Двигатель Стирлинга

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Роберт Стирлинг

Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, работающая не только от сжигания топлива, но от любого источника тепла, например — солнечных лучей. Относится к двигателям внешнего сгорания. Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года. Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом». В современной научной литературе этот очиститель называется «регенератор» (теплообменник). Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.

[править] Описание

В XIX веке инженеры хотели создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, котлы которых часто взрывались из-за высоких давлений пара и неподходящих материалов их структуры. Хорошая альтернатива паровым машинам появилась с созданием двигателей Стирлинга, который мог преобразовывать в работу любую разницу температур. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Из термодинамики известно, что давление, температура и объём газа взаимосвязаны и следуют закону идеальных газов: $PV = nRT\,\!$
где р — давление газа
V — Объём газа
n — Количество молей газа
R — Универсальная газовая константа
Т — Температура газа в Кельвинах

Это означает, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Это свойство газов и лежит в основе работы двигателя Стирлинга.

Газ в закрытом цилиндре использует цикл Карно, состоящий из четырёх фаз и разделённый двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. Разницу объёмов газа можно превратить в работу, чем и занимается двигатель Стирлинга.

[править] Конфигурация

Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных типа:

Альфа Стирлинг Содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению у, Альфа Стирлинга имеется ряд технических проблем, вызванных высокой температурой «горячего» поршня и его изоляции.

Бета Стирлинг У двигателя бета-типа цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и "вытеснитель", изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор.

Гамма Стирлинг У гамма-типа тоже есть поршень и "вытеснитель", но при этом два цилиндра – один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется "вытеснитель"). Регенератор соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром.

[править] Недостатки

Основной недостаток двигателей внешнего сгорания вобще и двигателя Стирлинга в частности обусловлены тем, что источник тепла расположен снаружи и, как следствие этого, медленное реагирование двигателя на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру. Следствием этого недостатка является то, что мощность двигателя невозможно менять быстро и для того чтобы двигатель начал производить работу требуется время на разогрев.

Указанный недостаток делает применение двигателей внешнего сгорания в автомобилях затруднительным и непрактичным, однако в тех случаях, когда от двигателя требуется получение фиксированной мощности в течение продолжительного промежутка времени, двигатели внешнего сгорания вполне могут заменить двигатели внутреннего сгорания.

Примером может служить то, что еще в первой половине 60-х годов военно-морские справочники указывали на возможность установки на подводных лодках типа «Шеормен» производства Швеции воздухонезависимых двигателей Стирлинга. Однако ни «Шеормены», ни последовавшие за ними «Наккены» и «Вэстерготланды» указанные силовые установки так и не получили. И только в 1988 году головная субмарина типа «Наккен» была переоборудована под двигатели Стирлинга. С ними она прошла под водой более 10000 часов. Другими словами, именно шведы открыли в подводном кораблестроении эру вспомогательных анаэробных двигательных установок. И если «Наккен» - первый опытный корабль этого подкласса, то субмарины типа «Готланд» стали первыми серийными лодками с двигателями Стирлинга, которые позволяют им находиться под водой 20 суток.