जा के उत्पादन का अवसर प्रदान करता है.
  • स्टर्लिंग इंजन को तुरंत चालू नहीं किया जा सकता, इसे वस्तुतः "गरम होने" की आवश्यकता पड़ती है. यह सभी बाह्य-वहन के इंजनों के लिए सत्य है, परन्तु भाप पर चलने वाले इंजनों की तुलना में स्टर्लिंग इंजनों में गरम होने की प्रक्रिया लंबी भी हो सकती है. स्टर्लिंग इंजन का सबसे उत्तम प्रयोग स्थाई गति के इंजनों में होता है.
  • स्टर्लिंग के उर्जा का आउटपुट स्थाई है तथा इसे अनुकूलित करने के लिए कभी-कभी सतर्क बनावट की और अतिरिक्त प्रक्रियाओं की जरुरत पड़ती है. विशिष्ट रूप में निगतन में बदलाव को इंजन के विस्थापन (ज्यदातर स्वाशप्लेट क्रैंकशाफ्ट की व्यवस्था) को घटा-बढ़ाकर किया जाता है, या फिर क्रियाशील तरल पदार्थ की मात्रा को बदलने, या फिर पिस्टन की प्रक्रिया के कोण को बदलने, या कुछ मामलों में साधारणतः इंजन के भार में फेर-बदल द्वारा किया जाता है. यह मिश्रित विद्युत् प्रणोदन या "आधार भार" में कमोबेश एक दोष ही है जहां पर स्थायी उर्जा के आउटपुट की वास्तव में अधिक आवश्यकता होती है.
गैस विकल्पन के मुद्दे[संपादित करें]

इस्तेमाल की गई गैस में न्यून ताप क्षमता होनी चाहिए, ताकि दिए गए स्थानांतरित गर्मी कि मात्रा अधिकतम दबाव का निर्माण कर सके. इस मुद्दे को ध्यान में रखते हुए अपनी न्यून ताप क्षमता के कारण हीलियम सबसे उत्तम गैस होगी. वायु एक सही क्रियाशील तरल पदार्थ है,[59] किन्तु ऑक्सीजन एक बहुत अधिक दबाव वाले इंजन में काफी घातक हो सकती है जो चिकनाई वाले तेल के द्वारा विस्फोट कर सकती है.[50] ऐसे ही एक दुर्घटना का अध्ययन करते हुए फिलिप्स ने दूसरे गैसों के इस्तेमाल का प्रवर्तन किया ताकि ऐसे विस्फोट के खतरों को रोका जा सके.

