Изобретение, о котором пойдет рассказ, родилось сто пятьдесят лет назад. Его отец — шотландский священник Роберт Стирлинг — присвоил своему детищу имя «Воздушный Тепловой Двигатель». Ребенок оказался неуклюжим, капризным и маломощном. Он не смог соперничать с всесильной в те годы паровой машиной. Его забыли.
Вторично двигатель Стирлинга родился накануне второй мировой войны. Голландская радиофирма искала удобные источники электроэнергии для радиоаппаратуры, поставляемой в отдаленные уголки земного шара. Приспособить бензиновые движки? Значит, везти за тридевять земель бензин. Снабжать радиоаппаратуру сухими батареями? Громоздкие, тяжелые батареи — тоже не выход из положения.
Вспомнили про двигатель Стирлинга. Но ведь в свое время из двигателя «выжимали» всего лишь три процента полезного действия. Опытные инженеры все же сели за расчеты. Шотландский священник не знал термодинамики, такая наука в его время еще не существовала. Теперь теоретически получили поразительный результат. «Стирлинг» (так назвали вторично рождаемый двигатель по аналогии с «дизелем») может иметь кпд 70% ! Неслыханно! Сенсационно!
Началась война. Тайком от немцев голландцы построили первые стирлинги с кпд 40%. Как видите, это не был семидесяти процентный теоретический потолок. Но вспомним, что лучшие образцы газовых турбин имеют кпд около 25%, авиационные бензиновые моторы, в которых конструкторские хитрости использованы до предела, могут похвастаться своим кпд в пределах 30%.
А уже после войны, в 50-е годы, специалистов, работающих над проблемами сжижения газов, взбудоражило известие о том, что в Голландии создана очень простая, умещающаяся на письменном столе машина, сжижающая пять литров воздуха в час. Многие не поверили. Ведь сжижение газов происходит в сложных громоздких установках, состоящих из компрессоров, детандеров, теплообменников Но сообщение оказалось верным. Высокоэкономичная «газовая холодильная машина» существовала и работала .. по такому же циклу, как и двигатель Стирлинга. Точнее, то был просто стирлинг, работающий «наоборот». Не он приводил в действие какой-либо механизм, а, наоборот, электродвигатель раскручивал его. При этом головка двигателя (та его часть, которую при обычной работе стирлинг; нагревают) охлаждалась до —1900 С. И опять теоретики пришли к инженерам с удивительными выкладками: для сжижения воздуха, азота и водорода нет машины более эффективной, чем стирлинг-холодильник. Причем стирлинг в новой роли позволяет получать любую температуру в пределах от 0 до —2000 С. Такими достоинствами другие установки для получения низких температур не обладают.
Наши предки знали, что стирлинг—-это машина-оборотень, умеющая работать и как двигатель и как холодильник. Еще в 1862 году построили такую газовую холодильную машину. Построили… и забросили. Слишком несовершенной она тогда оказалась.
Но вернемся к стирлингу-двигателю. Чем отличается он от двигателей внутреннего сгорания? Тем, что внутри цилиндра стирлинга ничего не взрывается, ничего не горит, не воспламеняется. Тепло к цилиндру подводится снаружи. Это «двигатель внешнего сгорания». Или еще точнее — внешнего нагревания. Головку двигателя можно нагревать солнечными лучами, атомным реактором или… дровами. Один и тот же мотор будет работать на любом виде топлива — от твердого до газообразного. Если двигатель внутреннего сгорания нуждается а специально подготовленном, очищенном, отфильтрованном топливе, то стирлинг довольствуется соломой, углем, древесными отходами, любым топливом, какое только подвернется под руку. А маленькая
моделька стирлинга работает от тепла ладони.
Подробно цикл работы стирлинга показан на рисунке ниже.
Так работал первый стирлинг.
Сейчас на атомных кораблях энергия атома проходит длинную цепь превращений: реактор греет теплоноситель, теплоноситель — воду, вода превращается в пар, пар вращает генератор, ток от генератора приводит в действие электродвигатель, тот вращает винт. А стирлинг можно просто прислонить головкой к горячей стенке атомного реактора, и он непосредственно будет вращать винт. Хочешь — плыви на поверхности, хочешь — под водой: Стирлингу не надо воздуха, у него нет отравляющих атмосферу выхлопных газов. Еще одно достоинство такой установки — очень просто перейти с ядерного горючего на обычное топливо. Пришел корабль в порт — реактор выключают, двигатель продолжает трудиться на жидком топливе. Моряки считают, что стирлииги постепенно «завоюют» флот.
Теперь вспомним, что есть вещества, поглощающие при плавлении очень много тепла. Например, фтористый литий, гидрид лития, окись алюминия. Семь литров расплавленной окиси алюминия, только застывая, отдают столько тепла, сколько получается при сжигании литра бензина. Значит, вместо бака с горючим можно приспособить к Стирлингу ящик с расплавленным веществом — тепловой аккумулятор. Действительно, уже работает грузовой мотороллер мощностью в 3 л. с. В его аккумулятор заливают ведро расплавленного фтористого лития. Стирлинговые мотороллеры, не знающие электрических искр и раскаленных выхлопных газов, станут незаменимыми для цехов со взрывоопасной атмосферой и в шахтах.
Стирлинги с тепловым аккумулятором из гидрида лития уже побывали на искусственном спутнике Земли. Когда спутник летит над освещенной Солнцем стороной Земли, работают солнечные батареи, а гидрид лития под жаркими лучами плавится, накапливая тепло. Когда спутник попадает в тень Земли, заступает на вахту стирлинг. Сменяя солнечные батареи, он начинает работать за счет тепла гидрида лития и снабжает током аппаратуру спутника.
Учитывая житейскую мудрость: «все на свете относительно», можно заставить стирлинг работать в космосе, «нагревая» его головку только до 0° С. Ведь для двигателя важна разница, перепад температур, а в космосе температура окружающего пространства значительно ниже нуля.
И еще одно достоинство Стирлингов: подогрев рабочего газа внутри цилиндра идет у них постепенно, а не взрывоподобно, как у двигателей внутреннего сгорания. Поэтому работает он плавно и почти бесшумно. А работа без вибрации и толчков — залог невероятной долговечности.
Плохо, когда слишком нервный или просто несдержанный человек «заводится с полуоборота». Но для двигателей такой «характер» — недостижимый идеал. Все знают, как мучаются зимой шоферы, пытаясь заставить биться сердца своих машин. А стирлинг в любую погоду запускается мгновенно, стоит только чуть подогреть его головку.
Конечно, есть у нового двигателя и недостатки. Больное его место — отвод тепла в окружающее пространство. Он требует радиатора-охладителя в 2,5 раза большего, чем обычный двигатель внутреннего сгорания. Некоторых инженеров пугает мудреный вид кривошипного механизма. Но… и на Солнце есть пятна!
Источник: //polyus.clan.su/news/dvigatel_sterlinga_ili_mashina_oboroten/2013-03-18-60