Роберт Стирлинг, священнослужитель из Шотландии, запатентовал двигатель c одноименным названием в 1816 году. За два столетия с момента его создания двигатель практически не использовался, несмотря на многочисленные преимущества. Двигатель имеет четыре основных компонента: камера нагрева, камера охлаждения, теплообменник и кривошипно-поршневой механизм. Роберт Стирлинг создал свой первый функциональный двигатель в 1818 году, который использовался для откачки воды из карьера. Первоначально он назывался двигателем на горячем воздухом, но теперь его называют изобретатели.
Двигатели Стирлинга могут быть разработаны во многих простых формах и вариациях. Есть два основных преимущества двигателя Стирлинга, которые отличают его от других двигателей. Во-первых, двигатели Стирлинга имеют закрытую систему, поэтому им не нужно потребление воздуха извне и выхлопа, соответственно — никакого нет. Это свойство идеально подходит в условиях ограниченного пространства, такого как, например, подводная лодка, где количество воздуха ограничено. Во-вторых, нагревательная часть двигателя должна быть отделена от охлаждающей секции, что означает, что двигатель может быть спроектирован с исключительной изменчивостью конструкции. Кроме того, сгорание вообще не происходит внутри двигателя Стирлинга, поэтому блок может быть изготовлено из различных материалов. Однако, двигатель требует особенных теплопроводящих материалов для холодной и горячей секции
Более модифицированная и улучшенная версия двигателя Стирлинга появилась в 1846 году, патенты на которую были поданы на имя Роберта и его брата Джеймса Стерлинга. По сравнению с паровыми двигателями двигатель Стирлинга может достигать КПД более 50%. Эффективность двигателя Стирлинга увеличивается с увеличением разницы температур между горячим и холодным источником.
Двигатель Стирлинга не требует сгорания внутри двигателя. Высококачественные виды топлива, такие как бензин и дизельное топливо, разработаны таким образом, что они оставляют наименьшее количество частиц в двигателе. Преимущество двигателя Стирлинга заключается в том, что даже низкокачественное топливо может сжигаться снаружи, а тепло поступать в двигатель. Таким образом, можно использовать низкосортный уголь, древесину, солому и биомассу. Все, что горит, может быть использовано в качестве источника тепла.
Двигатель Стирлинга на протяжении более столетия был практически забыт лдьми совершенно напрасно. Однако с ростом востребованности возобновляемой энергии и заинтересованностью в достижении нулевого уровня выбросов углерода двигатель Стирлинга снова в центре внимания
Двигатели Стирлинга — чрезвычайно простые устройства и поэтому могут быть легко изгоовлены. В Интернете доступны модели двигателей Стирлинга различных размеров, которые можно приобрести всего за 1 тыс. руб.. Простота конструкции позволяет собрать ее даже непрофессионалу. Некоторые из двигателей настолько чувствительны, что могут работать от тепла от ладони или тепла от чайной чашки. Эти двигатели отлично подходят для демонстрации в учебном классе. Обратите внимание, что были разработаны двигатели Стирлинга с высокой чувствительностью, которые могут работать при разнице температур горячей и холодной секции — 0,5 ° C. На YouTube можно найти несколько видеороликов, в которых доступно пошаговое руководство по изготовлению двигателя из обычных деталей, встречающихся в домашнем хозяйстве.
Изотермическое расширение
Изо-хорический отвод тепла
Изотермическое сжатие
Постоянное добавление тепла
Площадь под кривой «1» минус площадь под кривой «2» соответствует проделанной работе.
Существуют три различные конфигурации двигателей Стирлинга в зависимости от того, как воздух перемещается между горячей и холодной областями. Эти конфигурации называются альфа (два цилиндра), бета (один цилиндр) и гамма (два цилиндра). Были проверены различные рабочие жидкости, включая материалы с фазовым переходом. Воздух, однако, чаще всего используется из-за его обилия. Гелий, водород, азот, метан и аммиак также пробовались на роль наполнителя. Однако все газы легче воздуха. Жидкостные поршневые двигатели Стирлинга также имеют свои определенные преимущества и изучаются. Водород из-за его низкой вязкости и высокой теплопроводности идеально подходит для термодинамического процесса, однако предотвращение утечки водорода затруднительно, и герметизация может увеличить стоимость. Из-за его низкой плотности мощности двигатели Стирлинга в основном используются в статических приложениях.
Интересные применения двигателей Стирлинга
Программа НАСА (Automotive Stirling Engine Program) привела к разработке автомобилей Stirling Engine в 1970-х годах. AMC Spirit использовался для экспериментального двигателя Стирлинга вместе с Dodge D-150, Chevrolet Celebrity и кубическим фургоном GM G-Chassis. Все автомобили были тщательно протестированы на 50 000 миль. Однако из-за отсутствия коммерческого интереса и сокращения финансирования программа была отменена. Были две основные причины подавленного энтузиазма автопроизводителей. Во-первых, двигателю потребовалось время для прогрева, а для изменения скорости также требуется слишком много времени.
В 1980-х годах шведская компания Kockums установила двигатель Stirling на подводной лодке Королевского военно-морского флота Näcken. С тех пор три другие подводные лодки в ВМС Швеции установили этот двигатель. Для подводных движений двигатель Sterling помогает сжигать жидкий кислород, хранящийся в криогенных резервуарах, с дизельным топливом. В результате сгорания создается более высокое давление внутри камеры сгорания по сравнению с давлением окружающей воды, в которой газ выпускается. Таким образом, разница в давлении обеспечивает движение. Двигатель Стирлинга также использовался ВМС Австралии для перемещения 3000-тонной подводной лодки. После Второй мировой войны Philips Electronics также разработала 90-сильный двигатель Стирлинга для морского использования.
За последнее десятилетие системы зеркальных тарелок Solar Stirling стали чрезвычайно популярным вариантом для источника работы двигателей Стирлинга в засушливых районах с достаточным количеством солнечного.
Двигатели Стирлинга являются гибкими и могут использоваться как для отопления, так и для охлаждения. Поэтому его применение в качестве теплового насоса является естественным.
Чрезвычайно интересным применением двигателя Стирлинга являются криоохладители. Двигатели Стирлинга могут использоваться для получения чрезвычайно низких температур (ниже -150 ° C). Низкая температура позволяет использовать его во многих других областях, например, для сжижения газов, для изготовления металлических сверхпроводников.
Двигатели Стирлинга также полезны для микро-ТЭЦ (комбинированного производства тепла и энергии). Небольшие мусоросжигательные заводы могут использоваться в сочетании с двигателями Стирлинга для производства электроэнергии на сжигаемых отходах.
В космосе температура спутников сильно варьируется в зависимости от положения. Спутниковая часть, обращенная к солнцу, имеет гораздо более высокую температуру по сравнению с частью, смотрящей в дальний космос. По этой причине двигатели Стирлинга считаются достаточно перспективным источником энергии на спутниках в космосе наряду с солнечными батареями.