  • हाइड्रोजन के कम गाढ़ेपन तथा अधिक तापीय चालकता की वजह से यह एक बहुत शक्तिशाली क्रियाशील गैस बन जाता है. मूल रूप में इसलिए कि अन्य गैसों की तुलना में इंजन तेज चल सकता है किन्तु हाइड्रोजन के अवशोषण की वजह से तथा न्यूनतम आणविक भार से सम्बंधित विसरण खासकर अधिक तापमान में H2 हीटर के ठोस धातु से रिसने लगेगा. कार्बन स्टील से विसरण वास्तविकता से परे की बात है, पर कुछ धातुओं में जैसे कि अल्युमिनियम या स्टेनलेस स्टील से विसरण बहुत हद तक कम होगा. कुछ सिरेमिक भी विसरण को बहुत हद तक कम करते हैं. वायुरुद्ध दबाव वाले वेसेल सील, अलोप गैस के पुनर्स्थापन के बिना इंजन के अन्दर दबाव बनाए रखने के लिए आवश्यक होते हैं. अधिक तापमान के अंतर वाले (HTD) इंजनों में, सहायक व्यवस्था को जोड़ने की जरुरत पड़ सकती है ताकि क्रियाशील तरल पदार्थ के ऊंचे दबाव को बनाये रखा जा सके. यह व्यवस्था गैस को जमा करने वाली बोतल हो सकती है या फिर एक गैस जेनरेटर. हाइड्रोजन का निर्माण जल के विद्युत अपघटन, भाप की कार्बन आधारित लाल गरम ईंधन पर क्रिया, हाइड्रोकार्बन के गैसीकरण, या फिर तेज़ाब का धातु पर हुई प्रतिक्रिया द्वारा हो सकता है. हाइड्रोजन धातुओं को कमजोर भी कर सकता है. हाइड्रोजन एक ज्वलनशील गैस है जिसके इंजन से छूटने पर सुरक्षा को खतरा हो सकता है.
  • ज्यादातर तकनिकी रूप से विकसित स्टर्लिंग इंजन, जैसे जो संयुक्त राज्य अमेरिक की प्रयोगशालाओं के लिए बनाए जाते हैं, हिलियम गैस को क्रियाशील गैस के रूप में इस्तेमाल करते हैं क्योंकि वह हाइड्रोजन की उपयोगिता और शक्ति घनत्व के बहुत समीप ही काम करता है जहां बहुत कम वस्तुओं के नियंत्रण की बात आती है. हीलियम गतिहीन होता है जो कि ज्वलनशीलता वास्तविकता और अनुमानित खतरे को निकाल देता है. हीलियम अपेक्षाकृत महंगा होता है और उसकी पूर्ति बोतल में बंद किये हुए गैस के रूप में ही की जा सकती है. एक प्रयोग ने GPU-3 स्टर्लिंग इंजन में हाईड्रोजन को हीलियम(तुलनात्मक रूप से 24%) की अपेक्षा 5%(पूर्ण) अधिक उपयोगी दर्शाया.[60] शोधार्थी एलन ऑर्गन ने यह सिद्ध किया कि एक सु-निर्मित वायु इंजन परिकल्पित रूप में हीलियम या हाइड्रोजन इंजन के समान उपयोगी है, परन्तु प्रति इकाई आयतन में हीलियम और हाइड्रोजन इंजन बहुद हद तक शक्तिशाली हैं .
  • कुछ इंजन वायु अथवा नाइट्रोजन का इस्तेमाल क्रियाशील तरल पदार्थ के रूप में करते हैं. इन गैसों का बहुत कम उर्जा घनत्व होता है (जो कि इंजन की लागत को बढ़ा देता है) परन्तु इस्तेमाल में वे बहुत सुविधाजनक होते हैं क्योंकि गैस को नियंत्रित तथा पूर्ति करने की समस्या (जो कि इंजन कि लागत को कम करते हैं) को कम कर देते हैं. ज्वलनशील वस्तुओं जैसे चिकनाई के संपर्क में संपीड़ित वायु के प्रयोग से, विस्फोट का खतरा होता है, क्योंकि सम्पीड़ित वायु में एक उच्च आंशिक ऑक्सीजन का दबाव शामिल होता है. फिर भी ऑक्सीजन को अपचयन द्वारा वायु से निकाला जा सकता है या बोतल में बंद किये हुए नाइट्रोजन का इस्तेमाल किया जा सकता है जो की गतिहीन होता है तथा सुरक्षित भी.
  • वायु से हल्की अन्य गैसों में शामिल है मीथेन और अमोनिया.

अनुप्रयोग[संपादित करें]

एक डेस्कटॉप अल्फा स्टर्लिंग इंजन. इस इंजन में कार्यरत द्रव हवा है. गर्म ताप एक्सचेंजर दाईं तरफ का कांच सिलेंडर है, और शीत ताप एक्सचेंजर शीर्ष पर पंखेदार सिलेंडर है.यह इंजन एक छोटे से अल्कोहल बर्नर (नीचे बांए की ओर) का इस्तेमाल एक ताप स्रोत के रूप में उपयोग करता है

तापन और शीतलन[संपादित करें]

अगर यांत्रिक उर्जा के रूप में पूर्ति कि जाये तो स्टर्लिंग इंजन गरम पम्प और ठंडा करने की विपरीत भूमिका में काम कर सकता है. वायु ऊर्जा का इस्तेमाल स्टर्लिंग चक्र हेतु प्रयोग किया जा चुका है जिसका उपयोग हम पम्प को घरेलू ताप और एयर-कंडीशनिंग के लिए किया जाता है. 1930 के दशक के उत्तरार्ध में नीदरलैंड्स के फिलिप्स कार्पोरेशन ने सफलता पूर्वक तुषार-जनित अनुप्रयोगों के लिए स्टर्लिंग क्रिया का प्रयोग किया.[61]

संयोजित ताप और उर्जा[संपादित करें]

विद्युत ग्रिड पर थर्मल उर्जा के केन्द्रों में ईंधन का प्रयोग बिजली के उत्पादन के लिए किया जाता है, हांलाकि भारी मात्रा में अप्रयुक्त ताप का उत्पादन होता है जो बिना किसी उपयोग के रह जाते हैं. दूसरी स्थिति में उच्च-श्रेणी के ईंधन का प्रयोग न्यून तापमान के अनुप्रयोग के लिए किया जाता है. थर्मोडायनामिक्स के दूसरे नियमानुसार एक उष्मीय इंजन इस तापमान के अंतर से उर्जा का निर्माण कर सकता है. एक CHP में उच्च तापमान प्राथमिक ताप, स्टर्लिंग इंजन के हीटर में प्रवेश करता है, फिर इंजन में कुछ उर्जा का बदलाव यांत्रिक उर्जा के रूप में हो जाता है, और शेष शीतलक से गुजर जाता है, जहां पर वह न्यून तापमान में होता है. "अपशिष्ट" ताप इंजन के मुख्य शीतलक से आती है, या संभवतः दूसरे स्रोतों से जैसे कि निकास के बर्नर से, अगर वह उसमें है तो.

