Теоретические сведения

 

 

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 год (английский патент № 4081 1819). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление узла, который он назвал «эконом». В 1843 году его брат, Джеймс Стирлинг, использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.

С середины 90-х годов 20 века в области создания двигателей Стирлинга стало превалировать направление стационарных энергетических установок. Необходимо отметить, что рядом зарубежных фирм начато производство двигателей, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки в диапазоне мощностей от 1 до 100 кВт.

Недостатки двигателя Стирлинга: громоздкость и материалоёмкость. Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и особые виды рабочего тела — водород, гелий. Тепло подводится не к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников, для быстрого изменения мощности двигателя используются способы, отличные от применяемых в двигателях внутреннего сгорания.

Преимущества: «Всеядность» двигателя — как все двигатели внешнего сгорания, двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур. Простота конструкции, увеличенный ресурс работы, экономичность, экологичность.

Термодинамический цикл двигателя Стирлинга показан на рисунке 8.1. Он состоит из четырех термодинамических процессов – двух изотермических и двух изохорных (рис. 8.1).

1-2: изотермическое расширение; газ находится в «горячей» нижней области при температуре Т₁ и, расширяясь, толкает вверх рабочий поршень; теплота Q₁ поступает с поверхности.

2-3: изохорное охлаждение; в точке 2 поршень-вытеснитель быстро опускается вниз, вытесняя горячий воздух в «холодную» область с температурой Т₂. Рабочий поршень пока остается в верхнем положении, так что объем газа не меняется, но давление падает за счет охлаждения газа.

3-4: изотермическое сжатие; рабочий поршень идет вниз, сжимая газ при температуре Т₂, теплота Q₂ уходит через поверхность.

4-1: изохорный нагрев; в точке 4 поршень-вытеснитель быстро поднимается вверх, вытесняя холодный воздух вниз в «горячую» область с температурой Т₁. Поршень 3 остается в нижнем положении, объем газа не меняется, а давление быстро возрастает за счет нагрева газа.

 

Рисунок 8.1 – Термодинамический цикл двигателя Стирлинга; 1-2 расширение при Т=const, 2-3 отвод теплоты от вещества к теплообменнику при V=const, 3-4 сжатие при T=const, с отводом теплоты охладителю, 4-1 нагревание при V=const тепло подводится от теплообменника

 

Определение термического КПД двигателя Стирлинга

Из расчёта (моль) вещества:

Подводимое тепло:

                                            (8.1)

Теплообменник получает тепло (процесс 2-3), теплообменник отдаёт тепло (процесс 4-1):

                                               (8.2)

Получаемое охладителем тепло:

                                                     (8.3)

КПД цикла c учетом температур охладителя и нагревателя:

 

                                                  (8.4)

Определение механического КПД цикла:

                                                  (8.5)

Полезная работа

=                                               (8.6)

 

где φ – угол поворота маховика; М – момент сил трения. Из основного уравнения динамики вращательного движения:

 

=                                               (8.7)

 

где   – угловое ускорение маховика. Тогда КПД двигателя Стирлинга равен:

       (8.8)

где  - скорость сгорания топлива.