У 1843 році його син Джеймс Стірлінг застосував двигун свого батька на заводі, де працював інженером. Ну, а вже в 1938 році були створені стирлинги потужністю до 200 к.с. і ККД рівним 30 відсоткам.
Принцип роботи цього двигуна полягає в чергуванні нагрівання та охолодження робочого тіла в повністю закритому циліндрі. Зазвичай робочим тілом є повітря, але можуть використовуватися і водень, і гелій, а також фреони, двоокис азоту, скраплений пропан-бутан і навіть вода. Причому вона залишається рідкою на всьому протязі термодинамічної циклу. Тобто конструкція двигуна на рідкість проста і використовує добре всім відоме властивість газів: від нагрівання їх обсяг збільшується, від охолодження - зменшується.
Один з численних саморобних стирлингов.
У двигуні Стірлінга використовується ... «цикл Стірлінга», який за своєю термодинамічної ефективності не тільки не гірше циклу Карно, але навіть має деякі переваги. У всякому разі, саме «цикл Стірлінга» дозволяє отримати працюючий двигун, зроблений зі звичайної консервної банки, буквально за пару годин.
Сам «цикл Стірлінга» включає чотири основні фази і дві перехідні: нагрів, розширення, перехід до джерела холоду, охолодження, стиснення і перехід до джерела тепла. Ну, а корисну роботу ми отримуємо в процесі розширення обсягу газу, що нагрівається.
Робочий цикл двигуна Стірлінга бета-типу: a - витіснювальний поршень; b - робочий поршень; з - маховик; d - вогонь (область нагрівання); e - охолоджуючі ребра (область охолодження).
Працює ж він так: є два циліндра і два поршня. Зовнішнє джерело тепла - а їм можуть бути хоч палаючі дрова, хоч газовий пальник, хоч сонячне світло - підвищує температуру газу в нижній частині теплообмінного циліндра. Виникає тиск, і воно штовхає робочий поршень вгору, причому витіснювальний поршень прилягає до стінок циліндра нещільно. Далі маховик, прокручуючи, штовхає його вниз.
Схема стірлінга з консервної банки.
При цьому гаряче повітря з нижньої частини циліндра надходить в охолоджувальну камеру. У робочій же камері він охолоджується і стискається, і тоді робочий поршень рухається вниз. Витіснювальний поршень йде вгору, і тим самим охолоджене повітря переміщається в нижню частину. Цикл, таким чином, повторюється. У стірлінга рух робочого поршня зрушено на 90 ° щодо поршня-витискувача.
Фото стірлінга з консервної банки.
Згодом з'явилося безліч «стирлингов» різної конструкції, названих по буквах грецького алфавіту: альфа, бета, гамма, у яких є відмінності в робочому циклі. Принципові відмінності між ними невеликі і зводяться до розташування циліндрів і розмірами поршнів.
Двигун Стірлінга з лінійним генератором змінного струму.
Альфа-стірлінг має два окремих силових поршня в різних циліндрах: гарячий і холодний. Циліндр з гарячим поршнем знаходиться в теплообміннику, що мають більш високу температуру, а циліндр з холодним поршнем, відповідно, в більш холодному. Регенератор (тобто теплообмінник) розташовується між гарячою частиною і холодної.
У бета-стірлінга циліндр всього один, гарячий з одного кінця і холодний з іншого. Усередині циліндра рухається поршень (з якого-то потужність і знімається) і витіснювач, який змінює обсяг гарячої його зони. Газ перекачується в гарячу частина циліндра з холодної частини циліндра через регенератор.
Гамма-стірлінг теж має поршень і витіснювач, і два циліндра -холодний (де рухається поршень, з якого відбувається зняття потужності) і гарячий (де відповідно рухається витіснювач). Регенератор буває зовнішнім, в цьому випадку він з'єднує гарячу частину другого циліндра з холодною і одночасно з першим (холодним) циліндром. Внутрішній же регенератор в цьому випадку представляє собою частину витіснювача.
Є різновиди двигуна Стірлінга, які не потрапляють під ці три класичних типу: наприклад - роторний двигун Стірлінга, в якому вирішені проблеми герметичності і немає кривошипно-шатунного механізму, так як він роторний.
Чим же гарні стирлинги і чим вони погані? Перш за все, вони всеїдні і можуть використовувати будь-який перепад температур, включаючи такий між різними верствами води в океані. Горіння в них носить постійний характер, чим досягається ефективне спалювання палива, а значить, вище його екологічність. До того ж він не має вихлопу. Менше рівень шуму - немає «вибухів» в циліндрах. Менше вібрація, наприклад, у бета-стірлінга. Робоче тіло Стірлінгом не витрачається. Конструкція двигуна виключно проста, йому не потрібні газорозподільні механізми. Стартер не потрібен, як не потрібна і коробка передач.
Простота і відсутність ряду «ніжних» вузлів забезпечують «Стірлінг» небувалу для всіх інших двигунів працездатність в десятки і сотні тисяч годин постійної роботи.
Шведська підводний човен «Готланд».
