Что такое двигатель стирлинга история

Двигатель Стирлинга(Двигатель внешнего сгорания)

Содержание

• 1 Описание
• 2 Принцип Работы
• 3 Классификация двигателей Стирлинга
• 4 Плюсы
• 5 Недостатки
• 6 Рабочая версия двигателя
• 7 Ссылки

Описание [ править ]

• Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Принцип Работы [ править ]

• 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.

Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён 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. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу. Нагрев и охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производится рекуператором. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое рекуператором, одинаково. Полезная работа производится только за счёт изотерм, т.е. зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.

где: a — вытеснительный поршень; b — рабочий поршень; с — маховик; d — огонь (область нагревания); e — область охлаждения. Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам). Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру. Воздух остывает и сжимается, поршень опускается вниз. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется. В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При сдвиге 0 машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение) и не вырабатывает её.

Классификация двигателей Стирлинга [ править ]

• 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, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.

Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.

• Бета-Стирлинг — 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. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

• Гамма-Стирлинг — 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 может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Плюсы [ править ]

• КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70% КПД от цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. Кроме того крутящий момент двигателя почти не зависит от скорости вращения коленвала. В двигателях внутреннего сгорания напротив максимальный крутящий момент достигается в узком диапазоне частот вращения.
• В конструкции двигателя отсутствует система высоковольтного зажигания, клапанная система и, соответственно, распредвал. Грамотно спроектированный и технологично изготовленный двигатель Стирлинга не требует регулировки и настройки в процессе всего срока эксплуатации.
• В ДВС сгорание топливо-воздушной смеси в цилиндре двигателя является, по сути, взрывом со скоростью распространения взрывной волны 5-7 км/сек. Этот процесс дает чудовищные пиковые нагрузки на шатуны, коленчатый вал и подшипники. Стирлинги лишены этого недостатка.
• Двигатель не будет «капризничать» из-за потери искры, засорившегося карбюратора или низкого заряда аккумулятора, поскольку не имеет этих агрегатов. Понятие «двигатель заглох» не имеет смысла для Стирлингов. Стирлинг может остановиться, если нагрузка превышает расчетную. Повторно запуск осуществляется однократным проворотом маховика коленчатого вала.
• Простота конструкции позволяет длительно эксплуатировать Стирлинг в автономном режиме.
• Двигатель Стирлинга может использовать любой источник тепловой энергии, начиная с дров и заканчивая ядерным топливом!
• Сгорание топлива происходит вне внутреннего объема двигателя (в отличии от ДВС), что позволяет обеспечить равномерное горение топлива и полное его дожигание (т.е. отбор максимума содержащейся в топливе энергии и минимизация выброса токсичных компонентов).

Недостатки [ править ]

• Материалоёмкость — основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.
• Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела — водород, гелий.
• Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплобменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.
• Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

Рабочая версия двигателя [ править ]

Двигатель внешнего сгорания

Дви́гатели вне́шнего сгора́ния — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела. При этом рабочее тело, циркулирующее в двигателе, нагревается вне двигателя и за счёт этого совершает работу. Рабочим телом может служить вода и водяной пар (паровые машины и паровые турбины), либо благородные газы (двигатель Стирлинга). Выбор таких веществ обусловлен дешевизной, достаточной теплоёмкостью паровой фазы (вода), либо низкой химической агрессивностью и высоким коэффициентом степени в уравнении состояния газа (1,66 для одноатомных газов). Несмотря на высокий КПД ртутнопаровых турбин, их применение в энергетике ограничено ввиду химической токсичности ртути.

Двигатели внешнего сгорания имеют широчайшее применение в производстве электроэнергии (паровыми турбинами оборудованы как тепловые, так и атомные станции), а также в случае утилизации теплоты (двигатели Стирлинга). В области транспорта их применение в последний век значительно сократилось: с улиц исчезли паромобили, оставшиеся паровозы применяются в основном на железных дорогах в странах третьего мира [1] .

Став исторически первыми транспортными и промышленными тепловыми двигателями, двигатели внешнего сгорания сделали возможной промышленную революцию. Появившиеся в большом количестве в XIX веке паровозы и пароходы совершенно изменили мировой транспорт, а добыча угля для снабжения их топливом увеличила объёмы работ горнодобывающей промышленности.

Поскольку две трети электроэнергии в мире вырабатывается на тепловых станциях в основном с помощью паровых турбин, а выработка тепла на АЭС также осуществляется с их помощью, двигатели внешнего сгорания ещё долго будут оставаться первыми по установленной мощности в мировой энергетике [2] [3] .

