Двигатель Стирлинга.

  В 1816 г. шотландский священник Роберт Стирлинг предложил конструкцию порш­невой тепловой машины, получившей впоследствии название дви­гателя внешнего сгорания. Те­оретически цикл работы двигателя Стирлинга (или как теперь его называют — "стирлинг") ближе всего подходит к описанному на­ми ранее циклу "идеальной" тепловой машины Карно. Отсутствие в начале XIX века жаропрочных материалов (нержавеющей стали и т. п.) не позволило поднять КПД таких двигателей выше 1%. Несмотря на это, такие "стирлинги" в силу их "всеядности" и бесшумности получили некоторое распространение. Но к концу прошлого века были вытеснены более совершенными паровыми машинами и дви­гателями внутреннего сгорания. В настоящее время к ним снова возник интерес, и последние разработки позволили поднять их КПД почти до 50%. Двигатель Стирлинга состоит из двух цилиндров, снабженных поршнями, и специально­го устройства, называемого регенератором (Стирлинг называл его эконо­майзер), который располагается в трубке соединяющей эти цилиндры. Поршни связаны с валом, однако соединение должно быть выполнено столь сложным образом, что долгое время это служило основным препятствием к практической реализации двигателя. Назна­чение указанного соединения — координировать последовательность движений поршней. Один из цилиндров нагревается в результате сгорания топлива или путем электроподогрева. Другой цилиндр поддерживается в холодном состоя­нии с помощью вентилятора или потока воды. Наличие регенератора — отличительная особенность двигателя Стирлинга. Он состоит из набора металлических ребер или катушки, скрученной из проволоки, и обладает двумя особенностями. Во-первых, он не должен быть слишком хорошим проводником тепла, так как располагается между, холодным и горячим цилиндрами, а разность температур между ними должна сохраняться неизменной. Во-вторых, он должен работать как временный резервуар, поглощающий теплоту, когда через него протекает нагретый газ, и отдающий эту теплоту, когда через него протекает холодный газ. Он выполняет, таким образом, функцию регенерации: согревает холодный и охлаждает горячий газ.   

• Рабочий ход двигателя Стирлинга. На этой стадии (соответствующей переме­щению из точки А в точку В на индикаторной диаграмме) левый поршень 1 выдвигается изотермически, а правый поршень 2 остается неподвижным.
• Стадия цикла — переход от точки В к точке С. Горячий поршень 1 вдвигает­ся и одновременно холодный поршень 2 выдвигается. При этом объем рабо­чего газа сохраняется постоянным. Когда теплый газ протекает через регене­ратор, энергия расходуется на возбуждение его молекул, причем сам газ охлаждается.
• Следующая стадия цикла — переход от точки С к точке D. Теперь горячий поршень 1 покоится, а холодный поршень 2 вдвигается, при этом возбуждае­мые атомы отдают свою энергию холодильнику. Это стадия изотермического сжатия, в ходе которой производится работа над холодным газом.
• Заключительная стадия цикла — переход от точки Dк точке А. Холодный поршень 2 вдвигается, и одновременно горячий поршень 1 выдвигается. Газ перекачивается из холодного цилиндра в горячий, и его атомы приобретают состояние взбуждения при протекании через горячий регенератор (при этом последний, очевидно, охлаждается).
• Поршень в холодном (правом) цилиндре (далее будем обозначать его поршень 2) пол­ностью вдвинут, а поршень в горячем (левом) цилиндре (обозначим его поршень 1) на­половину выдвинут. Поршень 1 вдвигается, в то время как поршень 2 остается неподвиж­ным. Это рабочий ход двигателя. Коленчатый вал поворачивается, и энергия от нагревателя поступает в систему, как это происходило и в двигателе Карно. В итоге мы попадаем в точку В на диаграмме цикла.
• В точке В связь между поршнями такова, что, когда поршень 1 вдвигается в цилиндр, поршень 2 выдвигается наружу. Это сохраняет объем газа постоянным в процессе его перетекания из одного цилиндра в другой. При этом газ обладает высокой температурой, а в процессе перетекания он остывает, нагревая при этом регенератор (возбужденные атомы газа сталкиваются с атомами временного резервуара). Это охлаждение газа при постоян­ном объеме приводит к уменьшению его давления, и мы попадаем в точку С на диаграмме цикла.
• В точке С соединение Стирлинга удерживает поршень 1 в покое, в то время как поршень 2 вдвигается внутрь. При этом газ сжимается, но его температура не воз­растает, так как цилиндр соединен с холодильником. Энергия выходит наружу, и давление газа изотермически возрастает. Таким образом, мы попадаем в точку D на диаграмме цик­ла. Заметим, что в результате всех этих действий теплота переходит от нагревателя к холодильнику.
• Четвертый этап замыкает цикл. Чтобы попасть из точки D в точку А, поршень 1 выдвигается, а поршень 2 вдвигается. При этом объем газа сохраняется постоянным (линия на диаграмме цикла идет вертикально), и газ переходит из холодного цилиндра в горячий через регенератор; в процессе этого перехода газ нагревается за счет энергии, ранее за­пасенной в регенераторе. Таким образом, в результате нагревания газа регенератор одно­временно охлаждается до температуры своего начального состояния. Теперь мы вернулись в точку А — регенератор вновь готов к поглощению теплоты, и цикл может начинаться снова.
• Двигатели Стирлинга и Карно аналогичны в том, что каждый из них работает за счет отбора высококачественной энергии от нагревателя и отдачи ее холодильнику; таким образом, работа совершается за счет деградации энергии. Более того, к. п. д. обоих тепловых двигателей одинаковы при условии, что оба двигателя работают идеально и циклы совер­шаются квазистатически; при этом количество энергии, отдаваемой холодильнику во из­бежание создания большего порядка во вселенной, одинаково для обоих двигателей.
• Между этими двигателями, имеется, однако, и различие. Площадь, ограниченная на диаграмме циклом двигателя Стерлинга, превышает площадь, ограниченную циклом Карно. Это означает, что за каждый цикл двигатель Стерлинга производит больше работы (он должен при этом также поглотить больше теплоты, так что выражение для к. п. д. не ме­няется).
• Двигатель Стирлинга более производителен, но и громоздок. Поэтому первые двигатели Стерлинга были довольно бесполезными сооружениями, связь между поршнями понижала к. п. д. двигателя из-за трения, регенератор тоже был далек от совершенства. Тем не менее двигатель, который может работать на любом топливе, включая солнечную энергию, обладает очевидными пре­имуществами. Современная инженерная мысль сделала двигатели Стерлинга практически реализуемыми. В настоящее время существуют двигатели Стерлинга, способные развить мощность в 5000 л. с. (или около 3,5 МВт).
• Более того, поскольку двигатель Стирлинга работает при внешнем сгорании топлива, последнее может сжигаться полностью, а это позволяет уменьшить выбросы, загрязняю­щие среду.
• В качестве рабочего тела в двигателе Стирлинга можно было бы использовать водород, но при высоких давлениях, которые часто применяются гелий, который обладающий низкой вязкостью, и он, действительно, используется в качестве рабочего тела в космических двигателях. В космосе нагревателем служит сфокусированное солнечное излучение, а холодильником — радиатор, расположенный с теневой стороны космического аппарата.