एक संयोजित ताप और उर्जा (CHP) की व्यवस्था में, यांत्रिक और विद्युत उर्जा का निर्माण सामान्य प्रकिया के द्वारा ही होता है, हालांकि इंजन द्वारा जो अपशिष्ट गर्मी प्राप्त होती है उसे दूसरे उष्णीय अनुप्रयोग के लिए पूर्ति की जाती है. यह वास्तविक रूप में कुछ भी हो सकता है जो न्यून तापमान की गर्मी का प्रयोग करता है. यह अक्सर पहले से विद्यमान उर्जा का ही इस्तेमाल है, जैसे कि वाणिज्यिक स्थानों का तापन, आवासीय जल तापन या फिर औद्योगिक प्रक्रिया.

इंजन द्वारा निर्मित उर्जा का प्रयोग औद्योगिक और कृषि सम्बन्धी प्रक्रिया को चलाने के लिए किया जा सकता है, जो कि जैव ईंधन के रूप में पुनः अग्राह्य शेष के रूप में प्राप्त होता है, इसका इस्तेमाल इंजन के लिए निःशुल्क ईंधन के रूप में किया जा सकता है, जो कि इस शेष को निकलने के खर्चे को कम कर देता है. यह पूरी प्रक्रिया उपयोगी और फायदेमंद हो सकती है.

डिसेंको, एक ब्रिटेन में स्थापित कंपनी अपने गृह ऊर्जा संयंत्र के विकास की अंतिम प्रक्रिया से गुजर रहा है. बाज़ार में आने वाले अन्य m-CHP उपकरण के विपरीत HPP, 3 kW की विद्युतीय एवं 15 kW उष्मीय ऊर्जा उत्पन्न करता है. जो कि इस उपकरण को घरेलु और SME बाजारों दोनों के लिए अनुकूल बना देता है.

न्यूजीलैंड के एक व्यावसायिक कंपनी व्हिस्परजेन जिसका कार्यालय क्राईस्टचर्च में है, ने ए.सी माईक्रो उष्णता और उर्जा के संयोजन से स्टर्लिंग इंजन का विकास किया है. ये माईक्रो CHP इकाई, केन्द्रीय उष्ण वाष्पित्र में गैस को भरता है और न इस्तेमाल की गई ऊर्जा को फिर से विद्युत ग्रिड में भेज देता है. व्हिस्परजेन ने 2004 में यह घोषित किया कि वे 80,000 इकाइयों का उत्पादन ब्रिटेन के घरेलू बाजार के लिए करेंगे. एक बीस इकाइयों का परीक्षण 2006 में शुरू हुआ.[62]

सौर ऊर्जा उत्पादन[संपादित करें]

परवलय आईने की किरणों को अगर स्टर्लिंग इंजन पर केंद्रित कर दिया जाये तो सौर उर्जा को वह विद्युत में बदल सकता है जो कि गैर-संकेंद्रित चित्रवैद्युत बैटरी से उपयोगी तथा संकेंद्रित चित्र विद्युत के समान होगा. अगस्त 11, 2005, सदर्न कैलिफोर्निया एडिसन ने 30,000 से अधिक सौर ऊर्जा चालित स्टर्लिंग इंजन के प्रयोग से उत्पन्न विद्युत् को खरीदने के लिए स्टर्लिंग एनर्जी सिस्टम्स के साथ करार करने की घोषणा की[63] जो कि बीस साल की समयावधि में होगा जो 850 MW बिजली को पैदा करने के लिए काफी है. ये सिस्टम 8000 एकड़ (19 km2) के सौर खेत में आइनों का निर्देशन सूर्य की किरणों को इंजनों पर सान्द्रित करने के लिए करेंगे जो की जेनरेटर को चलायेंगे. इस फ़ार्म पर निर्माण के 2010 में होने की सम्भावना है[64], हालांकि परियोजना को लेकर विवाद है[65] क्योंकि इस स्थान में रहने वाले जीव-जन्तुओं पर ऐसे पर्यावरण के प्रभाव को लेकर चिंता है.

