У XIX столітті інженери почали шукати безпечну альтернативу паровим двигунам того часу, котли яких часто вибухали через високі тиски пари і невідповідних матеріалів для їх побудови. І така заміна з'явилася завдяки канадському священикові Роберту Стірлінга, який винайшов і 27 вересня 1816 року запатентував (англійський патент № 4081) новий тип двигуна зовнішнього згоряння, перетворюють в роботу будь-яку різницю температур.
Основний принцип роботи двигуна Стірлінга полягає в постійно чередуемих нагріванні і охолодженні робочого тіла в закритому циліндрі. Зазвичай в ролі робочого тіла виступає повітря, але також використовуються водень і гелій.
Цикл роботи двигуна Стірлінга складається з чотирьох фаз і розділений двома перехідними фазами: нагрів, розширення, перехід до джерела холоду, охолодження, стиснення і перехід до джерела тепла. Таким чином, при переході від теплого джерела до холодного джерела відбувається розширення і стиснення газу, що знаходиться в циліндрі. При цьому змінюється тиск, за рахунок чого можна отримати корисну роботу. Оскільки теоретичні пояснення доля вчених мужів, слухати їх часом втомлює, тому перейдемо до наочної демонстрації роботи двигуна Стерлінга.
Як працює двигун Стірлінга
- Зовнішнє джерело тепла нагріває газ в нижній частині теплообмінного циліндра. Створюваний тиск штовхає робочий поршень вгору.
- Маховик штовхає витіснювальний поршень вниз, тим самим переміщаючи розігрітий повітря з нижньої частини в охолоджувальну камеру.
- Повітря охолоджується і стискається, робочий поршень опускається вниз.
- Витіснювальний поршень піднімається вгору, тим самим переміщаючи охолоджене повітря в нижню частину. І цикл повторюється.
У машині Стірлінга рух робочого поршня зрушено на 90 градусів щодо руху поршня-витискувача. Залежно від знака цього зсуву машина може бути двигуном або тепловим насосом. При зсуві 0 градусів машина не робить ніякої роботи (крім втрат на тертя) і не виробляє її.
Ще одним винаходом Стірлінга, що збільшило ККД двигуна став регенератор, який являє собою камеру, заповнену дротом, гранулами, гофрованої фольгою для поліпшення тепловіддачі проходить газу (на малюнку регенератор замінений ребрами радіатора охолодження).
У 1843 році Джеймс Стірлінг використовував цей двигун на заводі, де він в той час працював інженером. У 1938 році фірма «Філіпс» інвестувала в двигун Стірлінга потужністю понад двісті кінських сил і віддачею більш 30%.
Переваги двигуна Стірлінга:
1. Всеїдність. Можна використовувати будь-яке паливо, головне створити різницю температур.
2. Низька гучність. Оскільки робота побудована на перепаді тиску робочої рідини, а не на підпалі суміші, то гучність в порівнянні з двигуном внутрішнього згоряння істотно нижче.
3. Простота конструкції, звідси високий запас міцності.
Однак всі ці достоїнства в більшості випадків перекреслюються двома великими недоліками:
1. Великі габарити. Робоче тіло необхідно охолоджувати, і це призводить до істотного збільшення маси і розмірів за рахунок збільшених радіаторів.
2. Низький ККД. Тепло підводиться ні до робочого тіла безпосередньо, а тільки через стінки теплообмінників, відповідно втрати ККД великі.
З розвитком двигуна внутрішнього згоряння двигун Стірлінга пішов ... немає не в минуле, а в тінь. Він з успіхом експлуатується в якості допоміжних силових установок на підводних човнах, в теплових насосах на теплоелектростанціях, як перетворювачі сонячної і геотермальної енергії в електричну, з ним пов'язані космічні проекти зі створення силових установок працюють на радіоізотопному паливі (радіоактивний розпад відбувається з виділенням температури, хто не знав) .Хто знає, можливо одного разу двигун Стірлінга чекає велике майбутнє!