Содержание

• 1 Паровая машина
• 2 Паровая турбина
• 3 Двигатель Стирлинга
• 4 Применение двигателей внешнего сгорания
• 5 Преимущества и недостатки двигателей внешнего сгорания
• 6 Примечания
• 7 Литература

Паровая машина [ править | править код ]

Изобретённая в XVII веке французским физиком Папеном, она представляла собой цилиндр с поршнем, который поднимался под действием пара, а опускался под давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе работала изобретённая в 1698 году паровая машина Севери для выкачивания воды из копей (не имевшая поршня) [4] . Несколько позже, в 1705 году, Томас Ньюкомен совместно со стекольщиком-лудильщиком Джоном Колли [en] , тоже из Дартмута, построили паровую пароатмосферную машину, отличавшуюся от машины Севери наличием цилиндра с поршнем, и тем, что сгущение (конденсация) пара производилось обливанием цилиндра снаружи водой. Значительно усовершенствовал такую машину Джеймс Уатт в 1769 году (золотники вместо ручного переключения, двойное действие, кривошип) [5] . Дальнейшее значительное усовершенствование парового двигателя (применение на рабочем ходу пара высокого давления вместо вакуума) было сделано американцем Оливером Эвансом в 1786 году и англичанином Ричардом Тревитиком в 1800 году. Удельная мощность таких машин возросла настолько, что позволила устанавливать такие двигатели на транспорте. Так появилась железная дорога [6] . Кроме применения в наземном транспорте, были попытки установить паровую машину на самолёт — проект Можайского).

Первая паровая машина в России была пущена в ход в 1766 году (проект крепостного Ивана Ползунова). Машина Ползунова имела два цилиндра с поршнями, работала непрерывно, и все действия в ней проходили автоматически. [7] . В 1769 году французом Николасом-Йозеф Кюньо была построена первая паровая телега, а в 1788 году Джон Фитч построил пароход [6] . Во всех машинах сгорание осуществлялось в топке, так что все они являлись двигателями внешнего сгорания. Однако, в настоящее время поршневые паровые машины
применяются весьма редко .

Паровая турбина [ править | править код ]

Была впервые построена Героном в I веке до нашей эры; однако в таком виде являлась
скорее курьёзом . Развитию паровых турбин препятствовало отсутствие надёжных подшипников, которые могли бы выдерживать высокие скорости вращения, а отдача турбин на малых оборотах и их эффективность (КПД) резко падал, из-за чего они не получили применения. Первую промышленную турбину, имевшую частоту вращения 30 000 об/мин, разработал Пьер Лаваль. Из-за огромной скорости вращения, она имела редуктор, в несколько раз превосходивший её по размеру [8] . Позже было отмечено, что при росте мощности (и размера колеса) расчётная скорость вращения турбины падает, так что применение её в агрегатах высокой мощности упрощается. Такие турбозубчатые агрегаты получили широкое распространение, сменив паровые машины на военных кораблях (из-за меньшей массы). Но однако, низкий КПД на частичных мощностях долго препятствовал их установке на транспортных судах (приходилось применять изощрённые схемы с турбинами разной мощности для различной скорости хода). Тем не менее, улучшенная турбина Парсонса и теперь массово применяется в генерации электроэнергии на ТЭЦ и АЭС. При работе в узком диапазоне оборотов она может иметь достаточно высокий КПД, а при использовании в первой ступени газовых турбин — превзойти в суммарном КПД даже поршневой ДВС. Паровые турбины значительно легче поршневых паровых машин.

Двигатель Стирлинга [ править | править код ]

Изобретён в 1816 году 26-летним бедным шотландским священником Стирлингом, руководимым богоугодными соображениями (снижение травматизма из-за меньшего давления) [9] . При материалах и технологиях того времени не мог быть эффективно реализован (уступал в мощности), и до XX века применялся мало. В настоящее время применяется для утилизации тепла; устанавливается на новейших подводных лодках и космических кораблях [10] . Двигатель Стирлинга в настоящее время успешно применяется для когенерации при малых мощностях (до 100 кВт), такому применению способствуют высокие экономические и экологические качества. Однако такие двигатели довольно дороги [11] . КПД двигателя Стирлинга самый высокий из всех двигателей внешнего сгорания.

