Тож у чому проблеми виготовлення двигуна Стірлінга з високим ККД? Двигун Стірлінга (1 гіф).

Менш ніж сто років тому двигуни внутрішнього згоряннянамагалися завоювати своє законне місце в конкурентній боротьбі серед інших існуючих машин і механізмів, що рухаються. При цьому в ті часи перевага бензинового двигуна не була настільки очевидною. Існуючі машинина парових двигунах відрізнялися безшумністю, чудовими на той час характеристиками потужності, простотою обслуговування, можливістю використання. різного видупалива. У подальшій боротьбі за ринок двигуни внутрішнього згоряння завдяки своїй економічності, надійності та простоті взяли гору.

Подальші перегони за вдосконалення агрегатів та рушійних механізмів, до яких у середині 20 століття вступили газові турбіниі роторні різновиди двигунів, призвела до того, що незважаючи на верховенство бензинового двигуна були спроби ввести на «ігрове поле» абсолютно новий вид двигунів - тепловий, вперше винайдений у далекому 1861 шотландським священиком на ім'я Роберт Стірлінг. Двигун отримав назву свого творця.

Двигун Стірлінга: фізична сторона питання

Для розуміння, як працює настільна електростанція на Стірлінгуслід розуміти загальні відомостіпро засади роботи теплових двигунів. Фізично принцип дії полягає у використанні механічної енергії, яка виходить при розширенні газу при нагріванні та його подальшому стисканні при охолодженні. Для демонстрації принципу роботи можна навести приклад на основі звичайної пластикової пляшки та двох каструль, в одній із яких знаходиться холодна вода, в іншій гаряча.

При опусканні пляшки в холодну воду, температура якої близька до температури утворення льоду при достатньому охолодженні повітря всередині пластикової ємності слід закрити пробкою. Далі, при приміщенні пляшки окропу, через деякий час пробка з силою «вистрілює», оскільки в даному випадкунагрітим повітрям була виконана робота у багато разів більша, ніж відбувається при охолодженні. При багаторазовому повторенні досвіду результат не змінюється.

Перші машини, побудовані з використанням двигуна Стірлінга, з точністю відтворювали процес, що демонструється в досвіді. Природно, механізм вимагав удосконалення, що полягає у застосуванні частини тепла, яке втрачав газ у процесі охолодження для подальшого підігріву, дозволяючи повертати тепло газу для прискорення нагрівання.

Але навіть застосування цього нововведення не могло врятувати стан справ, оскільки перші «Стирлінги» відрізнялися великими розмірами при малій потужності, що виробляється. Надалі неодноразово робилися спроби модернізувати конструкцію для досягнення потужності 250 к.с. приводили до того, що за наявності циліндра діаметром 4,2 метра реальна вихідна потужність, яку видавала електростанція на Стірлінг (Stirling) в 183 кВт насправді становила всього 73 кВт.

Всі двигуни Стірлінга працюють за принципом циклу Стірлінга, що включає чотири основні фази і дві проміжні. Основними є нагрівання, розширення, охолодження та стиск. Як стадія переходу розглядаються перехід до генератора холоду і перехід до нагрівального елемента. Корисна робота, що здійснюється двигуном, будується виключно на різниці температур нагріваючої та охолоджуючої частин.

Сучасні конфігурації Стірлінга

Сучасна інженерія розрізняє три основні види подібних двигунів:

• альфа-стирлінг, відмінність якого у двох активних поршнях, розташованих у самостійних циліндрах. З усіх трьох варіантів дана модельвідрізняється самої високою потужністю, володіючи найвищою температурою поршня, що нагрівається;
• бета-стирлінг, що базується на одному циліндрі, одна частина якого гаряча, а друга холодна;
• гамма-стирлінг, що має крім поршня ще й витіснювач.

Виробництво електростанції на Стірлінгу залежатиме від вибору моделі двигуна, що дозволить врахувати всю позитивну і негативні сторониподібного проекту.

Переваги і недоліки

Завдяки своїм конструктивним особливостямці двигуни мають ряд переваг, але при цьому не позбавлені недоліків.

Настільна електростанція Стірлінга, яку неможливо в магазині, а лише у любителів, які самостійно здійснюють збір подібних пристроїв, відносяться:

• великі розміри, що викликані потребою до постійного охолодження працюючого поршня;
• використання високого тиску, що потрібно для покращення характеристик та потужності двигуна;
• втрата тепла, яка відбувається за рахунок того, що тепло, що виділяється, передається не на саме робоче тіло, а через систему теплообмінників, чий нагрівання призводить до втрати ККД;
• різке зниженняпотужності вимагає застосування особливих принципів, що відрізняються від традиційних для бензинових двигунів.

Поряд з недоліками, електростанції, що функціонують на агрегатах Стірлінга, мають незаперечні плюси:

• будь-який вид палива, оскільки будь-які двигуни, що використовують енергію тепла, даний двигунздатний функціонувати за різниці температур будь-якого середовища;
• економічність. Дані апарати можуть стати чудовою заміною паровим агрегатам у разі необхідності переробки енергії сонця, видаючи ККД на 30% вище;
• екологічна безпека. Оскільки настільна електростанція кВт не створює вихлопного моменту, вона не робить шуму і не викидає в атмосферу шкідливих речовин. Як джерело отримання потужності виступає звичайне тепло, а паливо вигоряє практично повністю;
• конструктивна простота. Для своєї роботи Стірлінг не вимагатиме додаткових деталей або пристроїв. Він здатний самостійно запускатись без використання стартера;
• підвищений ресурс працездатності Завдяки своїй простоті двигун може забезпечити не одну сотню годин безперервної експлуатації.

Області застосування двигунів Стірлінга

Мотор Стірлінга найчастіше застосовується в ситуаціях, коли потрібен апарат для перетворення теплової енергії, що відрізняється простотою, при цьому ефективність інших видів теплових агрегатів істотно нижча за аналогічних умов. Дуже часто подібні агрегати застосовуються у харчуванні насосного обладнання, холодильних камер, підводних човнів, батарей, що акумулюють енергію.

Відео матеріал: YouTube.com/watch?v=fRY6rkuw3LA

Одним із перспективних напрямків області використання двигунів Стірлінга є сонячні електростанції, оскільки даний агрегат може вдало застосовуватися для того, щоб перетворювати енергію сонячних променів на електричну. Для здійснення цього процесу двигун поміщається у фокус дзеркала, що акумулює сонячне проміння, що забезпечує перманентне освітлення області, що потребує нагрівання. Це дозволяє сфокусувати сонячну енергію на малій площі. Паливом для двигуна у разі служить гелії чи водень.

