Схема работы двигателя Стирлинга

Перечислим основные особенности работы двигателя:

1. В двигателе Стирлинга происходит преобразование тепловой энергии в механическую посредством сжатия постоянного количества рабочего тела при низкой температуре и последующего (после периода нагрева) его расширения при высокой температуре. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень совершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабатывает полезную механическую энергию.

2. В принципе при наличии регенерации необходимо только подводить тепло, чтобы не допускать охлаждения рабочего тела при его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии.

3. Необходимое изменение рабочего тела обеспечивается наличием разделенных холодной и горячей полостей, по соединительным каналам между которыми под действием поршней перемещается рабочее тело.

4. Изменения объема в этих двух полостях должны не совпадать по фазе, а получающиеся в результате циклические изменения суммарного объема в свою очередь не должны совпадать по фазе с циклическим изменением давления. Это - условие получения механической энергии на валу двигателя.

Таким образом, принцип Стирлинга – это попеременный нагрев и охлаждение заключенного в изолированном пространстве рабочего тела.

Известно, что Стирлинг использовал периодическое изменение температуры газа, применив вытеснительный поршень (в дальнейшем называемый вытеснителем). Вытеснитель заставляет перемещаться газ в одну из двух полостей цилиндра, одна из которых находится при постоянно низкой, а другая при постоянно высокой температуре. При движении вытеснителя вверх газ по каналам нагревателя и холодильника перемещается из горячей полости в холодную. При движении вытеснителя вниз газ возвращается тем же путем в горячую полость. В первом случае газ должен отдавать большое количество тепла холодильнику. Во втором - получать от нагревателя равное количество тепла. Регенератор, предназначенный для предотвращения потерь тепла, располагается между нагревателем и холодильником. Он представляет собой некую полость, заполненную пористым материалом, которому горячий газ до поступления в холодильник отдает тепло. Когда же газ течет обратно, регенератор возвращает ему запасенное тепло до того, как газ поступает в нагреватель.

Система вытеснителя, обеспечивающая периодичность нагрева и охлаждения газа, соединена с рабочим поршнем (в дальнейшем называемым поршнем), который сжимает газ в холодной полости и позволяет ему расширяться в горячей. Поскольку сжатие газа происходит в полости с более низкой температурой, чем расширение, то получается полезная работа. На рисунке показаны четыре цикла, через которые проходит вся система, предполагая, что поршень и вытеснитель двигаются прерывисто. Движения поршня и вытеснителя в двигателе практически непрерывны. Их непрерывное движение обеспечивается посредством кривошипно-шатунного механизма. В этом случае невозможно обнаружить резких границ между четырьмя стадиями цикла, и сам цикл принципиально не меняется, и его КПД не уменьшается.

Таким образом, двигатель Стирлинга представляет собой поршневую машину с внешним подводом тепла, в котором рабочее тело постоянно находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.

Предполагается, что движения поршня и вытеснителя - прерывистые. Тогда весь цикл можно разделить на четыре стадии (рис.2.):

I - Поршень находится в крайнем нижнем положении, а вытеснитель - в крайнем верхнем. Весь газ - в холодной полости;

II - Вытеснитель остается в верхнем положении. Поршень сжимает газ при низкой температуре;

III - Поршень остается в крайнем верхнем положении. Вытеснитель переталкивает газ из холодной полости в горячую;

Для подвода тепловой энергии можно использовать любой источник тепла: солнечную энергию, биотопливо, ядерную энергию, электроэнергию и проч. В качестве рабочего тела в двигателе Стирлинга обычно используется воздух, гелий или водород. Идеальный термодинамический цикл двигателя Стирлинга обладает термическим КПД, равным максимально возможному теоретическому и составляет 30-40%. КПД двигателя остается почти постоянным в широком диапазоне условий его работы. Но следует учитывать, что двигатель Стирлинга может работать с высоким КПД только при наличии эффективного регенератора. Наиболее эффективно двигатель работает при постоянных значениях скорости и мощности.

Нагрев, охлаждение и регенерация рабочего тела в двигателе осуществляется с помощью встроенных теплообменников, которые должны работать в среде, не содержащей масел, что предотвращает их засорение. В двигателе расходуется довольно малое количество смазочных материалов. Среднее давление в цилиндре, как правило, находится в пределах 10...20 МПа. При таких колебаниях давления требуется совершенная система уплотнений для предотвращения утечки рабочего тела в картер (проблема, особенно сложная при использовании гелия или водорода), а также попадания смазочных материалов в рабочие полости, что может вызвать увеличение потери давления и снижение выходной мощности.

В настоящее время в большинстве установок с двигателями Стирлинга применяется жидкое топливо из-за простоты его использования и из-за требований, обусловленных конкретным назначением установки. Для нагрева рабочего тела применяют непрерывный процесс горения, что позволяет сжигать различные виды топлива, которые, эффективно сгорая, не создают опасности попадания твердых частиц из топлива, окислителя или окружающего пространства в рабочие цилиндры. При использовании для сжигания жидкого топлива непрерывное горение можно легко регулировать, в результате чего резко снижается уровень выбросов, особенно несгоревших углеводородов и окиси углерода. Отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стирлинга и работа без периодических взрывов в цилиндрах означают, что устранены основные источники шума, как газодинамического, так и механического. Это делает двигатель Стирлинга существенно менее шумным, чем другие устройства для выработки механической энергии с возвратно-поступательным движением, и перспективным для применения в военных целях.

Отношение мощности к массе у двигателя Стирлинга сопоставимо с аналогичным показателем дизельного двигателя с турбонаддувом. Удельная мощность на выходе такая же, как и у дизельного двигателя. Крутящий момент практически не зависит от скорости. Двигатель Стирлинга реагирует на изменения нагрузки аналогично дизелю, однако требует более сложной системы регулировки, он более сложен, чем обычные тепловые двигатели. Стоимость его изготовления выше стоимости изготовления ДВС, однако, расходы на эксплуатацию гораздо меньше.