14.6. 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. 56. 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, рис. 56). На третьей стадии вытеснитель 1 перемещается вниз, вытесняя рабочее тело из холодной полости Х в горячую Г при постоянном объеме .

Рисунок 56 - 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.

Рисунок 57 – Цикл двигателя Стирлинга в – – диаграммах.

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 температура (изохорный процесс 2–3, рис 57). 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 (изотермный процесс 3–4, рис. 57). 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, (рис. 57) до температуры . Стенки холодной полости сохраняют постоянную температуру за счет отбора теплоты холодным источником. В изотермном процессе 1–2 , замыкающем рабочий цикл, сжатие рабочего тела происходит при боле 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. 57.

Удельная теплота подводится к рабочему телу при изохорном процессе 2–3 от регенератора в количестве и при изотермном 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 изотермном процессе 1–2 в холодной полости двигателя в количестве .

Тогда удельная работа цикла

.

Известно, что изменение энтропии в изотермных процессах

и .

Так как и , то , т.е. изохорные процессы в 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.