Сучасне автомобілебудування вийшло на такий рівень розвитку, за якого без фундаментальних наукових дослідженьпрактично неможливо досягти кардинальних поліпшень конструкції традиційних моторів внутрішнього згоряння. Така ситуація змушує конструкторів звернути увагу на альтернативні проекти силових установок. Одні інженерні центри зосередили свої сили на створенні та адаптації до серійного випуску гібридних та електричних моделейІнші автоконцерни вкладають кошти в розробку двигунів на паливі з відновлюваних джерел (наприклад, біодизель на рапсовій олії). Існують і інші проекти силових агрегатів, які в перспективі можуть стати новим стандартним рушієм. транспортних засобів.

Серед можливих джерел механічної енергії для автомобілів майбутнього слід назвати двигун зовнішнього згоряння, який був винайдений в середині XIX століття шотландцем Робертом Стірлінгом як теплова розширювальна машина.

Схема роботи

Двигун Стірлінга перетворює теплову енергію, що підводиться ззовні, на корисну механічну роботуза рахунок зміни температури робочого тіла(газу або рідини), що циркулює в замкнутому обсязі.

У загальному виглядісхема роботи пристрою виглядає так: у нижній частині двигуна робоча речовина (наприклад, повітря) нагрівається і, збільшуючись в об'ємі, виштовхує поршень вгору. Гаряче повітря проникає у верхню частину двигуна, де охолоджується радіатором. Тиск робочого тіла знижується, поршень опускається наступного циклу. При цьому система герметична та робоча речовина не витрачається, а лише переміщається усередині циліндра.

Існує кілька варіантів конструкції силових агрегатів, які використовують принцип Стірлінга.

Стірлінг модифікації «Альфа»

Двигун складається з двох роздільних силових поршнів (гарячого та холодного), кожен з яких знаходиться у своєму циліндрі. До циліндра з гарячим поршнем підводиться тепло, а холодний циліндр розташований в теплообміннику, що охолоджує.

Стірлінг модифікації «Бета»

Циліндр, в якому знаходиться поршень, нагрівається з одного боку та охолоджується з протилежного кінця. У циліндрі рухається силовий поршень і витискувач, призначений зміни обсягу робочого газу. Зворотне переміщення остиглої робочої речовини в гарячу порожнину двигуна виконує регенератор.

Стірлінг модифікації «Гамма»

Конструкція складається із двох циліндрів. Перший - повністю холодний, у якому рухається силовий поршень, а другий, гарячий з одного боку та холодний з іншого, служить для переміщення витіснювача. Регенератор для циркуляції холодного газу може бути загальним для обох циліндрів або входити в конструкцію витіснювача.

Переваги двигуна Стірлінга

Як і більшість моторів зовнішнього згоряння, Стірлінгу властива багатопаливність: двигун працює від перепаду температури, незалежно від причин, що його викликали.

Цікавий факт!Якось було продемонстровано установку, яка функціонувала на двадцяти варіантах палива. Без зупинки двигуна у зовнішню камеру згоряння подавалися бензин, дизельне паливо, метан, сира нафта та рослинна олія - ​​силовий агрегат продовжував стійко працювати.

Двигун має простотою конструкціїі не вимагає додаткових системі навісного обладнання(ГРМ, стартер, коробка).

Особливості пристрою гарантують тривалий експлуатаційний ресурс: понад сто тисяч годин безперервної роботи.

Двигун Стірлінга безшумний, тому що в циліндрах не відбувається детонація і відсутня необхідність виведення відпрацьованих газів. Модифікація "Бета", оснащена ромбічним кривошипно-шатунним механізмом, є ідеально збалансованою системою, яка в процесі роботи не має вібрацій.

У циліндрах двигуна не відбуваються процеси, які можуть негативно вплинути на навколишнє середовище. При виборі відповідного джерела тепла (наприклад, сонячна енергія) Стірлінг може бути абсолютно екологічно чистимсиловим агрегатом.

Недоліки конструкції Стірлінга

При всьому наборі позитивних властивостейнегайне масове застосування двигунів Стірлінга неможливе наступних причин:

Основна проблема полягає у матеріаломісткості конструкції. Охолодження робочого тіла вимагає наявності радіаторів великого об'єму, що суттєво збільшує розміри та металоємність виготовлення установки.

Нинішній технологічний рівень дозволить двигуну Стірлінга зрівнятися за характеристиками із сучасними. бензиновими моторамитільки за рахунок застосування складних видів робочого тіла (гелій або водень), що перебувають під тиском понад сто атмосфер. Цей факт викликає серйозні питання як у галузі матеріалознавства, так і забезпечення безпеки користувачів.

Важлива експлуатаційна проблема пов'язана з питаннями теплопровідності та температурної стійкості металів. Тепло підводиться до робочого об'єму через теплообмінники, що призводить до неминучих втрат. Крім того, теплообмінник має бути виготовлений із термостійких металів, стійких до високого тиску. Відповідні матеріалидуже дорогі та складні в обробці.

Принципи зміни режимів двигуна Стірлінга також кардинально відрізняються від традиційних, що вимагає розробки спеціальних пристроїв, що управляють. Так, для зміни потужності необхідно змінити тиск у циліндрах, кут фаз між витіснювачем та силовим поршнем або вплинути на ємність порожнини з робочим тілом.

Один із способів керування швидкістю обертання валу на моделі двигуна Стірлінга можна побачити на наступному відео:

Коефіцієнт корисної дії

У теоретичних розрахунках ефективність двигуна Стірлінга залежить від різниці температур робочого тіла і може досягати 70% і більше відповідно до циклу Карно.

Однак перші реалізовані в металі зразки мали вкрай не високим ККДз наступних причин:

• неефективні варіанти теплоносія (робочого тіла), що обмежують максимальну температуру нагрівання;
• втрати енергії на тертя деталей та теплопровідність корпусу двигуна;
• відсутність конструкційних матеріалів, стійких до високого тиску.

Інженерні рішення постійно вдосконалювали пристрій силового агрегату. Так, у другій половині XX століття чотирициліндровий автомобільний двигун Стірлінга з ромбічним приводом показав на випробуваннях ККД рівний 35%на водному теплоносії з температурою 55 °C. Ретельне опрацювання конструкції, застосування нових матеріалів та доведення робочих вузлів забезпечили ККД експериментальних зразків у 39%.

Примітка! Сучасні бензинові двигунианалогічної потужності мають коефіцієнт корисної діїна рівні 28-30%, а турбовані дизелі не більше 32-35%.

Сучасні зразки двигуна Стірлінга, такі, як створений американською компанією Mechanical Technology Inc, демонструють ефективність до 43,5%. А з освоєнням випуску жароміцної кераміки та аналогічних інноваційних матеріалів з'явиться можливість значного підвищення температури робочого середовища та досягнення ККД у 60%.