Применение двигателей внешнего сгорания [ править | править код ]

Смотря по требованиям к разрабатываемому устройству, могут применяться разные виды двигателей. Важными критериями выбора являются: тип потребляемого топлива, допустимая удельная мощность (на транспорте требуются двигатели с достаточно высокой удельной мощностью), коэффициент полезного действия, в том числе на частичных нагрузках, необходимость в трансмиссии (так, паровые поршневые машины обычно не нуждались в ней), стоимость.

Преимущества и недостатки двигателей внешнего сгорания [ править | править код ]

Преимуществом всей линейки двигателей внешнего сгорания является возможность теоретически использовать любое топливо или теплоту, полученную любым путём (солнечные рефлекторы, ядерные реакторы, тепло распада изотопов). Однако, смотря по конструкции конкретного мотора, этот выбор более-менее ограничен. К тому же во многих случаях использование более доступного топлива из-за его особенностей снижает КПД и/или увеличивает необходимость в персонале.

Например, пароходы и паровозы, работавшие на угле, требовали для его загрузки кочегара или кочегаров, и на больших кораблях их команды с учётом свободных смен доходили до нескольких сотен человек. А из-за трудностей точного дозирования и неоднородности сгорания, КПД котлов на угле всегда уступал нефтяным, не требовавшим к тому же кочегаров.

Недостатками таких двигателей является сравнительная сложность и повышенный вес (эти факторы значительно уменьшаются самых форсированных для водотрубных котлов, работающих на жидком топливе, но такие двигатели, в свою очередь, уступают в экономичности дизелям), вызываемые необходимостью теплопередачи из камеры сгорания к рабочему телу. В случае достаточно ёмких котлов, такие двигатели требуют времени для разведения пара, либо поддержания рабочей температуры и давления с затратами на уголь. Паровые машины и турбины, использующие водяной пар, чувствительны к морозу, и требуют теплоизоляции ёмкостей с водой, заправочных трубопроводов и баков на станциях, и почти всегда имеют меньший КПД, чем классические ДВС.

Двигатель Стирлинга. Виды и конструкции. Устройство и работа

Современная автомобильная промышленность достигла такого уровня, что без серьезных исследований невозможно добиться кардинальной модернизации в конструкции двигателей внутреннего сгорания. Это способствовало тому, что конструкторы стали обращать внимание на альтернативные разработки силовых установок, таких как двигатель Стирлинга.

Одни автоконцерны сконцентрировали свои силы на разработке и подготовке к выпуску в серию электрических и гибридных автомобилей, другие инженерные центры затрачивают финансовые средства в проектирование двигателей на альтернативном топливе, изготовленном из возобновляемых источников. Существуют другие различные разработки двигателей, которые в будущем могут стать новым двигателем для различных средств транспорта.

Таким возможным источником энергии механического движения для автомобильного транспорта будущего может стать двигатель внешнего сгорания, изобретенный в 19 веке ученым Стирлингом.

Устройство и принцип работы

Двигатель Стирлинга выполняет преобразование тепловой энергии, получаемой из внешнего источника, в механическое движение благодаря изменению температуры жидкости, циркулирующей в закрытом объеме.

В первое время после изобретения такой двигатель существовал в виде машины, действующей на принципе теплового расширения.

В цилиндре тепловой машины воздух перед расширением нагревался, перед сжатием охлаждался. Вверху цилиндра 1 находится водяная рубашка 3, дно цилиндра непрерывно нагревается огнем. В цилиндре расположен рабочий поршень 4, имеющий уплотнительные кольца. Между поршнем и дном цилиндра расположен вытеснитель 2, передвигающийся в цилиндре со значительным зазором.

Воздух, находящийся в цилиндре, перекачивается вытеснителем 2 к дну поршня или цилиндра. Вытеснитель движется под действием штока 5, проходящего через уплотнение поршня. Шток в свою очередь приводится в действие эксцентриковым устройством, вращающимся с запаздыванием на 90 градусов от привода поршня.

В позиции «а» поршень расположен в нижней точке, а воздух находится между поршнем и вытеснителем, охлаждается стенками цилиндра.

В следующей позиции «б» вытеснитель перемещается вверх, а поршень остается на месте. Воздух, находящийся между ними, выталкивается ко дну цилиндра, охлаждаясь.

Позиция «в» — рабочая. В ней воздух нагревается дном цилиндра, расширяется и поднимает два поршня к верхней мертвой точке. После выполнения рабочего хода вытеснитель опускается ко дну цилиндра, выталкивая воздух под поршень, и охлаждаясь.

