Двигатель стирлинга

Двигатель с внешним подводом теплоты, тепловой поршневой двигатель, в замкнутом объеме которого циркулирует постоянное рабочее тело (газ), нагреваемое от внешнего источника тепла и совершающее полезную работу за счет своего расширения. Изобретен в 1816 г. шотландским священником Р. Стирлингом. Первый Д. С. построен в 1845 г. Позднее идею Стирлинга использовал шведский инженер Дж. Эриксон, который изменил рабочий процесс (тепло к газу подводилось не при постоянном объеме, как у Стирлинга, а при постоянном давлении) и несколько усовершенствовал конструкцию. В 1852 г. Эриксоном было построено судно с 4 такими двигателями, однако распространения этот двигатель не получил. В связи с быстрым развитием паровых машин и в дальнейшем двигателей внутреннего сгорания интерес к Д. С. временно пропал. Исследования и промышленная разработка Д. С. вновь развернулись только в 60-х гг. XX в. на новой научнотехнической основе. Принцип действия Д. С. аналогичен принципу действия двигателя внутреннего сгорания (ДВС): полезная работа совершается за счет того, что на сжатие холодного газа затрачивается меньше механической работы, чем на расширение горячего газа. Однако наличие внешнего источника тепла и постоянство рабочего тела обусловливают конструктивные различия этих двигателей. В отличие от ДВС Д. С. имеет в цилиндре 2 переменные по объему полости - горячую и холодную. Рабочее тело сжимается в холодной полости и поступает в горячую, затем после нагрева газ движется в обратном направлении и поступает в холодную полость, где, расширяясь, производит полезную работу. Такое двустороннее движение газа обеспечивается наличием 2 поршней в каждом цилиндре: поршня-вытеснителя, регулирующего перетекание газа, и рабочего поршня, совершающего полезную работу. Объем горячей полости в верхней части цилиндра регулируется поршнем-вытеснителем, а объем холодной полости, находящейся между обоими поршнями, - их совместным перемещением. Оба поршня связаны механически и совершают согласованное движение, обеспечиваемое специальным механизмом, одновременно заменяющим кривошипно-шатунный механизм ДВС. При работе Д. С. можно выделить 4 основных последовательных положения поршней, определяющих рабочий цикл двигателя: А - рабочий поршень в крайнем нижнем положении, поршень-вытеснитель - в крайнем верхнем. При этом большая часть газа находится между ними в холодном пространстве (охлаждение); Б - поршень-вытеснитель находится в верхнем положении, а рабочий поршень движется вверх, сжимая холодный газ (сжатие); В - поршень-вытеснитель движется вниз, приближаясь к рабочему поршню и вытесняя газ в горячую полость (нагревание); Г - горячий газ расширяется, совершая полезную работу воздействием на рабочий поршень (расширение). На пути газа устанавливается регенератор, который отбирает часть тепла при движении через него горячего газа и отдает его при его движении после охлаждения и сжатия в обратную сторону. Наличие регенератора теоретически позволяет довести КПД Д. С. до 70 % и более. Регулирование мощности двигателя достигается изменением количества газа. В качестве рабочего тела могут применяться газы с высокими теплотехническими свойствами (водород, гелий, воздух и др.). Главные особенности Д. С. - возможность применения любого источника тепла (жидкого, твердого, газообразного и ядерного топлива, солнечной энергии и т. д.); работа в большом диапазоне температур при малом перепаде давления сжатия и расширения; регулирование мощности путем изменения количества рабочего тела в цикле при неизменных высшей и низшей температурах газа. Эти особенности обеспечивают такие преимущества Д. С. перед тепловыми двигателями других типов, как многотопливность и малая токсичность продуктов сгорания топлива; малошумность и хорошая уравновешенность; высокий КПД на режимах малых мощностей.