Дви’гатель Сти’рлинга — 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.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 P — 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.
где: a — вытеснительный поршень; b — рабочий поршень; с — маховик; d — огонь (область нагревания); e — охлаждающие ребра (область охлаждения);
1) Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень не плотно прилегает к стенкам).
2) Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части, в охлаждающую камеру.
3) Воздух остывает и сжимается, создавая обратное усилие на рабочий поршень, тем самым опуская его вниз.
4) Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.
Основной недостаток двигателей внешнего сгорания вообще 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 1960-х годов военно-морские справочники указывали на возможность установки на подводных лодках типа «Шёурмен» производства Швеции воздухонезависимых двигателей Стирлинга. Однако ни «Шёурмены», ни последовавшие за ними «Наккены» и «Вестеръётланды» 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 10 000 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 непрерывно до 20 суток. В настоящее время все подводные лодки ВМС Швеции оснащены двигателями Стирлинга.
Американская компания Infinia до конца текущего года рассчитывает завершить разработку конструкции новых электрогенераторов для развивающихся стран, построенных на основе двигателей Стирлинга.
Как сообщает CNET News, в установке Infinia будет применяться специальная «тарелка» для аккумуляции солнечной энергии, которая будет нагревать газ и приводить в действие двигатель Стирлинга. Мощность всей установки составит около трёх киловатт. Коммерческие поставки электрогенераторов компания Infinia планирует начать в 2008 году. Об их стоимости пока ничего не сообщается.
Самодельные двигатели Стирлинга
Эти потрясающие двигатели Стирлинга делает один голландец, скрывающийся под ником «Jos the Finch».
Конкретно эти двигатели работают от тепла, создаваемого свечами, и в зависимости от их количества, некоторые из них могут работать в течение нескольких часов.
Источник: //oko-planet.su/science/scienceclassic/3010-dvigatel-stirlinga..html