В позиции «г» охлажденный воздух готов к сжатию, и поршень перемещается от верхней точки к нижней. Так как работа сжатия охлажденного воздуха меньше, чем работа расширения нагретого воздуха, то образуется полезная работа. Маховик при этом служит своеобразным аккумулятором энергии.

В рассмотренном варианте двигатель Стирлинга обладает малым КПД, так как теплота воздуха после рабочего хода должна отводиться через стенки цилиндра в охлаждающую жидкость. Воздух за один ход не успевает снизить температуру на необходимую величину, поэтому необходимо было продлить время охлаждения. Из-за этого скорость мотора была маленькой. Термический КПД был также незначительным. Тепло отработанного воздуха уходило в охлаждающую воду и терялось.

Разные конструкции

Существуют различные варианты устройства силовых агрегатов, действующих по принципу Стирлинга.

Конструкция исполнения «Альфа»

Этот двигатель включает в себя два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень расположен в отдельном цилиндре. Холодный цилиндр находится в теплообменнике, а горячий нагревается.

Конструкция исполнения «Бета»

Цилиндр с поршнем охлаждается с одной стороны, и нагревается с противоположной стороны. В цилиндре перемещается силовой поршень и вытеснитель, служащий для уменьшения и увеличения объема рабочего газа. Регенератор выполняет обратное перемещение остывшего газа в нагретое пространство двигателя.

Конструкция исполнения «Гамма»

Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр весь холодный. В нем перемещается рабочий поршень, Второй цилиндр с одной стороны нагретый, а с другой – холодный, и предназначен для передвижения вытеснителя. Регенератор для перекачки охлажденного газа может являться общим для двух цилиндров, либо может быть включен в устройство вытеснителя.

Преимущества

• Как и множество двигателей внешнего сгорания, двигатель Стирлинга способен функционировать на разном топливе, так как для него важно наличие перепада температуры. При этом не важно, каким топливом он вызван.
• Двигатель имеет простое устройство, и не нуждается во вспомогательных системах и навесных устройствах (коробка передач, ремень ГРМ, стартер и т.д.).
• Особенности конструкции обеспечивают длительную эксплуатацию: больше 100 тысяч часов постоянной работы.
• Работа двигателя Стирлинга не создает большого шума, так как внутри двигателя не происходит детонация топлива, и отсутствует выпуск отработанных газов.
• Исполнение «Бета», снабженное кривошипно-шатунным устройством в виде ромба, является наиболее сбалансированным механизмом, который при функционировании не создает вибрацию.

• В цилиндрах мотора не возникают процессы, оказывающие вредное воздействие на природную среду. При подборе оптимального источника тепла мотор Стирлинга может стать экологически чистым устройством.

Недостатки

• При значительных положительных характеристиках быстрое серийное производство двигателей Стирлинга нереально по некоторым причинам. Основной вопрос в материалоемкости устройства. Чтобы охлаждать рабочее тело, необходим большой радиатор, что значительно увеличивает габариты и вес оборудования.
• Сегодняшний уровень технологий дает возможность двигателю Стирлинга конкурировать по свойствам с новыми бензиновыми двигателями за счет использования сложных типов рабочего тела (водород или гелий), находящихся под очень большим давлением. Это значительно повышает опасность использования таких двигателей.
• Серьезная проблема эксплуатации связана с проблемами температурной стойкости стальных сплавов и их теплопроводности. Тепло подходит к рабочему пространству с помощью теплообменников. Это приводит к значительным потерям тепла. Также теплообменник должен производиться из термоустойчивых сплавов, которые также должны быть устойчивы к повышенному давлению. Соответствующие этим условиям материалы очень сложны в обработке и имеют высокую стоимость.
• Принципы перехода двигателя Стирлинга на другие режимы функционирования также существенно отличаются от привычных принципов. Для этого необходимо создание специальных устройств управления. Например, для изменения мощности нужно менять угол фаз между силовым поршнем и вытеснителем, давление в цилиндрах, либо изменить емкость рабочего объема.

Двигатель Стирлинга и его использование

При необходимости создания преобразователя тепла компактных размеров можно вполне использовать мотор Стирлинга. При этом эффективность других аналогичных двигателей значительно ниже.

