Роберт Стирлинг (25.10.1790 – 06.06.1878)

Роберт Стирлинг родился 25 октября 1790 года в Глоаге (в графстве Пертшир в Шотландии) в семье Агнес и Патрика Стирлингов. Он был третьим по старшинству в семье из восьми детей. Его дед по отцовской линии производил молотилки, дед по материнской линии был фермером.

Роберт блестяще учился в Эдинбургском университете с 1805 по 1808 год, изучая латынь, греческий язык, математику, логику. Затем штудировал богословие в университете Глазго, чтобы стать священником пресвитерианской Шотландской церкви. В феврале 1824 года был назначен священником приходской церкви Галстона, где продолжал своё служение до 1878 года.

Стирлиг был изобретателем тепло-воздушного двигателя.

Роберт Стирлинг женился 10 июля 1819 года на Джоан Ранкин, дочери Уильяма Ранкина, виноторговца из Килмарнок, и Джоан Маккей. В семье Роберта и Джоан Стирлинг было семеро детей.

Сын Патрик Стирлинг, родившийся 29 июня 1820 года, стал известным инженером-железнодорожником. Дочь Джейн Стирлинг, появившаяся на свет 25 сентября 1821 года, воодушевляла своих друзей собственными идеями. Сын Уильям Стирлинг, родившийся 14 ноября 1822 года, был инженером-строителем и инженером железных дорог в Южной Америке. Сын Роберт Стирлинг, появившийся на свет 16 декабря 1824 года, работал инженером-железнодорожником в Перу. Сын Дэвид Стирлинг, родившийся 12 октября 1828 года, пошёл по стопам отца и стал священником в Крейги, Эйршир. Сын Джеймс Стирлинг, появившийся на свет 2 октября 1835 года, был ещё одним известным инженером-железнодорожником. Дочь Агнес Стирлинг, родившаяся 22 июля 1838 года, была одарённой художницей, чьи таланты были известны только в кругу семьи.

Преподобный Роберт Стирлинг умер в Галстоне, Восточный Эйршир, 6 июня 1878 года. Он похоронен на местном кладбище. В декабре 2014 года по общественной подписке был установлен новый надгробный камень на месте оригинального, который разрушился от времени. Он был повторно освящён в воскресенье, 3 мая 2015 года.

Жизнь Роберта Стирлинга протекала в XIX веке, когда было совершено множество научных и технических открытий. Вероятно, это брожение идей, природное любопытство и прагматизм, а также альтруизм побудили Роберта Стирлинга изобрести «двигатель горячего воздуха с экономом тепла». Патент был подан 27 сентября 1816 года и вступил в силу 20 января 1817 года.

Термин «двигатель горячего воздуха» специально исключает любой двигатель, работающий по термодинамическому циклу, в котором рабочее тело претерпевает фазовый переход (испарение и конденсация например воды), такой как цикл Ренкина. Также исключены обычные двигатели внутреннего сгорания, в которых тепло добавляется к рабочему телу за счёт сгорания топлива в рабочем цилиндре. Типы непрерывного горения, такие как двигатель постоянного горения Джорджа Брайтона и газовая турбина, можно рассматривать как пограничные случаи.

В то время котлы паровых машин часто взрывались и вызывали человеческие жертвы. Причиной катастроф были конструктивные недоработки, низкое качество стали и почти полное отсутствие правил эксплуатации и обслуживания сосудов, работающих под давлением. Предшествовавшие версии воздушного теплового двигателя (Гийом Амонтон, Джордж Келли) были несовершенны, громоздки и имели весьма малый коэффициент полезного действия.

Вероятно, это побудило Роберта Стирлинга представить двигатель без котла, подверженного слишком сильному давлению. Принцип работы двигателя относительно прост: нагрев от внешнего источника тепла, рабочее тело — воздух с умеренным избыточным давлением, который работает по следующему циклу: нагрев, расширение, охлаждение, затем сжатие.

Роберт Стирлинг также придумал регенератор (эконом) тепла, позволяющий повысить коэффициент полезного действия агрегата. Он представляет собой трубку, внутри которой находится насадок из металлической проволочной сетки, гранул или гофрированной фольги. Направление проволок или гофров фольги ориентировано вдоль потока газа для минимизации аэродинамического сопротивления. Горячий воздух, проходя через регенератор, отдаёт часть своего тепла насадку. В свою очередь охлаждённый воздух, проходя через этот же регенератор, забирает тепло насадка и от этого нагревается.

Термодинамические основы работы двигателя Стирлинга

Цикл Стирлинга является частным случаем цикла, описанного в 1824 году Сади Карно в работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance). Цикл Карно в обобщённой математической форме описывает работу любой тепловой машины (двигателя Дизеля, двигателя Отто, двигателя Стирлинга, паровой машины, паровой и газовой турбины, а также холодильной установки и теплового насоса). Если начертить диаграмму работы тепловой машины в координатах V-объём (ось абсцисс) и p-давление (ось ординат), то графики примут следующий вид.