स्टर्लिंग क्रायोकूलर[संपादित करें]

कोई भी स्टर्लिंग इंजन प्रतिलोम में गर्मी के पम्प के रूप में भी काम करता है; जब गति को शैफ्ट पर प्रयुक्त किया जाता है तब जलाशयों के बीच तापमान का अंतर आता है. स्टर्लिंग क्रायोकूलर के सभी महत्वपूर्ण अवयव स्टर्लिंग इंजन के समरूप ही होते हैं. इंजन और ताप पम्प, दोनों में ही ताप, फैलाव के स्थान से दबाव के स्थान की ओर प्रवाहित होता है, फिर भी निगतन की आवश्यकता थर्मल अनुपात के विपरीत गर्मी को प्रवाहित करने के लिए पड़ती है, विशेषकर तब, जब दबाव का स्थान, फैलाव के स्थान से अधिक गर्म होता है. फैलाव के भाग के बाह्य कोने को थर्मल रोधी कक्ष के अंदर रखा जा सकता है, जैसे कि उष्णीय फ्लास्क. प्रभावस्वरूप गर्मी को इस कक्ष से क्रायोकूलर के क्रियाशील गैस द्वारा दबाव के स्थान में पम्प किया जाता है. दबाव का स्थान आसपास के तापमान से ऊपर होगा ऐसे में गर्मी पर्यावरण में प्रवाहित हो जायेगी.

उनके आधुनिक उपयोगों में से एक क्रायोजेनिक्स में है और एक सीमा तक शीतलक में. आदर्श शीतलक तापमान में, स्टर्लिंग कूलर सामान्य तौर पर मुख्यधारा के रेनकिन कूलरों के मुकाबले लागत को लेकर कम प्रतिस्पर्द्धात्मक होते हैं, क्योंकि ऊर्जा का कम इस्तेमाल करते हैं. फिर भी 40° से −30 °C से कम तापमान में रेनकिन के शीतलक प्रभावी नहीं होते क्योंकि कोई अनुकूल शीतलक इस क्वथनांक के साथ इस न्यूनतम तापमान के लिए उपयुक्त नहीं हैं. स्टर्लिंग क्राईकूलर −200 °C (73 K) तक नीचे की गर्मी को उठा सकते हैं, जो कि वायु (ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, और अर्गोन) को तरल बनाने के लिए काफी हैं. विशेष बनावट के आधार पर ये 40–60 K तक नीचे भी जा सकते हैं. क्रायोकूलर्स इस मामले में अन्य क्रायोकूलर तकनीक से अधिक प्रतिस्पर्द्धात्मक हैं. क्रायोजेनिक तापमान पर प्रदर्शन का गुणांक आदर्श रूप में 0.04–0.05 है (4–5% दक्षता के अनुकूल). अनुभव के आधार पर कहा जा सकता है कि ये यन्त्र पंक्तिबद्ध प्रवृत्ति में हैं, COP = 0.0015 × Tc – 0.065 जहां पर T c क्रायोजेनिक तापमान है. इस तापमान में ठोस वस्तुओं का विनिर्दिष्ट ताप के लिए न्यूनतम मान होता है, ताकि रीजेनरेटर को अनेपक्षित वस्तुओं से बनाया जा सके जैसे कि कपास.[कृपया उद्धरण जोड़ें]

पहले स्टर्लिंग क्रिया क्रायोकूलर का निर्माण 1950 के दशक में फिलिप द्वारा किया गया तथा उसका वाणिज्यीकरण तरल वायु उत्पाद के संयंत्रों वाली जगहों पर किया गया. फिलिप्स क्रायोजेनिक व्यवसाय तब तक चलता रहा तब तक 1990 में स्टर्लिंग तुषार-जानिक BV, नीदरलैंड में वह विभाजित नहीं हो गया. यह कंपनी आज भी स्टर्लिंग क्रायोकूलर्स और क्रायोजेनिक शीतलक सिस्टमों के विकास और निर्माण में सक्रीय है.

छोटे आकार के बहु-विविध स्टर्लिंग क्रायोकूलर्स व्यावसायिक रूप में उपलब्ध हैं जैसे कि विद्युत संवेदक को ठंडा करने हेतु या कभी-कभी छोटे संगणक को ठंडा करने के लिए. इस अनुप्रयोग के लिए, स्टर्लिंग क्रायोकूलर्स, उपलब्ध होने वाली सबसे उच्च प्रदर्शन तकनीक है, क्योंकि वे न्यून तापमान में भी ताप उपयोगिता को उठा लेने में सक्षम हैं. वे आवाज नहीं करते, कम्पन-मुक्त होते हैं, छोटे आकारों में उन्हें प्रवर्धित किया जा सकता है, और कम लागत के होते हैं. 2009 तक केवल क्रायोकूलर्स को ही व्यवसायिक रूप से स्टर्लिंग यंत्र माना गया है.[कृपया उद्धरण जोड़ें]

ताप पंप[संपादित करें]

एक स्टर्लिंग ताप पंप स्टर्लिंग क्रायोकूलर के बहुत समान है, मुख्य अंतर यह है कि यह कमरे के तापमान में काम करता है, और आज तक उसका प्रधान अनुप्रयोग बिल्डिंग के बाहर की गर्मी को अंदर पम्प करना होता है, नतीजतन सस्ते रूप में उसे गर्म करता है.