Приклади успішної реалізації автомобільних стірлінгів

Незважаючи на всі складнощі, відомо чимало працездатних моделей двигуна Стірлінга, які застосовуються для автомобілебудування.

Зацікавленість у Стірлінгу, який підходить для установки в автомобіль, з'явилася в 50-ті роки XX століття. Роботу в цьому напрямку вели такі концерни, як Ford Motor Company, Volkswagen Groupта інші.

Компанія UNITED STIRLING (Швеція) розробила Стірлінг, в якому максимально використовувалися серійні вузли та агрегати, що випускаються автовиробниками. колінчастий вал, Шатуни). Чотирициліндровий V-подібний мотор, що вийшов в результаті, володів питомою масою 2,4 кг/кВт, що порівняно з характеристиками компактного дизеля. Цей агрегат був успішно випробуваний як силової установкисемитонний вантажний фургон.

Одним із успішних зразків є чотирициліндровий двигун Стірлінга нідерландського виробництва моделі «Philips 4-125DA», що призначався для встановлення на легковий автомобіль. Двигун мав робочу потужність 173 л. с. у розмірах, аналогічних класичному бензиновому агрегату.

Значних результатів досягли інженери компанії General Motors, побудувавши у 70-х роках восьмициліндровий (4 робочі та 4 компресійні циліндри) V-подібний двигунСтірлінгу зі стандартним кривошипно-шатунним механізмом.

Аналогічною силовою установкою у 1972 році оснащувалась обмежена серія автомобілів Ford Torino, витрата палива у якої знизилася на 25% порівняно з класичною бензиновою V-подібною вісімкою.

Нині понад півсотні зарубіжних компаній ведуть роботи з удосконалення конструкції двигуна Стірлінга з метою його адаптації до масового випуску потреб автомобілебудування. І якщо вдасться усунути недоліки даного типудвигунів, водночас зберігши його переваги, то саме Стірлінг, а не турбіни та електромотори, прийде на зміну бензиновим ДВС.

Цикл Стірлінга вважається неодмінною приналежністю саме двигуна Стірлінга. У той же час, детальне вивчення принципів роботи безлічі створених на сьогоднішній день конструкцій показує, що значна частина з них має робочий цикл, відмінний від циклу Стірлінга. Наприклад, альфа-стирлінг з поршнями різного діаметра має цикл, більш схожий на цикл Ерікссона. Бета-і гамма-конфігурації, що мають досить великий діаметр штока у поршня-витіснювача, також займають деяке проміжне положення між циклами Стірлінга та Ерікссона.

При русі витискувача в бета-конфігурації зміна стану робочого тіла відбувається не по ізохору, а по похилій лінії, проміжній між ізохорою та ізобарою. При деякому відношенні діаметра штока до загального діаметра витіснювача можна отримати ізобару (це відношення залежить від робочих температур). І тут поршень, який раніше був робітником, грає лише допоміжну роль, а справжнім робітником стає шток витіснювача. Питома потужність такого двигуна виявляється приблизно в 2 рази більшою, ніж у звичних стирлінгах, нижче за втрати на тертя, тому що тиск на поршень більш рівномірно. Схожа картина в альфа-стирлінгах з різним діаметром поршнів. Двигун з проміжною діаграмою може мати навантаження, рівномірно розподілене між поршнями, тобто між робочим поршнем і штоком витіснювача.

Важливою перевагоюроботи двигуна за циклом Ерікссона або близького до нього є те, що ізохора замінена на ізобару або близький до неї процес. При розширенні робочого тіла по ізобарі немає ніяких змін тиску, ніякого теплообміну, крім передачі тепла від рекуператора робочому тілу. І це нагрівання відразу робить корисну роботу При ізобарному стиску відбувається віддача тепла рекуператору.
У циклі Стірлінга при нагріванні або охолодженні робочого тіла по ізохору відбуваються втрати тепла, пов'язані з ізотермічними процесами в нагрівачі та охолоджувачі.

Конфігурація

Інженери поділяють двигуни Стірлінга на три різних типу:

• Альфа-Стірлінг- Містить два роздільних силових поршня в роздільних циліндрах. Один поршень – гарячий, інший – холодний. Циліндр з гарячим поршнем знаходиться в теплообміннику з вищою температурою, тоді як циліндр з холодним поршнем знаходиться в більш холодному теплообміннику. У даного типу двигуна відношення потужності до об'єму досить велике, але, на жаль, висока температура гарячого поршня створює певні технічні проблеми.

Регенератор знаходиться між гарячою частиною сполучної трубки та холодною.

• Бета-Стірлінг- Циліндр всього один, гарячий з одного кінця і холодний з іншого. Усередині циліндра рухаються поршень (з якого знімається потужність) і «витіснювач», що змінює об'єм гарячої порожнини. Газ перекачується з холодної частини циліндра гарячу через регенератор. Регенератор може бути зовнішнім, як частина теплообмінника, або може бути поєднаний з поршнем-витіснячем.

• Гамма-Стірлінг- теж є поршень і «витіснювач», але при цьому два циліндри – один холодний (там рухається поршень, з якого знімається потужність), а другий гарячий з одного кінця і холодний з іншого (там рухається «витіснювач»). Регенератор може бути зовнішнім, у цьому випадку він з'єднує гарячу частинудругого циліндра з холодною та одночасно з першим (холодним) циліндром. Внутрішній регенератор є частиною витіснювача.

Також існують різновиди двигуна Стірлінга, що не потрапляють під вищезгадані три класичні типи:

• Роторний двигун Стірлінга- вирішено проблеми герметичності (патент Мухіна на герметичний введення обертання (ГВВ), срібна медаль на міжнародній виставціу Брюсселі «Еврика-96») та громіздкості (немає кривошипно-шатунного механізму, тому що двигун роторний).

Недоліки

• Матеріаломісткість- Основний недолік двигуна. У двигунів зовнішнього згоряння взагалі, і двигуна Стірлінга, зокрема, робоче тіло необхідно охолоджувати, і це призводить до істотного збільшення масо-габаритних показників силової установки за рахунок збільшених радіаторів.

• Для отримання характеристик, які можна порівняти з характеристиками ДВС, доводиться застосовувати високі тиски (понад 100 атм) та спеціальні види робочого тіла- Водень, гелій.

• Тепло не підводиться до робочого тіла безпосередньо, А лише через стінки теплообмінників. Стінки мають обмежену теплопровідність, через що ККД виявляється нижчим, ніж можна було очікувати. Гарячий теплобменник працює в дуже напружених умовах теплопередачі, і при дуже високих тисках, що вимагає застосування високоякісних та дорогих матеріалів. Створення теплообмінника, який би задовольняв суперечливим вимогам, дуже важко. Чим вище площа теплообміну, тим менше втрата тепла. При цьому зростає розмір теплообмінника та обсяг робочого тіла, який не бере участі в роботі. Оскільки джерело тепла розташоване зовні, двигун повільно реагує на зміну теплового потоку, що підводиться до циліндра, і не відразу може видати потрібну потужність при запуску.