• Универсальные источники электричества. Моторы Стирлинга могут преобразовывать тепло в электричество. Существуют проекты солнечных электроустановок с применением таких двигателей. Их используют как автономные электростанции для туристов. Некоторые производители изготавливают генераторы, действующие от газовой конфорки. Существуют также проекты генераторов, которые работают от радиоизотопных источников тепла.
• Насосы. Если в контуре системы отопления установлен насос, то эффективность отопления значительно возрастает. В системах охлаждения также устанавливают насосы. Электрический насос может выйти из строя, к тому же, он потребляет электрическую энергию. Насос, действующий по принципу Стирлинга, решает этот вопрос. Двигатель Стирлинга для перекачивания жидкостей будет проще обычной схемы, так как вместо поршня может применяться сама перекачиваемая жидкость, служащая также для охлаждения.

Холодильное оборудование. В конструкции всех холодильников используется принцип тепловых насосов. Некоторые производители холодильников планируют устанавливать на свои изделия двигатель Стирлинга, которые будут очень экономичны. Рабочим телом будет выступать воздух.

Сегодня исследования установок Стирлинга для подводных, космических и других установок, а также проектирование основных двигателей проводятся во многих зарубежных странах. Такой высокий интерес к моторам Стирлинга стал итогом интереса общественности в борьбе с загрязнением атмосферы, шумом и сохранением природных энергетических источников.

Двигатель Стирлинга

Роберт Стирлинг (1790-1878 гг.) — шотландский пастор, доктор богословия, вошел в историю не как выдающийся деятель церкви, а как изобретатель и инженер. Газета «Таймс» в некрологе, посвященном его памяти, с некоторым сожалением отмечала, что он не оставил «ни одного богословского произведения».

Работая в свободное от основных обязанностей время вместе со своим братом над тепловыми машинами, он изобрел новый двигатель, названный впоследствии его именем. В 1816 г. он получил патент (N 4081) на машину, которая «производит движущую силу посредством нагретого воздуха», а в 1827 и 1840 гг. — еще два (N 5456 и 8652) на усовершенствованные ее варианты. В 1845 г. на литейном заводе в Данди была пущена машина Стирлинга мощностью 50 л.с. (36,7 кВт), проработавшая больше трех лет.

Долгое время после этого двигатели Стирлинга не строились, а его работы были почти полностью забыты. Только в 1938 г. началось «возрождение» двигателей Стирлинга, и сейчас над ними работают во всем мире.

Все это очень интересно как для истории, так и для определения тенденций современного развития тепловых двигателей. Но какая здесь связь с криогенной техникой, где все наоборот? Оказывается, как ни странно, что самая непосредственная.

Нельзя и тут не вспомнить А.С. Пушкина: «. лед и пламень не столь различны меж собой…» Чтобы увидеть, как проявляется эта связь в данном случае, необходимо разобраться в том, как работает двигатель Стирлинга. Прежде всего нужно отметить, что он принципиально отличается от паровой машины двумя особенностями, Во-первых, он работает не на воде и водяном паре, а на воздухе; другими словами, этот двигатель газовый (в том смысле, что агрегатное состояние его рабочего тела не меняется — нет ни испарения, ни конденсации). Во-вторых, все процессы изменения параметров рабочего тела проходят полностью в цилиндре машины; воздух из него не выпускается и в него не впускается; поэтому никаких распределительных устройств, вроде клапанов или золотника, в нем нет.

Рис. 8.3. Принцип действия двигателя Стирлинга: а — конструктивная схема двигателя; б — положения поршня и вытеснителя в разных фазах процесса; в — процесс на диаграмме р, v.

На рис. 8.3 а показан схематически разрез двигателя, на рис. 8.3 б — положение рабочих органов в четырех исследовательских положениях. Цилиндр 1 двигателя имеет головку 2, которая постоянно поддерживается в горячем состоянии, так как омывается снаружи продуктами сгорания топлива. В нижней части цилиндра, охлаждаемой водой или воздухом, помещен рабочий поршень 3, связанный с коленчатым валом 4. Через отверстие в поршне пропущен шток 5, на конце которого закреплен так называемый вытеснитель 6 (элемент, который определяет основные особенности двигателя Стирлинга). Он представляет собой тоже поршень, который может перемещаться в цилиндре с небольшим радиальным зазором. Управление его движением осуществляется от того же вала 4.