किसी भी स्टर्लिंग यंत्र की तरह, ताप फैलाव के स्थान से दबाव के स्थान की ओर प्रवाहित होता है, फिर भी स्टर्लिंग इंजन की पृथकता में फैलाव का स्थान दबाव के स्थान के मुकाबले न्यून तापमान में होता है, ऐसे में कार्य के उत्पाद की जगह यांत्रिक क्रिया को सिस्टम में निगत करने की आवश्यकता पड़ती है (ताकि उष्णता सम्बन्धी दूसरे नियम को संतुष्ट किया जा सके). जब ताप पम्प के लिए दूसरे इंजन द्वारा यांत्रिक क्रिया को प्रदान किया जाता है तब उसे "उष्णता संचालित गर्मी के पंप" का जाता है.

ताप पम्प का फैला हिस्सा, ताप स्रोत के साथ ताप आधार पर संयोजित होता है, जो कि अक्सर बाह्य पर्यावरण ही होता है. स्टर्लिंग यंत्र का संपीड़न हिस्सा गर्म होने के लिए पर्यावरण में रखा जाता है, उदहारण के लिए एक बिल्डिंग में और उसमें ताप को "पम्प" किया जाता है. आदर्श रूप में दोनों कोनों के बीच एक उष्णता रोधी होगा जिससे रोधन क्षेत्र में तापमान वृद्धि होगी.

ताप पम्प अब तक के सबसे अधिक उर्जा बचत वाले ताप प्रणाली हैं. परंपरागत ताप पम्पों के मुकाबले स्टर्लिंग ताप पम्पों की सह-उपयोगिता ऊंची होती है. आज भी इन प्रणालियों का सीमित वाणिज्यिक प्रयोग होता है; फिर भी इनका प्रयोग बाजार द्वारा ऊर्जा बचत की मांग के मद्देनज़र बढ़ने की संभावना है और इन्हें द्रुत गति से तकनिकी संशोधन के आधार पर अपनाया जायेगा.

जलीय इंजन[संपादित करें]

स्वीडन के जहाज निर्माता कोकम्स ने 1980 के दशक के उत्तरार्ध में सफलतापूर्वक 8 स्टर्लिंग चालित पनडुब्बियों का निर्माण किया. डूबे रहने के वक्त भी वे संपीड़ित ऑक्सीजन का इस्तेमाल ईंधन को जलाने के लिए करते हैं जो स्टर्लिंग इंजन को गर्मी प्रदान करता है. इनका प्रयोग गोटलैंड और सोडरमैनलैंड श्रेणियों की पनडुब्बियों में हो रहा है. ये विश्व में पहले पनडुब्बी हैं जो स्टर्लिंग इंजन के वायु-स्वतंत्र प्रणोदन प्रणाली की विशिष्टता रखते हैं जो कि उनके जल के अंदर की सहनशीलता को कुछ दिनों से बढ़ाकर दो हफ्ते कर देती है.[66] यह क्षमता पहले सिर्फ परमाणु आधारित पनडुब्बियों में ही थी.

एक सदृश सिस्टम जापान के Sōryū श्रेणी के पनडुब्बियों को भी पोषित करती है.[67]

परमाणु ऊर्जा[संपादित करें]

विद्युत शक्ति के उत्पादन के संयंत्रों में परमाणु-शक्ति से पुष्ट स्टर्लिंग इंजनों की बहुत संभावना है. वाष्पीय टर्बाईन को अगर परमाणु-शक्ति के संयंत्रों से बदल दिया जाये तो यह संयंत्र को आसान बना देगा, ज्यादा किफायती होगा और रेडियोधर्मी के उपोत्पाद को कम कर देगा. कई प्रजनक परमाणु-भट्टियों का डिजाइन इस प्रकार का है कि वे तरल सोडियम का प्रयोग करते हैं. अगर गर्मी को वाष्पीय संयंत्र में डालना हो तो एक जल/सोडियम के ऊष्मा संयंत्र की आवशयकता पड़ती है, ऐसे में चिंता उठ खड़ी होती है क्योंकि जल और सोडियम उग्र रूप में प्रतिक्रियात्मक होते हैं. स्टर्लिंग इंजन, क्रिया में कहीं भी जल के प्रयोग की बात को दरकिनार कर देता है.