• Для швидкої зміни потужності двигуна використовуються методи, відмінні від тих, що застосовувалися у двигунах внутрішнього згоряння:буферна ємність об'єму, що змінюється, зміна середнього тиску робочого тіла в камерах, зміна фазного кута між робочим поршнем і витіснювачем. В останньому випадку реакція двигуна на дію водія, що управляє, є практично миттєвою.

Переваги

Проте двигун Стірлінга має переваги, які змушують займатися його розробкою.

• «Всеїдність» двигуна- як усі двигуни зовнішнього згоряння (вірніше - зовнішнього підведення тепла), двигун Стірлінга може працювати від майже будь-якого перепаду температур: наприклад, між різними шарами води в океані, від сонця, від ядерного або ізотопного нагрівача, вугільної або дров'яної печі і т.д. .
• Простота конструкції- конструкція двигуна дуже проста, він не потребує додаткових систем, таких як газорозподільний механізм. Він запускається самостійно і не потребує стартера. Його характеристики дозволяють позбавитися коробки передач. Однак, як уже зазначалося вище, він має більшу матеріаломісткість.
• Збільшений ресурс- простота конструкції, відсутність багатьох «ніжних» агрегатів дозволяє стирлінгу забезпечити небувалий для інших двигунів ресурс у десятки та сотні тисяч годин безперервної роботи.
• Економічність- у разі перетворення на електрику сонячної енергії стирлінги іноді дають більший ККД (до 31,25 %), ніж теплові машини на пару.
• Безшумність двигуна- стирлінг не має вихлопу, а отже – не шумить. Бета-стирлінг з ромбічним механізмом є ідеально збалансованим пристроєм і, при достатньо високій якостівиготовлення, навіть немає вібрацій (амплітуда вібрації менше 0,0038 мм).
• Екологічність- сам по собі стирлінг не має якихось частин чи процесів, які можуть сприяти забрудненню довкілля. Він не витрачає робоче тіло. Екологічність двигуна обумовлена ​​насамперед екологічністю джерела тепла. Варто також зазначити, що забезпечити повноту згоряння палива у двигуні зовнішнього згоряння простіше, ніж у двигуні внутрішнього згоряння.

Застосування

Двигун Стірлінга з лінійним генератором змінного струму

Двигун Стірлінга застосовується у випадках, коли необхідний компактний перетворювач теплової енергії, простий пристрої, або коли ефективність інших теплових двигунів виявляється нижче: наприклад, якщо різниці температур недостатньо для роботи парової або газової турбіни.

Термоакустика – розділ фізики про взаємне перетворення теплової та акустичної енергії.Він утворився на стику термодинаміки та акустики. Звідси така назва. Ця наука дуже молода. Як самостійна дисципліна вона виникла наприкінці 70-х років минулого століття, коли швейцарець Нікалаус Ротт закінчив роботу над математичними засадами лінійної термоакустики. І все ж таки вона виникла не на порожньому місці. Її виникненню передували відкриття цікавих ефектів, які просто зобов'язані розглянути.

З ЧОГО ЦЕ ПОЧИНАЛОСЯ
Термоакустика має довгу історію, яка бере свій початок понад два століття тому.

Перші офіційні записи про коливання, що породжуються теплом, зроблені Хіггінсом в 1777 р. Він експериментував з відкритою скляною трубкою, в якій акустичні коливання порушувалися за допомогою водневого пальника, розташованого певним чином. Цей досвід увійшов в історію як «співоче полум'я Хіггінса».

Малюнок 1. Співоче полум'я Хіггінса

Проте, сучасним фізикам більш відомий інший експеримент, який одержав назву «трубка Рійке». У процесі своїх дослідів Рійке створив новий музичний інструментіз органної трубки. Він замінив водневе полум'я Хіггінса на дротяний екран, що підігрівається, і експериментально показав, що найсильніший звук народжується в тому випадку, коли екран розташований на відстані чверті трубки від її нижнього кінця. Коливання припинялися, якщо накрити верхній кінецьтрубки. Це доводило, що з отримання звуку необхідна поздовжня конвективна тяга. Роботи Хіггінса та Рійці пізніше послужили основою для зародження науки про горіння, яка сьогодні застосовується скрізь, де використовується це явище від

Рисунок 2. Трубка Рійці.

горіння порохових шашок до ракетних двигунів Явищам, що протікають у трубці Рійці, присвячені тисячі дисертацій у всьому світі, але інтерес до цього пристрою не слабшає досі.

У 1850 р. Сондхаусс звернувся до дивного явища, яке спостерігають у своїй роботі склодуви. Коли кулясте потовщення з гарячого скла жене повітря холодний кінець трубки склодува, генерується чистий звук. Аналізуючи явище, Сондхаусс виявив, що звук генерується, якщо нагрівати кулясте потовщення на кінці трубки. При цьому звук змінюється із зміною довжини трубки. На відміну від трубки Рійці трубка Сондхауса не залежала від конвективної тяги.

Малюнок 3. Трубка Сондхауса.

Такий експеримент пізніше здійснив Таконіс. На відміну від Сондхаусса, він не підігрівав кінець трубки, а охолоджував його кріогенною рідиною. Це доводило, що з генерації звуку важливий не підігрів, а перепад температур.
Перший якісний аналіз коливань, викликаних теплом, було дано 1887 р. Лордом Релеєм. Сформульоване Релеєм пояснення вищеперелічених явищ сьогодні відоме термоакустикам як принцип Релея. Він звучить приблизно так: «Якщо газу передати тепло в момент найбільшого стиснення або відібрати тепло в момент найбільшого розрядження, це стимулює коливання. » Незважаючи на свою простоту, це формулювання повністю описує прямий термоакустичний ефект, тобто перетворення теплової енергії на енергію звуку.

Вихровий ефект

Вихровий ефект(Ефект Ранка-Хілша, англ. Ranque-Hilsch Effect) - ефект поділу газу або рідини при закручуванні в циліндричній або конічній камері на дві фракції. На периферії утворюється закручений потік із більшою температурою, а центрі - закручений охолоджений потік, причому обертання у центрі відбувається у інший бік, ніж у периферії. Вперше ефект відкритий французьким інженером Жозефом Ранком наприкінці 20-х при вимірюванні температури в промисловому циклоні. Наприкінці 1931 р. Ж.Ранк подає заявку на винайдений пристрій, названий ним «Вихровою трубою» (у літературі зустрічається як труба Ранке). Отримати патент вдається лише 1934 року у Америці (Патент США № 1952281). Нині реалізовано ряд апаратів, у яких використовується вихровий ефект, вихрових апаратів. Це «вихрові камери» для хімічного поділу речовин під дією відцентрових сил та «вихрові труби», що використовуються як джерело холоду.