Проследим работу двигателя. В фазе I и поршень, и вытеснитель расположены каждый в своей верхней мертвой точке. Воздух находится в промежутке между ними и имеет температуру, близкую к Тос, так как соприкасается со стенками холодной части цилиндра. Затем вытеснитель перемещается вниз, придвигаясь вплотную к рабочему поршню (фаза II). Воздух при этом переходит по кольцевому зазору между вытеснителем и цилиндром в горячую головку цилиндра, где нагревается. При этом его давление возрастает, он давит на поршень и, расширяясь, смешает его вниз, производя работу, передающуюся на вал машины. Вытеснитель посредством штока тоже сдвигается вниз вслед за поршнем; оба оказываются в самом нижнем положении (фаза III). Далее вытеснитель перемещается снова в самое верхнее положение (фаза IV). При этом расширившийся воздух переталкивается через зазор между вытеснителем и цилиндром снова в нижнюю холодную часть цилиндра. При понижении температуры воздуха его давление падает, и поршень снова вдвигается в цилиндр до верхнего положения, соответствующего фазе I; на этом цикл завершается, и все повторяется сначала.

Таким образом, блестящая идея Стирлинга сводилась к тому, чтобы периодически с помощью придуманного им простого устройства — вытеснителя переталкивать газ из холодной зоны цилиндра в теплую и обратно. Остальное совершалось автоматически: при нагревании давление газа повышалось, и он давил на поршень, производя работу, а при охлаждении — понижалось, и поршень вдвигался обратно. Работа определялась разностью между той работой, которая отдавалась на вал при расширении горячего воздуха (движение поршня вниз), и той, которая затрачивалась при сжатии холодного (движение поршня вверх). На передвижение вытеснителя работа почти не тратилась, так как он двигался почти без сопротивления (воздух легко проходил через зазор между ним и цилиндром, поэтому давления над ним и под ним мало различались).

На рис. 8.3 в помещена диаграмма, показывающая, как изменяется объем v и давление р газа (воздуха) при работе машины. Процессы переталкивания (I — II и III — IV) проходят при неизменных объемах (изохорно), а расширение при высокой температуре Тг (II — III) и сжатие при низкой Тос (I — II) — при неизменных температурах Тг и Тос. Площади на диаграмме соответственно равны: a-II-III-b — работе LI-III, отдаваемой поршнем, b-IV-I-a — работе LIV-I, затрачиваемой на его возвращение, а их разность (площадка I-II-III-IV) LII-III — полезной работе машины.

В связи с изобретением вытеснителя Стирлинг впервые ввел в технику и другое устройство, которое затем «оторвалось» от машины Стирлинга и «зажило самостоятельной жизнью», проникнув во многие отрасли техники. Более того, люди забыли не только о том, откуда оно появилось, но и фамилию того, кто его изобрел. Этим устройством является тепловой регенератор (или регенератор тепла). Началось с того, что Стирлинг заметил: при работе его двигателя воздух, проходя через кольцевой зазор между вытеснителем и цилиндром из холодной зоны в горячую и обратно, в первом случае несколько нагревался, а во втором — охлаждался. Причина этого была очевидна: горячий воздух, проходя в зазор, нагревал как стенку цилиндра, так и вытеснитель, а сам охлаждался; холодный воздух, напротив, встречаясь с горячими стенками, нагревался, охлаждая их, и т.д.

Оба эти процесса были очень полезны. Действительно, если бы холодный воздух без этого подогрева сразу попадал в горячую зону, то пришлось бы дополнительно затрачивать тепло для его нагрева в процессе I — II. Соответственно пришлось бы понижать температуру горячего воздуха в процессе III — IV за счет внешнего охладителя. Регенеративный теплообмен в зазоре между вытеснителем и стенкой цилиндра позволяет проводить процесс нагрева I — II за счет охлаждения в процессе III — IV. Чтобы этот процесс теплообмена шел по возможности полнее, Стирлинг обмотал цилиндрическую поверхность вытеснителя проволокой, которая омывалась воздухом и служила дополнительной массой, аккумулирующей тепло, как впоследствии насадка в регенераторах Френкля. В дальнейшем тепловой регенератор 7 был вынесен за пределы цилиндра, как показано на рис. 8.3 а, и соединен трубками 8 с горячей и холодной полостями. Такая конструкция позволяла как облегчить вытеснитель, так и сделать регенератор нужного размера. Вытеснитель при этом двигался в цилиндре с минимальным зазором и прогонял воздух из одной полости в другую через кольцевой регенератор. Машина-двигатель Стирлинга превзошла по КПД лучшие паровые машины того времени. Но. верхняя горячая часть цилиндра быстро прогорала, и машина выходила из строя. Паровые машины, более приспособленные к технологии того времени, постепенно совершенствовались, затем появились двигатели внутреннего сгорания. К началу нашего века и сам Стирлинг, и его машина были совершенно забыты. О них не вспоминали даже историки теплотехники.