15.6. Цикл двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга имеет внешний подвод теплоты через теплопроводящую стенку. Количество рабочего тела (им может быть воздух), заключенного в рабочем объеме двигателя, постоянно и несменяемо. В этом заключается одно из преимуществ такого двигателя перед двигателями внутреннего сгорания, так как в качестве горячего источника теплоты в этих условиях могут использоваться кроме продуктов сгорания органических топлив ядерная энергия, солнечная батарея и др.

При подводе теплоты через теплопроводящую поверхность в замкнутый объем двигателя рабочее тело расширяется (поршень совершает рабочий ход). Затем теплота отбирается холодным источником теплоты, рабочее тело сжимается и таким образом возвращается в исходное состояние, завершая рабочий цикл. Однако практическая невозможность частой смены температуры теплопроводящей стенки при подводе и отводе теплоты привела к необходимости усложнения конструкции двигателя – создания в нем постоянных горячей и холодной полостей. В связи с этим рабочее тело во время цикла должно последовательно перемещаться из горячей полости в холодную и обратно. Такие перемещения в двигателях Стирлинга обеспечиваются вытеснителем и поршнем, движущимся по определенному закону в одном цилиндре. Двигатель Стирлинга может иметь два сообщающихся между собой цилиндра. В этом случае в одном цилиндре перемещается вытеснитель, в другом – поршень.

Работа двигателя может быть условно разделена на четыре стадии, рис. 58. В первой стадии все количество рабочего тела находится в холодной полости Х. На второй стадии поршень 3 перемещается вверх, сжимает рабочее тело в холодной полости. Температура рабочего тела при этом сохраняется постоянной за счет отвода теплоты через стенки цилиндра холодному источнику теплоты (изотермический процесс сжатия 1–2). На третьей стадии вытеснитель 1 перемещается вниз, вытесняя рабочее тело из холодной полости Х в горячую Г при постоянном объеме

Рис. 58. Схема изменения объемов холодной и горячей полостей

Двигателя Стирлинга при повороте коленчатого вала:

1 – вытеснитель; 2 – регенератор; 3 – поршень; 4, 5 – условное изменение

Объемов; 6, 7 – действительное изменение объемов

Особенностью двигателя Стирлинга является полная регенерация теплоты изохорных процессов. С этой целью перемещение рабочего тела из холодной в горячую полость осуществляется через регенератор 2. Регенератор, отдавая теплоту рабочему телу, охлаждается, а рабочее тело нагревается до температуры (изохорный процесс 2–3, рис. 59).

V

Рис. 59. Цикл двигателя Стирлинга в p, V- и T, S-диаграммах

В горячей полости двигателя нагретое до температуры рабочее тело расширяется, сохраняя свою температуру за счет подвода теплоты от горячего источника теплоты через поверхность верхней крышки цилиндра (изотермический процесс 3–4). Затем вытеснитель 1 перемещается вверх, вытесняя при постоянном объеме рабочее тело из горячей полости в холодную через регенератор 2 (четвертая стадия). Регенератор нагревается, отбирая теплоту от рабочего тела и охлаждая его в изохорном процессе 4–1 до температуры . Стенки холодной полости сохраняют постоянную температуру за счет отбора теплоты холодным источником. В изотермическом процессе 1–2, замыкающем рабочий цикл, сжатие рабочего тела происходит при более низкой температуре , чем расширение в процессе 3–4, поэтому в цикле совершается полезная работа. Все эти движения вытеснителя и поршня обеспечивают изменение объемов горячей и холодной полостей в соответствии с графиками 4 и 5 (рис. 58).

Удельная теплота подводится к рабочему телу при изохорном процессе 2–3 от регенератора в количестве и при изотермическом процессе 3–4 от внешнего источника теплоты в количестве Отвод теплоты производится вначале при изохорном процессе 4–1 в регенератор в количестве и затем при изотермическом процессе 1–2 в холодной полости двигателя в количестве

Тогда удельная работа цикла

Известно, что изменение энтропии в изотермических процессах и . Так как и то , т. е. изохорные процессы эквидистантны. Следовательно, , т. е. регенератор двигателя Стирлинга в идеальном случае (без учета потерь) осуществляет полную передачу теплоты в изохорных процессах 4–1 и 2–3 от горячего рабочего тела к холодному. Тогда .

Термический КПД цикла .

Таким образом, термический КПД цикла Стирлинга равен термическому КПД цикла Карно. В этом второе его существенное положительное свойство.