З 1960-х років вихровий рух є темою багатьох наукових досліджень. Регулярно проводяться спеціалізовані конференції з вихрового ефекту, наприклад, у Самарському аерокосмічному університеті.

Існують і застосовуються вихрові теплогенератори та мікрокондиціонери.

У цьому світі є речі геніальні, незбагненні та абсолютно нереальні. Настільки нереальні, що здаються артефактами з якогось паралельного Всесвіту. До таких артефактів поруч із двигуном Стірлінга, вакуумної радіолампою і чорним квадратом Малевича повною мірою належить т.зв. "турбіна Тесла".
Взагалі кажучи відмінна рисавсіх подібних речей – абсолютна простота. Чи не спрощеність, а саме простота. Тобто як у творах Мікеланджело - відсутнє все зайве, якісь технічні чи смислові "підпори", чиста свідомість, втілена "в залозі" або виплеснута на полотно. І при всьому цьому абсолютна нетиражність. Чорний Квадрат – це свого роду "орт" мистецтва. Другого такого, написаного іншим художником, бути не може.

Все це повною мірою стосується і турбіни Тесла. Конструктивно вона є кілька (10-15) тонких дисків, укріплених на осі турбіни на невеликій відстані один від одного і поміщені в кожух, що нагадує міліцейський свисток.

Не варто й пояснювати, що дисковий ротор набагато технологічніший і надійніший, ніж навіть "колесо Лаваля", я вже мовчу про ротори звичайних турбін. Це перша перевага системи. Друге полягає в тому, що на відміну від інших типів турбін, де для ламінаризації перебігу робочого тіла необхідно вживати спеціальних заходів. У турбіні Тесла робоче тіло (яким може бути повітря, пара чи навіть рідина) тече строго ламінарно. Тому втрати на газодинамічний тертя в ній зведені до нуля: ККД турбіни становить 95%.

Щоправда слід мати на увазі, що ККД турбіни та ККД термодинамічного циклу – дещо різні речі. ККД турбіни можна охарактеризувати, як відношення енергії, що перетворюється на механічну енергію на валу ротора турбіни до енергії робочого циклу (тобто різниці початкової та кінцевої енергій робочого тіла). Так ККД сучасних парових турбінтак само дуже високий - 95-98%, проте ККД термодинамічного циклу через ряд обмежень не перевищує 40-50%.

Принцип дії турбіни заснований на тому, що робоче тіло (припустимо - газ), закручуючи в кожусі, рахунок тертя "захоплює" за собою ротор. При цьому віддаючи частину енергії ротору, газ уповільнюється, і завдяки коріолісовій силі, що виникає при взаємодії з ротором, подібно чаїнка в чаї "скатується" до осі ротора, де є спеціальні отвори, через які здійснюється відведення "відпрацьованого" робочого тіла.
Турбіна Тесла, як і турбіна Лаваля, перетворює кінетичну енергію робочого тіла. Тобто перетворення потенційної енергії (наприклад стиснутого повітряабо перегрітої пари) в кінетичну необхідно провести до подачі на ротор турбіни за допомогою сопла. Однак турбіна Лаваля, маючи загалом досить високий ККД, виявлялася вкрай неефективною на низьких оборотах, що змушувало конструювати редуктори, розміри та маса яких у багато разів перевищували розміри та маси самої турбіни. Фундаментальною відмінністю турбіни Тесла є той факт, що вона цілком ефективно працює у широкому діапазоні частот обертання, що дозволяє з'єднувати її вал із генератором безпосередньо. Крім того, турбіна Тесла легко піддається реверсуванню.

Цікаво, що сам Нікола Тесла позиціонував свій винахід як спосіб високоефективного використання геотермальної енергії, яку він вважав енергією майбутнього. Крім того, турбіна без будь-яких переробок може перетворитися на високоефективний. вакуумний насос- Досить розкрутити її вал від іншої турбіни або електродвигуна.

Технологічність турбіни Тесла дозволяє виготовляти її варіанти буквально з чого завгодно: дисковий ротор можна зробити зі старих компакт-дисків або "млинців" від комп'ютерного "вінчестера", що вийшов з ладу. При цьому потужність такого двигуна не дивлячись на "іграшкові" матеріали та габарити виходить досить великою. До речі про габарити: двигун потужністю 110 к.с. був не більшим від системного блоку нинішнього персонального комп'ютера.

Пристрої на ефекті Ранка

Ефект Ранка з самого початку приваблював винахідників простотою технічної реалізації - справді, найпростіша реалізація вихровий трубиє шматком труби звичайнісінькою, куди з одного боку всередину тангенціально подається вихідний потік, а на протилежному торці встановлена ​​кільцева діафрагма, і з її внутрішнього отвору виходить охолоджена частина потоку, а зі щілини між зовнішнім краєм діафрагми і внутрішньою поверхнею труб . Однак насправді не все так просто - досягти ефективного поділу вдається далеко не завжди, та й ККД таких установок зазвичай помітно поступається широко поширеним компресорним тепловим насосам. Крім того, зазвичай параметри установки на ефекті Ранку розраховані для конкретної потужності, яка визначається швидкістю і витратою речовини вихідного потоку, і коли параметри вхідного потоку відхиляються від оптимальних значень, ККД вихрової труби суттєво погіршується. Проте слід зауважити, що можливості деяких установок на ефекті Ранка вселяють повагу - наприклад, рекордне охолодження, якого вдалося досягти на одному щаблі, становить понад 200 ° С!

Втім, з урахуванням нашого клімату, набагато більший інтерес становить використання ефекту Ранка для обігріву, та при цьому ще хотілося б і не виходити за межі «підручних засобів».

Сутність ефекту Ранка

При русі потоку газу або рідини по поверхні труби, що плавно повертає, біля її зовнішньої стінки утворюється область підвищеного тискуі температури, а у внутрішньої (або в центрі порожнини, якщо газ закручений поверхнею циліндричної судини) - область зниженої температури і тиску. Це досить добре відоме явище називається ефектом Ранкана ім'я французького інженера Жозефа Ранка, що відкрив його в 1931 р. (G.J.Ranque, іноді пишуть «Ранке»), або ефектом Ранка-Хілша(Німець Robert Hilsh продовжив дослідження цього ефекту у другій половині 1940-х років та покращив ефективність вихрової труби Ранка). Конструкції, що використовують ефект Ранка, є різновидом теплового насоса, енергія для функціонування якого береться від нагнітача, що створює потік робочого тіла на вході труби.