संयुक्त राज्य की सरकारी प्रयोगशालाओं ने आधुनिक स्टर्लिंग इंजनों का निर्माण अंतरिक्ष अन्वेषण के लिए किया है जिन्हें स्टर्लिंग रेडियोआईसोटॉप जेनरेटर कहा जाता है. इनकी बनावट गहन अन्तरिक्षीय अन्वेषण के लिए विद्युत् निर्माण करना है जो कि दशकों तक चलेंगे. चालित हिस्सों को कम करने के लिए इंजन एक एकल डिसप्लेसर का इस्तेमाल करता है तथा उर्जो को स्थानांतरित करने के लिए उत्तम दर्जे के ध्वनि यंत्र का प्रयोग करता है. ताप स्रोत निष्पंद सूखा परमाणु ईंधन होता है और गर्मी का ताप सिंक स्वयं स्थान होता है.

मोटरगाड़ियों के इंजन[संपादित करें]

यह ज्यादातर मान लिया जाता है कि स्टर्लिंग इंजन ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों में बहुत कम उर्जा/भार परिमाण, बहुत लागत वाला, और बहुत देर में शुरू होने वाला होता है. इसके ताप संयंत्र जटिल तथा महंगे भी होते हैं. एक स्टर्लिंग कूलर के लिए ओट्टो इंजन या डीजल इंजन रेडियेटर से दुगुना ताप निष्पादन करना आवश्यक है. हीटर को आवश्यक रूप से स्टेनलेस स्टील, असाधारण मिश्रधातु, या सेरामिक का बना होना चाहिए जो कि ऊंचे उर्जा घनत्व की आवश्यकता के लिए उच्च तापमान का समर्थन कर सके और हाइड्रोजन गैस को भी ग्रहण कर सके जिनका इस्तेमाल ऑटोमोटिव स्टर्लिंग इंजनों में शक्ति को बढ़ाने के लिए किया जाता है. मुख्य दिक्कतें जो स्टर्लिंग इंजन के ऑटोमोटिव अनुप्रयोग में आती हैं वे हैं शुरू होने का समय, त्वरता की प्रक्रिया, बंद होने का समय, और भार, जिनके पहले से ही बनाये समाधान नहीं हैं. फिर भी हल ही में एक संशोधित स्टर्लिंग इंजन का निर्माण किया गया है जिसे आधिकारिक साइडवॉल दहन कक्ष वाले अंतर-दहन के इंजन की अवधारणा (U.S. अधिकृत 7,387,093) से लिया गया है तथा जो यह वादा करता है कि स्टर्लिंग इंजन के स्वाभाविक ऊर्जा घनत्व की कमी तथा विनिर्दिष्ट शक्ति की समस्याओं के साथ ही साथ मंद त्वरता की प्रतिक्रिया की समस्या पर काबू पा लेगा.[68] फिर भी यह संभव है कि इन सह-निर्मित सिस्टम में इनका इस्तेमाल किया जायेगा जो कि पारंपरिक पिस्टन और गैस टर्बाईन से बची हुई गर्मी का इस्तेमाल सहायकों को शक्ति देने या फिर टर्बो-संयुक्त सिस्टम के रूप में करेगा जो कि क्रैंकशैफ्ट को शक्ति और टोर्क प्रदान कर सकेगा.

अनन्य रूप से स्टर्लिंग इंजन द्वारा चालित कम से कम दो मोटर-गाड़ियों का निर्माण NASA द्वारा किया गया है, साथ ही साथ फिलिप्स [1] और अमेरिकन मोटर कार्पोरेशन द्वारा प्रदत्त इंजनों का इस्तमाल फोर्ड मोटर कंपनी द्वारा इससे पूर्व की परियोजनाओं में किया गया. NASA की गाडियों को ठेकेदारों द्वारा निर्मित किया गया तथा MOD I एवं MOD II के रूप में प्राधिकृत किया गया. MOD II ने 1985 में 4 दरवाजे वाले शेवरोलेट सेलेब्रेटी नॉचबुक के सामान्य चिंगारी से जलने वाले इंजन को बदल दिया. 1986 में MOD II डिज़ाइन विवरण (परिशिष्ट A) में परिणाम दिखाते हैं कि वाहन के औसत भार को बिना बढ़ाए, राजमार्ग की माईलेज 40 से 58 mpg (माईल प्रति गैलन) तथा शहरी माईलेज 26 से 33 माईल प्रति गैलन बढ़ाया गया है. NASA के वाहन में शुरूआती समय 30 सेकण्ड तक बढ़ गया,[कृपया उद्धरण जोड़ें] जबकि फोर्ड के शोध के वाहन ने अन्दरूनी बिजली के हीटर का प्रयोग किया, जिसने केवल कुछ सेकंडों में ही उसे शुरू किया.

