5.5. Цикл универсальной тепловой машины Стирлинга

Английский изобретатель Р. Стирлинг в 1816 г. предложил конструкцию универсальной тепловой машины, которая может работать как двигатель, как тепловой насос и как холодильная машина. По имени изобретателя эти машины названы “с т и р л и н г а м и”.

Двигатель Стирлинга относится к двигателям внешнего сгорания, т.е. процесс преобразования химической энергии в тепловую протекает вне цилиндра двигателя.

Рассмотрим принцип работы и теоретический цикл двигателя Стирлинга , представленные на рис. 5.12.

Стирлинг состоит из двух цилиндров с поршнями, один из которых рабочий (5), другой – вытеснительный (3). Полость, включающая объемы над рабочим поршнем, над и под вытеснительным поршнем и объемы газоходов с регенератором 1, нагревателем 2 и охладителем 4, герметична. Эта полость заполняется каким–либо газом, который является рабочим телом двигателя (как правило, газом с большим значением газовой постоянной). Подвод тепла к газу осуществляется через стенки теплообменника 2, выполняющего функцию нагревателя. Отвод тепла после расширения газа в рабочем цилиндре происходит в охладителе 4.

Первый такт – сжатие газа в рабочем цилиндре, (рис. 5.12, а). Объем газа уменьшается, давление повышается. Вследствие интенсивного отвода тепла в охладитель процесс сжатия протекает при неизменной температуре, 1–2 – изотерма сжатия.

Рис. 5.12

Второй так – подвод теплоты к рабочему телу. Объем газа остается постоянным, так как рабочий поршень практически не изменяет своего положения (рис. 5.12,б) а вытеснительный поршень хотя и перемещается, но увеличение объема над поршнем равно его уменьшению под поршнем. Давле-

ние же повышается по причине подвода теплоты к газу в регенераторе 1. Процесс 2–3 – изохора подвода теплоты.

Третий такт – процесс расширения газа в рабочем цилиндре. Температура в процессе поддерживается неизменной за счет подвода теплоты к рабочему телу в нагревателе (рис.5.12, в). Процесс 3– 4 – изотерма расширения (рабочий такт).

Четвертый такт – охлаждение рабочего тела. Объем газа в рабочем цилиндре практически не меняется (рис.5.12, г), а давление уменьшается вследствие отвода теплоты в охладителе. Процесс 4–1 – изохора отвода теплоты.

Таким образом, идеальный цикл двигателя Стирлинга состоит из двух изотерм 1–2 и 3–4 и двух изохор 2–3 и 4–1.

Идеальный цикл двигателя Стирлинга в pv и Ts – координатах изображен на рис.5.13.

Рис.5.13

Для определения термического КПД цикла используем известное выражение:

.

Теплота q₁ подводится к рабочему телу только в третьем такте и с учетом первого закона термодинамики она будет равна:

q₁ = RT₃ ln v₄/v₃,

где T₃ – наивысшая температура рабочего тела в цикле.

Отведенная от рабочего тела теплота в первом такте

q₂ = RT₂ ln v₁/v₂,

где T₂ – наинизшая температура рабочего тела в цикле.

Теплота, которая отводится от рабочего тела в четвертом такте при перетекании газа из верхней полости вытеснительного цилиндра в нижнюю, идет на нагрев насадки регенератора. Такое же количество теплоты подводится к рабочему телу в регенераторе во втором такте. Этот теплоперенос идет внутри системы, он не влияет на термический КПД.

Так как v₁ = v₄ и v₂ = v₃ , то термический КПД идеального цикла двигателя Стирлинга будет равен:

(5.8)

Анализ выражения (5.8) аналогичен анализу термического КПД цикла Карно.

Для сравнения КПД на рис.5.14 приведены циклов: Стирлинга (кривая 1), дизельного двигателя (кривая 2) и карбюраторного двигателя (кривая 3)

Если осуществить процессы цикла в обратном порядке, то тепловая машина Стирлинга будет отнимать теплоту от охладителя и передавать ее нагревателю за счет затраты энергии на сжатие газа. Помещая теплообменник с нагре- Рис.5.14

вателем в отапливаемом помещении, а с охладителем – в охлаждаемом, можно “получать” одновременно и тепло, и холод.