Парадоксальність ефекту Ранка полягає в тому, що відцентрові силиу потоці, що обертається, спрямовані назовні. Як відомо, тепліші шари газу або рідини мають меншу щільність і повинні підніматися вгору, а у разі відцентрових сил - прагнути до центру, холодніші мають велику щільність і, відповідно, повинні прагнути до периферії. Тим часом при великої швидкостіпотоку, що обертається, все відбувається з точністю до навпаки!

Ефект Ранка проявляється як для потоку газу, так і для потоку рідини, яка, як відомо, є практично стисливою і тому фактор адіабатичного стиснення/розширення до неї не застосовується. Проте, у разі рідини ефект Ранка зазвичай виражений значно слабше - можливо, саме з цієї причини, та й дуже мала довжина вільного пробігу частинок ускладнює його прояв. Але це вірно, якщо залишатися в рамках традиційної молекулярно-кінетичної теорії, а ефект може мати і зовсім інші причини.

На мій погляд, на Наразінайбільш повний та достовірний науковий опис ефекту Ранка представлений у статті А.Ф.Гуцола (у форматі pdf). Як не дивно, у своїй основі його висновки про сутність явища збігаються з отриманими нами «на пальцях». На жаль, він залишає поза увагою перший фактор (адіабатичний стиск газу у зовнішнього радіуса і розширення у внутрішнього), який, на мій погляд, дуже суттєвий при використанні газів, що стискуються, правда, діє він тільки всередині пристрою. А другий фактор А.Ф.Гуцол називає «розподілом швидких та повільних мікрооб'ємів».

Двигун Стірлінга- Двигун із зовнішнім підведенням тепла. Зовнішнє підведення тепла – це дуже зручно, коли є необхідність використовувати як джерело тепла неорганічні види палива. Наприклад, можна використовувати сонячну енергію, геотермальну енергію, непридатне тепло з різних підприємств.

Приємна особливість циклу Стірлінга – те, що його ККД дорівнює ККД циклу Карно. Природно, у реальних двигунів Стірлінга ефективність нижча і часто набагато. Двигун Стірлінга почав своє існування з пристрою, що має безліч рухомих деталей, таких як поршні, шатуни, колінчастий вал, підшипники. До того ж, ще й ротор генератора крутився (Малюнок 1).

Малюнок 1 – Двигун Стірлінга альфа типу

Подивіться на двигун Стірлінга Альфа типу. При обертанні валу поршні починають переганяти газ то з холодного до гарячого циліндра, то навпаки, з гарячого до холодного. Але вони не просто переганяють, а ще й стискають та розширюють. Здійснюється термодинамічний цикл. Можна уявити на картинці, що коли вал повернеться так, що вісь, на яку кріпляться шатуни, виявиться вгорі, то це буде момент найбільшого стиснення газу, а коли внизу, то розширення. Правда це не зовсім так через теплові розширення і стиски газу, але приблизно все ж таки все це так.

Серцем двигуна є так зване ядро, яке складається з двох теплообмінників – гарячого та холодного та між ними знаходиться регенератор. Теплообмінники зазвичай робляться пластинчастими, а регенератор - це найчастіше стос, набраний з металевої сітки. Навіщо потрібні теплообмінники зрозуміло – нагрівати та охолоджувати газ, а навіщо потрібний регенератор? А регенератор – справжній тепловий акумулятор. Коли гарячий газ рухається в холодну сторону, він нагріває регенератор та регенератор запасає теплову енергію. Коли газ рухається з холодної на гарячу сторону, то холодний газ підігрівається в регенераторі і таким чином це тепло, яке без регенератора безповоротно пішло б на нагрівання навколишнього середовища, рятується. Отже, регенератор – вкрай необхідна річ. Хороший регенератор підвищує ККД двигуна приблизно 3,6 разу.

Аматорам, які мріють побудувати подібний двигун самостійно, хочу розповісти докладніше про теплообмінники. Більшість саморобних двигунівСтірлінга, з тих, що я бачив, взагалі не мають теплообмінників (я про двигуни альфа типу). Теплообмінниками є самі поршні та циліндри. Один циліндр нагрівається, інший охолоджується. При цьому площа теплообмінної поверхні, що контактує з газом, дуже мала. Отже, можна значно збільшити потужність двигуна, поставивши на вході в циліндри теплообмінники. І навіть малюнку 1 полум'я спрямовано прямісінько на циліндр, що у заводських двигунах зовсім так.

Повернемося до історії розвитку двигунів Стірлінга. Отже, нехай двигун багато в чому непоганий, але наявність маслознімних кілецьі підшипників знижувало ресурс двигуна та інженери напружено думали, як його покращити, і вигадали.

В 1969 Вільям Бейл досліджував резонансні ефекти в роботі двигуна і пізніше зміг зробити двигун, для якого не потрібні ні шатуни ні колінчастий вал. Синхронізація поршнів виникала через резонансні ефекти. Цей тип двигунів став називатися вільнопоршневим двигуном (Малюнок 2).

Малюнок 2 – Вільнопоршневий двигун Стірлінга

На малюнку 2 показаний вільнопоршневий двигун типу бета. Тут газ переходить із гарячої області в холодну, і навпаки, завдяки витискувачу (який рухається вільно), а робочий поршень робить корисну роботу. Витіснювач і поршень роблять коливання на спіральних пружинах, які можна побачити у правій частині малюнка. Складність у тому, що їх коливання мають бути з однаковою частотою і різницею фаз у 90 градусів і все це завдяки резонансним ефектам. Зробити це досить важко.

Таким чином, кількість деталей зменшили, але при цьому посилилися вимоги до точності розрахунків та виготовлення. Але надійність двигуна, безсумнівно, зросла, особливо в конструкціях, де як витіснювач і поршня застосовуються гнучкі мембрани. У такому випадку в двигуні взагалі відсутні деталі, що труться. Електроенергію при бажанні з такого двигуна можна знімати за допомогою лінійного генератора.

Але й цього інженерам виявилося мало, і вони почали шукати способи позбутися не просто тертьових деталей, а взагалі рухомих деталей. І вони знайшли такий спосіб.

У сімдесятих роках 20-го століття Петер Цеперлі зрозумів, що синусоїдальні коливання тиску і швидкості газу в двигуні Стірлінга, а також той факт, що ці коливання знаходяться у фазі, неймовірно сильно нагадують коливання тиску і швидкості газу в звуковій хвилі, що біжить (рис.3). ).

Малюнок 3 - Графік тиску і швидкості акустичної хвилі, що біжить, як функція часу. Показано, що коливання тиску та швидкості знаходяться у фазі.