विद्युत वाहन[संपादित करें]

मिश्रित विद्युत चालित सिस्टम के एक भाग के रूप में स्टर्लिंग इंजन गैर-मिश्रित स्टर्लिंग मोटरगाड़ी की बनावट की चुनौतियों या दिक्कतों को पार कर देगा.

नबम्बर 2007 में स्वीडन में प्रेसर परियोजना द्वारा ठोस जैव-ईंधन और स्टर्लिंग इंजन का इस्तेमाल करने वाली एक मिश्रित कार के निर्माण की घोषणा की गई.[69]

मेनचेस्टर यूनियन लीडर खबर दी कि डीन कामेन ने फोर्ड थिंक का इस्तेमाल करते हुए प्लग-इन हाइब्रिड कारों की एक श्रृंखला विकसित की है.[70] DEKA, मेनचेस्टर मिलियार्ड में कामेन की तकनीक कम्पनी ने हाल ही में एक विद्युत् कार, DEKA रिवोल्ट प्रदर्शित की है, जो लिथियम बैटरी के एक ही चार्ज में लगभग[70] चल सकती है.

वायुयान इंजन[संपादित करें]

अगर ऊंचे उर्जा घनत्व और कम लागत को पाया जा सके तो स्टर्लिंग इंजन सम्भवतः वायुयान इंजनों की तरह परिकल्पित वादे को बनाये रख सकता है. ये कम आवाज करते हैं, कम प्रदूषण करते हैं, ऊंचाई के साथ न्यून परिवेशीय तापमान की वजह से इनकी उपयोगिता बढ़ जाती है, कम पुर्जों की वजह से ज्यादा विश्वसनीय हैं और ज्वलनशील सिस्टम के आभाव में बहुत कम कम्पन पैदा करते हैं (एयरफ्रेम ज्यादा दिन चलते हैं), सुरक्षित होते हैं, और इनमें कम विस्फोटक ईन्धनों का इस्तेमाल किया जा सकता है. फिर भी स्टर्लिंग इंजन, ओटो इंजन तथा ब्रेटोन चक्र गैस टरबाईन के मुकाबले कम ऊर्जा घनत्व धारण किये होता है. यह मुद्दा मोटरगाड़ियों में विवाद का करण बना रहा है, यह प्रदर्शन वायुयान इंजन के मामले में और भी महत्वपूर्ण हो जाता है.

न्यून तापमान भिन्नता वाले इंजन[संपादित करें]

एक कम तापमान अंतर के स्टर्लिंग इंजन को यहां दिखाया गया है जो कि एक गर्म पक्ष के ताप पर चल रहा है

एक न्यून तापमान भिन्नता वाले (न्यून डेल्टा T, or LTD) स्टर्लिंग इंजन किसी भी तापमान में चल सकते हैं, उदहारण के लिए हाथ के हथेली की गर्मी या कमरे की गर्मी, या कमरे की गरमी या बर्फ के टुकड़े की गर्मी में चल सकते हैं. 1990 में केवल 0.5 K का विवरण प्राप्त हुआ था. देखें[71] जो इस प्रकार के एनिमेटेड चित्रण को भी दिखाता है. ज्यादातर इनकी बनावट, सरलता के लिए बगैर रीजेनरेटर के युग्मक विन्यास में होती है, हालांकि कुछ विस्थापकों में झिर्रियां होती हैं जो आदर्श रूप में केन से बनी होती है ताकि थोड़ा बहुत पुनः निर्माण हो सके. ये आदर्श रूप से दबावहीन होते हैं और पर्यावरण के समीप 1 के दबाव में चलते हैं. उत्पन्न ऊर्जा 1 W से कम होती है, और इनका प्रयोग केवल प्रदर्शन हेतु ही किया जाता है. इन्हें खिलौनों और शिक्षण नमूनों के रूप में बेचा जाता है.

विशाल (आदर्श रूप में 1 m गज) न्यून तापमान इंजनों को न्यून अथवा बिना आवर्धन के, सूर्य किरणों का सीधे इस्तेमाल करते हुए पानी पम्प करने के लिए निर्मित किया जाता है.[72]

हाल ही के अन्य अनुप्रयोग[संपादित करें]

ध्वनिक स्टर्लिंग ताप इंजन[संपादित करें]

सम्बंधित लेख ताप-ध्वनिक गर्म वायु इंजन

लॉस अलामॉस राष्ट्रीय प्रयोगशाला ने बिना किसी स्थानांतरित पुर्जों के एक "ध्वनिक स्टर्लिंग ताप इंजन" का निर्माण किया है[73].