Недолік у стірлінга, в общем-то, один. Його можна перегріти і тоді він відразу ж вийде з ладу. До того ж для досягнення високого ККД в циліндрі повинен знаходитися газ під дуже високим тиском. Водень або гелій. А це виняткова точність підгонки всіх його робочих вузлів і спеціальна високотемпературна мастило. Ну і габарити ... ДВС камера згоряння не потрібна. Стірлінг без неї не може! А це зайвий обсяг і система ізоляції та охолодження!
«Сорю» - японський підводний човен з двигунами Стірлінга.
Втім, зміна пріоритетів, швидше за все, проб'є дорогу двигунів Стірлінга. Якщо на перше місце поставити екологічність, то з ДВС можна буде розпрощатися раз і назавжди. Крім того, на них покладаються великі надії по створенню перспективних сонячних енергоустановок. Їх уже зараз застосовують в якості автономних генераторів для туристів. А деякі підприємства налагодили випуск стирлингов, які працюють від звичайної конфорки газової печі. NASA також розглядає варіанти генераторів електроенергії на основі «стірлінга» з приводом від ядерних і радіоізотопних джерел тепла. Зокрема, таким Стірлінгом укупі з електрогенератором планується використовувати в планованої NASA космічної експедиції до Титану.
Цікаво, що якщо запустити двигун Стірлінга в зворотному режимі, тобто крутити маховик від іншого двигуна, то він буде працювати як холодильна машина (зворотний цикл Стірлінга), причому саме такі машини виявилися дуже ефективними для отримання зріджених газів.
Ну, а тепер, оскільки сайт у нас військовий, відзначимо, що стирлинги ще в 60-ті роки минулого століття тестувалися на шведських підводних човнах. А потім в 1988 році стирлинги стали основним двигуном субмарини типу «Накка». З ними вона перебувала в плаванні під водою протягом більше 10 000 годин. За «Наккеном» пішли вже серійні субмарини типу «Готланд», що стали першими підводними човнами, оснащеними двигунами Стірлінга, що дозволяє їм до 20 діб перебувати під водою. Сьогодні все субмарини ВМС Швеції мають стірлінг-мотори, а шведські суднобудівники відпрацювали оригінальну технологію установки таких двигунів на звичайні підводні човни, за допомогою врізання в них додаткового відсіку з новою руховою установкою. Працюють вони на рідкому кисні, який потім використовують в човні для дихання, і відзначається, що у них дуже низький рівень шуму. Ну а названі вище недоліки (розміри і проблема охолодження) на підводному бойовому кораблі істотного значення не мають. Приклад шведів здався японцям вартим уваги, і тепер стирлинги стоять і на японських субмаринах типу «Сорю». Саме ці двигуни розглядаються сьогодні як найперспективніші всережимним єдині двигуни для субмарин 5-го покоління.
А ось так виглядає стірлінг студента Пензенського держуніверситету Миколи Шевельова.
Початок роботи - «творчий хаос».
«Мені завжди подобалася техніка, але особливо двигуни. З великим інтересом займаюся доглядом, ремонтом і настроюванням. Дізнавшись про двигун Стірлінга, я був захоплений їм, як ніяким іншим двигуном. Світ стирлингов настільки різноманітний і великий, що описати всі можливі варіанти його виконання просто неможливо. Жоден інший двигун не дасть такого розмаїття в плані конструкції, а головне можливість виготовити його своїми руками.
«Токарні справи!» (Розумний студент, весь процес роботи на пам'ять відзняв. Пред'явіть, громадянин, кінофотодокументи підтверджують. А ось вони!)
Сам я живу в селі, можна сказати в передмісті, мама-бухгалтер, а тато-столяр, так що звертатися до них за порадою по будівлі двигуна було якось недоречно. І я звернувся до свого сусіда, Геннадію Валентиновичу, за допомогою, він працював на нині розваленому заводі "КЗТМ» в м Кузнецьк. Для нього ця саморобка здалася досить незвичайної, він уважно мене вислухав, подивився мої начерки, щось підкоригував.
Загалом, на наступний день Геннадій Валентинович привіз мені алюмінієву болванку довжиною близько 1 м і в діаметрі близько 50 мм. Я дуже зрадів, відпиляв необхідні мені заготовки і вже на наступний день відправився в школу пробувати точити нагрівач і холодильник для мого ДВС. Точив я на навчальному токарному верстаті (на якому ще дідусь Ленін працював).
Підсумок вінчає справу! Кут підставки обгорів під час випробувань.
Виявилися недоліки, пластмасові шарніри були замінені на фторопластові, маховик був полегшений і отбалансирован, поршень отримав фторопластову приставку для більш низькою теплопередачі, а холодильник став з більшою площею охолодження. Після доведень двигун значно поліпшив свої технічні показники.
Сам я був в повному захваті. Приходячи до мене додому, друзі насамперед підходять саме до нього, цікавляться, просять запустити. Геннадій Валентинович возив показати стірлінг до себе на роботу, всім було дуже цікаво, навіть не треба було когось кликати, все самі підходили, дивилися, цікавилися ».
Звуть молодого людини Микола Шевельов, і він староста групи. Відвів я його до декана, і ми всі втрьох дуже добре поговорили. А потім я згадав статистику, що для просування людства по шляху науково-технічного прогресу достатньо всього 2% населення планети. Порахував загальна кількість студентів і зрозумів, що ... особливо турбуватися не варто. З такими, як Микола, прогрес нам все одно буде забезпечений!