Ця ідея прийшла Цеперлі не випадково, оскільки до нього було безліч досліджень у галузі термоакустики, наприклад, ще сам лорд Релей у 1884 р. якісно описав це явище.

Таким чином, він запропонував взагалі відмовитися від поршнів і витіснювачів, і використовувати лише акустичну хвилю для контролю над тиском і рухом газу. При цьому виходить двигун без частин, що рухаються, і теоретично здатний досягти ККД циклу Стірлінга, а значить і Карно. Насправді найкращі показники – 40-50 % від ефективності циклу Карно (Малюнок 4).

Малюнок 4 – Схема термоакустичного двигуна з хвилею, що біжить

Можна бачити, що термоакустичний двигун з хвилею, що біжить - це точно таке ж ядро, що складається з теплообмінників і регенератора, тільки замість поршнів і шатунів тут просто закільцьована труба, яка називається резонатором. Та як же працює цей двигун, якщо в ньому немає ніяких частин, що рухаються? Як це можливо?

Спочатку відповімо на запитання, звідки там береться звук? І відповідь - вона виникає сама собою при виникненні достатньої для цього різниці температур між двома теплообмінниками. Градієнт температури в регенераторі дозволяє посилити звукові коливання, але лише певної довжини хвилі, рівної довжинірезонатор. З самого початку процес виглядає так: при нагріванні гарячого теплообмінника виникають мікро шарудіння, можливо навіть потріскування від теплових деформацій це неминуче. Ці шарудіння – це шум, що має широкий спектр частот. З усього цього багатого спектру звукових частот, двигун починає посилювати те звукове коливання, довжина хвилі якого дорівнює довжині труби – резонатора. І неважливо, наскільки мало початкове коливання, воно буде посилено до максимально можливої ​​величини. Максимальна гучність звуку всередині двигуна настає тоді, коли потужність посилення звуку за допомогою теплообмінників дорівнює потужності втрат, тобто потужності загасання звукових коливань. І ця максимальна величина часом досягає величезних величин 160 дБ. Так що всередині подібного двигунасправді голосно. На щастя, звук назовні вийти не може, оскільки резонатор герметичний і тому, стоячи поруч із працюючим двигуном, його ледве чутно.

Посилення певної частоти звуку відбувається завдяки тому ж термодинамическому циклу – циклу Стірлінга, що здійснюється в регенераторі.

Малюнок 5 – Стадії циклу грубо та спрощено.

Як я вже писав, в термоакустичному двигуні взагалі немає частин, що рухаються, він генерує тільки акустичну хвилю всередині себе, але, на жаль, без рухомих частин зняти з двигуна електроенергію неможливо.

Зазвичай видобувають енергію із термоакустичних двигунів за допомогою лінійних генераторів. Пружна мембрана коливається під натиском звукової хвилі високої інтенсивності. Усередині мідної котушкиіз сердечником, вібрують закріплені на мембрані магніти. Виробляється електроенергія.

У 2014 році Kees de Blok, Pawel Owczarek та Maurice Francois з підприємства Aster Thermoacoustics показали, що для перетворення енергії звукової хвилі в електроенергію годиться двонаправлена ​​імпульсна турбіна, підключена до генератора.

Малюнок 6 – Схема імпульсної турбіни

Імпульсна турбіна крутиться в ту саму сторону незалежно від напрямку потоку. На малюнку 6 схематично зображені лопатки статора з боків та лопатки ротора посередині.
А так турбіна виглядає у них насправді:

Малюнок 7 – Зовнішній вигляддвоспрямованої імпульсної турбіни

Очікується, що застосування турбіни замість лінійного генератора сильно здешевить конструкцію та дозволить збільшити потужність пристрою аж до потужностей типових ТЕЦ, що неможливо з лінійними генераторами.

Що ж, продовжуватимемо уважно стежити за розвитком термоакустичних двигунів.

Список використаних джерел

М.Г. Круглів. Двигуни Стірлінга. Москва "Машинобудування", 1977.
Р. Рідер, Ч. Хупер. Двигуни Стірлінга. Москва "Світ", 1986.
Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.

- теплова машина, в якій рідке або газоподібне робоче тіло рухається у замкнутому об'ємі, різновид двигуна зовнішнього згоряння. Заснований на періодичному нагріванні і охолодженні робочого тіла з вилученням енергії з об'єму робочого тіла, що виникає при цьому. Може працювати не лише від спалювання палива, а й від будь-якого джерела тепла.

Хронологію подій, пов'язану з розробкою двигунів часів 18 століття, ви можете спостерігати в цікавій статті - "Історія винаходу парових машин". А ця стаття присвячена великому винахіднику Роберту Стірлінгу та його дітищу.

Історія створення...

Патент на винахід двигуна Стірлінга, як не дивно, належить шотландському священику Роберту Стірлінгу. Його він отримав 27 вересня 1816 року. Перші «двигуни гарячого повітря» стали відомі світу ще наприкінці XVII століття, задовго до Стірлінга. Одним із важливих досягнень Стірлінга є додавання очисника, прозваний ним самим "економом".

У сучасній науковій літературі цей очищувач має зовсім іншу назву - «рекуператор». Завдяки йому продуктивність двигуна зростає, оскільки очищувач утримує тепло у теплій частині двигуна, а робоче тіло водночас охолоджується. Завдяки цьому процесу ефективність системи значно зростає. Рекуператор є камерою, заповненою дротом, гранулами, гофрованою фольгою (гофри йдуть уздовж напрямку потоку газу). Газ, що проходить через наповнювач рекуператора в один бік, віддає (або набуває) тепло, а при русі в інший бік відбирає (віддає) його. Рекуператор може бути зовнішнім по відношенню до циліндрів і може бути розміщений на поршні-витіснювачі в бета-і гамма-конфігураціях. Габарити та вага машини в цьому випадку менше. Якою мірою роль рекуператора виконується зазором між витіснювачем і стінками циліндра (якщо циліндр довгий, то потреби в такому пристрої немає взагалі, проте з'являються значні втрати через в'язкість газу). В альфа-стирлінг рекуператор може бути тільки зовнішнім. Він монтується послідовно з теплообмінником, у якому з боку холодного поршня відбувається нагрівання робочого тіла.

У 1843 році Джеймс Стірлінг використав цей двигун на заводі, де він на той час працював інженером. У 1938 році в двигун Стірлінга потужністю понад двісті кінських сил і віддачею більше 30% інвестувала фірма "Філіпс". Оскільки двигун Стірлінгамає багато переваг, то в епоху парових машинвін був широко розповсюджений.

Недоліки.