जिसमें कोई गतिशील भाग नहीं होते. यह गहन ध्वनि ऊर्जा (दिए गए सूत्र में उद्धृत) को परिवर्तित करता है, उसका सीधे-सीधे रूप में बिना किसी पुर्जों के स्थानान्तरण के ध्वनिक शीतलक में या नाड़ी-सम्बंधित नाली वाले शीतलक में इस्तेमाल किया जा सकता है, या पंक्तिबद्ध प्रत्यावर्तन द्वारा बिजली का निर्माण किया जा सकता है या दूसरा विद्युत-ध्वनि शक्ति ट्रान्डीयुसर निर्मित किया जा सकता है.

माइक्रोसीएचपी (MicroCHP)[संपादित करें]

न्यूजीलैंड में स्थित एक कंपनी WhisperGen, ने ऐसे स्टर्लिंग इंजन का निर्माण किया है जिन्हें प्राकृतिक गैस और डीजल से चलाया जा सकता है. हाल ही में स्पेन की एक कंपनी मोनड्रेगन कॉर्पोरेशन कोपेरेटिवा के साथ व्हिस्पर जेन के microCHP के निर्माण और यूरोप के घरेलू बाज़ार में उपलब्ध कराने का करार हस्ताक्षरित किया गया है. कुछ दिनों पहले E.ON UK ने एक समान प्रवर्तन की घोषणा की है कि वे ग्राहक को गरम पानी, स्थान को गरम और अधिशेष बिजली को प्रदान करेगा जिसे फिर द्वारा विद्युत ग्रिड में भेजा जा सकता है.

एनर्जी सेविंग ट्रस्ट द्वारा व्हिस्पर जेन microCHP इकाइयों की प्रकार्यात्मकता के परिणाम को लेकर दी गई समीक्षा में यह सुझाया गया की अधिकतर घरों में इनका प्रदर्शन औसतन रहा.[74] वहीं दूसरी ओर एक अन्य लेखक यह दिखाता है कि स्टर्लिंग इंजन द्वारा पोषित माईक्रोनिर्माण, CO2 को कम करने में अन्य माइक्रोनिर्माणों की तुलना में ज्यादा किफायती है.[62]

चिप शीतलन[संपादित करें]

MSI (ताईवान) ने हाल ही में एक लघु स्टर्लिंग इंजन शीतलन प्रणाली का निर्माण व्यक्तिगत कंप्यूटर चिप्स के लिए किया है जो कि चिप्स के अपशिष्ट ताप का इस्तेमाल एक पंखा चलाने के लिए करता है.

विकल्प[संपादित करें]

वैकल्पिक तापीय ऊर्जा के दोहन यंत्रों में उष्णीय जेनरेटर शामिल है. उष्णीय जेनरेटर कम दक्ष रूपान्तरण की अनुमति देते हैं (5-10%), परन्तु उस जगह उपयोगी हो सकते हैं जहां अंतिम उत्पाद विद्युत हो और जहां लघु रूपांतरण यंत्र बहुत महत्वपूर्ण कारक होता है.

चित्र दीर्घा[संपादित करें]

इन्हें भी देखें[संपादित करें]

  • थर्मोमेकानिकल जनरेटर
  • बेल नम्बर
  • कोजेनरेशन
  • वेस्ट नम्बर
  • श्मिट नम्बर
  • फ्लुडाइन इंजन
  • स्टर्लिंग रेडियो आइसोटोप जनरेटर
  • विभिन्न स्रोतों से उत्पन्न बिजली के सापेक्ष मूल्य
  • वितरित उत्पादन

संदर्भ[संपादित करें]

  1. "स्टर्लिंग इंजन", जी. वाकर (1980), क्लेरेनडेन प्रेस, ऑक्सफोर्ड, पृष्ठ 1: "स्टर्लिंग इंजन एक यांत्रिक उपकरण है जो बंद पुनर्योजी थर्मोडाइनामिक चक्र पर संचालित होती है, जिसमें चक्रीय संपीड़न और विभिन्न तापमान स्तरो पर कार्यात्मक तरल का विस्तार होता है."
  2. टी. फिंकेलस्टाइन; ए.जे ओर्गन (2001), अध्याय 2&3
  3. Sirling engines capable of reaching 40% efficiency
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  5. एफ स्टार (2001)
  6. Stirling engines being looked into by NASA
  7. सी. एम. हर्ग्रेव्स (1991), अध्याय 2.5
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  58. सन्दर्भ त्रुटि: <ref> का गलत प्रयोग; A.J._Organ_1997.2C_p नाम के संदर्भ में जानकारी नहीं है।
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सन्दर्भ ग्रंथ सूची[संपादित करें]

अतिरिक्त पठन[संपादित करें]

बाह्य लिंक[संपादित करें]

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