По същество двигателят на Стърлинг представлява бутален двигател с външно горене, който преобразува топлинната енергия в механична. Различното при него е, че пространството около буталото е херметично затворено и газът в него е с постянна маса и без контакт с околната среда. Принципът му на работа е такъв, че буталото се задвижва благодарение на разликата в налягането и обема на газа.
Единият край на цилиндъра се загрява от външен източник, като работният газ хелий, водород или просто въздух се разширява, като измества буталото и едновременно с това се премества към студения край на цилиндъра, където се охлажда и свива, което предизвиква буталото да се придвижи в обратна посока. КПД на този двигател може да достигне до 40%. Освен това едно предимствата му е, че буталото няма контакт с открит пламък, което го износва много по малко и в маслото на двигателя не попадат замърсители.
При работа двигателят на Стърлинг практически не издава почти никаквъв шум. Той има и още предимства, като това, че не се нуждае от клапани и газоразпределителен механизъм. При експерименти на NASA с монтиране на двигател на Стърлинг на лек автомобил той показал с 45% по-добра горивна ефективност, по-ниски нива на вредни емисии. Този тип двигатели могат да бъдат стартирани при всякакви температури и регулирането на процеса на горене е много по-просто.
Недостатъците му с свързани основно именно с процеса на горене. Открития постоянен пламък изисква използване на устойчиви материали, като допълнителен проблем се явява отвеждането на неизползваната топлина, защото тя не трябва да достига студената част на двигателя, за да не стигне до изравняване на температурите и съответно наляганията.
История
Двигателят на Стърлинг е изобретен от шотландският свещенник Робърт Стърлинг още през 1816 г., като тогава е бил и патентован. Първоначалното му приложение е да задвижва помпи за вода в каменоломна. Смятало се, че това е изобретението, което щяло да замени парната машина, защото освен, че бил много по-икономичен от нея двигателят на Стърлинг бил и много по-безопасен, защото работил с много по-ниски налягания и нямало как да гръмне и да нарани или убие хора, намиращи се в близост до него.
Проблем на двигателите били недобрите материали, които се използвали в тогавашната индустрия и детайлите му често се повреждали. Поради тази причина не могли да изместят парните машини в индустрията, а като двигатели за бита те постепенно били изместени от електрическите двигатели. През двадесети век обаче станало ясно, че двигателят на Стърлинг може да работи като термо помпа когато му се подава въртящ момент през коляновия вал.
Повишаване на ефективността
За по–висока ефективност на двигателя могат да се използват елементи, които да увеличат площта на корпуса, като ребра и тръбички, благодарение на които горещата част на цилиндъра да поглъща по-пълноценно топлината. Един допълнителен елемент, наречен регенератор, обаче драстично повишава КПД-то на Стърлинговия двигател.
Той представлява топлообменник, през който работният газ преминава от горещата част към студената и обратно. По този начин, идвайки от горещата част газът се охлажда, отдавайки топлина на регенератора, която се акумулира в него и се предава отново на газа при движението му обратно от студената към горещата част.
Така цикълът на работа на двигателя се доближава максимално до теоретичния цикъл на Карно. Запазването на топлинната енергия в двигателя увеличава произвежданата механична енергия. Много е важно регенераторът да не пречи на преминаването на флуида през него.
Различните конфигурации
Двигателят на Стърлинг съществува в различни конфигурации.
Първата представлява конструкция с два цилиндъра. Във всеки от тях се движи по едно бутало, като и двете са свързани с един колянов вал. Единият цилиндър се загрява, като буталото изтласква по тръба газа до другото бутало, което се движи в цилиндър, който е опасан с ребра и функционира като охладител. Буталото в горещата част обаче на практика не се охлажда по време на работа и често дефектира.
Втората е особено интересна и нетрадиционна. При нея двигателят се състои от един цилиндър с горещ и студен край, като в цилиндъра едновременно се движат две бутала едно зад друго. Едното, основно бутало, служи да задвижва коляновия вал, а другото, наричано още заместително бутало или заместител има за задача да премества газа от горещата към студената част, като го избутва през тръба, разположена успоредно на цилиндъра.
Двигателят на Стърлинг се срещат и във варианти, при които заместителното бутало е с по-малък диаметър и газът преминава от едната в другата част на цилиндъра между него и стените на цилиндъра. При третата конструкция заместителят се движи в един цилиндър, а буталото в друг. Газът преминава между цилиндрите посредство система от тръбопроводи. Сгъстяването на газа в този случай е значително по-малко, но конструкцията е значително по-проста, като е особено подходяща за двигатели с много цилиндри.
Двигателят на Стърлинг има и други известни конструкции. Една от тях е ротационен двигател, работещ на принципа на Стърлинг, но към момента не съществува работещ прототип. Някои инженери предлагат дори вариант, при който се използва не газ а течност.
Класическият цикъл на Стърлинг се състои от четири термодинамични процеса. Първо е изотермично разширение или с други думи казано разширение на газа без промяна на температурата. След това следва изохорен процес, при който температурата намалява без промяна на обема. След това идва момент на изотермично намаляване на обема, последвано от повишаване на температурата без промяна на обема.
Това обаче са теоретичните процеси, които в реалността не изглеждат така, заради свойствата на газовете и използваните материали от конструкцията на двигателя да предават топлина.
Когато двигателят на Стърлинг се използва като термопомпа е по ефективен от останалите, като чрез вкараната механична енергия газът циркулира между разширителен и компресионен съд. Топлината се движи в посока от разширителния към компресионния съд.
Двигателят на Стърлинг може да използва източници на топлина, които принципно са в състояние да разрушат двигател с вътрешно горене. Подходящи са също така и ядрената, слънчевата и геотермалната енергия. Слънчевата енергия е особено подходяща при качествена система от огледала, която да насочва лъчите в нагревателя. Това е особено екологичен начин за добиване на енергия.
Няма коментари