Матеріаломісткість – основний недолік двигуна. У двигунів зовнішнього згоряння взагалі, і двигуна Стірлінга, зокрема, робоче тіло необхідно охолоджувати, і це призводить до істотного збільшення масо-габаритних показників силової установки за рахунок збільшених радіаторів.

Для отримання характеристик, порівнянних із характеристиками ДВЗ, доводиться застосовувати високі тиски (понад 100 атм) та спеціальні види робочого тіла – водень, гелій.

Тепло не підводиться до робочого тіла безпосередньо, лише через стінки теплообмінників. Стінки мають обмежену теплопровідність, через що ККД виявляється нижчим, ніж можна було очікувати. Гарячий теплообмінник працює в дуже напружених умовах теплопередачі і при дуже високих тисках, що вимагає застосування високоякісних і дорогих матеріалів. Створення теплообмінника, який би задовольняв суперечливим вимогам, дуже важко. Чим вище площа теплообміну, тим менше втрата тепла. При цьому зростає розмір теплообмінника та обсяг робочого тіла, який не бере участі в роботі. Оскільки джерело тепла розташоване зовні, двигун повільно реагує на зміну теплового потоку, що підводиться до циліндра, і не відразу може видати потрібну потужність при запуску.

Для швидкої зміни потужності двигуна використовуються методи, відмінні від тих, які застосовувалися в двигунах внутрішнього згоряння: буферна ємність об'єму, що змінюється, зміна середнього тиску робочого тіла в камерах, зміна фазного кута між робочим поршнем і витіснювачем. В останньому випадку реакція двигуна на дію водія, що управляє, є практично миттєвою.

Переваги.

Проте двигун Стірлінга має переваги, які змушують займатися його розробкою.

«Всеїдність» двигуна – як усі двигуни зовнішнього згоряння (вірніше – зовнішнього підведення тепла), двигун Стірлінга може працювати від майже будь-якого перепаду температур: наприклад, між різними шарами в океані, від сонця, від ядерного або ізотопного нагрівача, вугільної або дров'яної печі та т.д.

Простота конструкції – конструкція двигуна дуже проста, він не потребує додаткових систем, таких як газорозподільний механізм. Він запускається самостійно і не потребує стартера. Його характеристики дозволяють позбавитися коробки передач. Однак, як уже зазначалося вище, він має більшу матеріаломісткість.

Збільшений ресурс – простота конструкції, відсутність багатьох «ніжних» агрегатів дозволяє стирлінгу забезпечити небувалий для інших двигунів ресурс у десятки та сотні тисяч годин безперервної роботи.

Економічність - у разі перетворення на електрику сонячної енергії стирлінги іноді дають більший ККД (до 31,25%), ніж теплові машини на пару.

Безшумність двигуна – стирлінг не має вихлопу, а отже – не шумить. Бета-стирлінг з ромбічним механізмом є ідеально збалансованим пристроєм і, при досить високій якості виготовлення, навіть не має вібрацій (амплітуда вібрації менше 0,0038 мм).

Екологічність - сам собою стирлінг немає якихось частин чи процесів, які можуть сприяти забруднення довкілля. Він не витрачає робоче тіло. Екологічність двигуна обумовлена ​​насамперед екологічністю джерела тепла. Варто також зазначити, що забезпечити повноту згоряння палива у двигуні зовнішнього згоряння простіше, ніж у двигуні внутрішнього згоряння.

Альтернатива паровим двигунам.

У 19 столітті інженери намагалися створити безпечну альтернативу паровим двигунамтого часу, через те, що котли вже винайдених двигунів часто вибухали, не витримуючи високого тиску пари та матеріалів, які зовсім не підходили для їх виготовлення та спорудження. Двигун Стірлінгастав гарною альтернативою, оскільки він міг перетворювати на роботу будь-яку різницю температур. У цьому полягає основний принцип роботи двигуна Стірлінга. Постійне чергування нагрівання та охолодження робочого тіла в закритому циліндрі наводить поршень у рух. Зазвичай у ролі робочого тіла виступає повітря, але й використовуються водень і гелій. Але також проводилися досліди і з водою. Головна особливістьдвигуна Стірлінга з рідким робочим тілом є малі розміри,великі робочі тиску та висока питома потужність. Також існує Стірлінг із двофазним робочим тілом. Питома потужність та робочий тиск у ньому теж досить високі.

Можливо, з курсу фізики ви пам'ятаєте, що при нагріванні газу його обсяг збільшується, а при охолодженні зменшується. Саме ця властивість газів і закладена в основі роботи двигуна Стірлінга. Двигун Стірлінгавикористовує цикл Стірлінга, який не поступається циклу Карно з термодинамічної ефективності, і до певної міри навіть має перевагу. Цикл Карно складається з ізотерм і адіабат, що мало відрізняються між собою. Практична реалізація такого циклу складна та малоперспективна. Цикл Стірлінга дозволив отримати практично працюючий двигун у прийнятних габаритах.

Усього в циклі Стірлінга чотири фази, розділені двома перехідними фазами: нагрівання, розширення, перехід до джерела холоду, охолодження, стиснення та перехід до джерела тепла. При переході від теплого джерела до холодного джерела відбувається розширення та стиск газу, що знаходиться в циліндрі. У ході цього процесу змінюється тиск з чого можна отримати корисну роботу. Корисна робота проводиться тільки за рахунок процесів, що проходять з постійною температурою, тобто залежить від різниці температур нагрівача та охолоджувача, як у циклі Карно.

Зміни.

Інженерами підрозділяються двигуни Стірлінга на три різні типи:

попередній перегляд - збільшення на кліку.

Містить два роздільні силові поршні в роздільних циліндрах. Один поршень – гарячий, інший – холодний. Циліндр з гарячим поршнем знаходиться в теплообміннику з вищою температурою, а циліндр з холодним поршнем знаходиться в більш холодному теплообміннику. Ставлення потужності до обсягу досить велике, проте висока температура «гарячого» поршня створює певні технічні проблеми.

Бета-Стірлінг- Циліндр один, гарячий з одного кінця і холодний з іншого. Усередині циліндра рухаються поршень (з якого знімається потужність) і «витіснювач», що змінює об'єм гарячої порожнини. Газ перекачується з холодної частини циліндра гарячу через регенератор. Регенератор може бути зовнішнім, як частина теплообмінника, або може бути поєднаний з поршнем-витіснячем.

Є поршень і «витіснювач», але при цьому два циліндри – один холодний (там рухається поршень, з якого знімається потужність), а другий гарячий з одного кінця та холодний з іншого (там рухається «витіснювач»). Регенератор може бути зовнішнім, у цьому випадку він з'єднує гарячу частину другого циліндра з холодною та одночасно з першим (холодним) циліндром. Внутрішній регенератор є частиною витіснювача.