Для цикла двигателя Стирлинга:

• участок 1–2 — изотермическое расширение (постоянная температура),
• участок 2–3 — изохорное охлаждение (постоянный объём),
• участок 3–4 — изотермическое сжатие (постоянная температура),
• участок 4–1 — изохорный нагрев (постоянный объём),
• Тн — температура нагревателя,
• Тс — температура радиатора (охладителя),
• V1 — минимальный объём рабочего тела (газа),
• V2 — максимальный объём рабочего тела (газа).

Для цикла Карно:

• А–B — изотермическое расширение (температура постоянна),
• B–C — адиабатическое расширение (температура уменьшается),
• C–D — изотермическое сжатие (температура постоянна),
• D–A — адиабатическое сжатие (температура увеличивается),
• Т1 — температура нагревателя,
• Т2 — температура радиатора (охладителя).

Двигатель Стирлинга в простейшем случае состоит из двух цилиндров с поршнями и кривошипно-шатунного (кривошипно-крейцкопфного) механизма с маховиком. Полости цилиндров соединяются трубкой. Цилиндр меньшего объёма — рабочий. В нём рабочее тело (газ) расширяется и совершает полезную работу. Цилиндр большего объёма нагревается с одного торца и охлаждается с другого посредством радиатора. Поршень в цилиндре большего объёма — вытеснитель. Он перемещает рабочее тело (газ) то в нагретую, то в холодную часть цилиндра. Между поршнем-вытеснителем и цилиндром имеется зазор для перетока рабочего тела над поршнем под поршень и обратно. Можно совместить поршень-вытеснитель с регенератором, тогда первый выполняется из металлической проволочной губки и плотно прилегает к зеркалу цилиндра. Переток рабочего тела и теплообмен с регенератором происходит по мельчайшим зазорам между металлическими проволоками.

Нагрев в двигателе Стирлинга может происходить разными способами: в результате сжигания твёрдого, жидкого или газообразного топлива, использования тепла от радиоактивного распада, геотермального тепла, поглощения солнечной инфракрасной радиации, тепловых аккумуляторов. Охлаждение в двигателе Стирлинга происходит путём теплопроводности, конвекции и излучения. Таким образом, двигатель может работать на суше, под водой и в космосе. Главное, чтобы был в наличии перепад температур. Для пуска двигателя в ход необходим стартер.

Брат Роберта Джеймс Стирлинг внедрил этот двигатель в производство в 1843 году, чтобы использовать на предприятии, где он работал инженером. В марте 1843 года Стирлинг поставил мощный двигатель (для того времени) на литейную фабрику Dundee Foundry Company в Шотландии. Машина имела мощность 34 кВт при частоте вращения 28 об./мин, диаметр цилиндра 0,4 м, ход поршня 1,22 м и водяное охлаждение. Впервые был использован регенератор (экономайзер) из проволочной сетки. Расход топлива двигателя составлял всего треть от аналогичного расхода паровой машиной той же мощности. Этот двигатель работал четыре года и имел КПД 18%, самый большой для двигателей в XIX веке. Этот двигатель применяли для перекачивания воды. Однако он, вероятно, не имел того успеха, которого могли бы пожелать Роберт Стирлинг и его брат Джеймс, из соображений конкурентоспособности. Паровая машина, хотя и более опасная в то время, была более распространена. Затем появились первые промышленные электромоторы.

Как самостоятельно сделать двигатель Стирлинга?

В 1938 году голландская компания «Филипс» инвестировала в двигатель Стирлинга. Вначале двигатель опробовали на моторной лодке. Потом выпустили серию из 100 двигателей Philips MP1002CA для питания ламповой радиоаппаратуры в странах, лишённых инфраструктуры. Были предложения использовать этот двигатель в автомобильной сфере. Так появился компактный двигатель мощностью более 200 лошадиных сил и КПД более 30%. Вместо воздуха в качестве рабочего тела используется водород или гелий под давлением свыше 100 атмосфер. К началу XXI века КПД двигателя Стирлинга достигает 40% в сравнении с бензиновым и дизельным двигателем (28–30% и 32–35%). К сожалению, по причинам конкуренции это предложение не имело ожидаемого успеха.

Роберт Стирлинг и его двигатель не имеют той славы, которую заслуживают. Спустя более двух столетий после рождения Роберта Стирлинга вполне вероятно, что XXI век, с его проблемами в области энергетики и экологии, исправит эту несправедливость.

В настоящее время накоплен определённый опыт в применении двигателей Стирлинга в следующих областях техники.

С двигателем Стирлинга были построены автомобили:

• 1969 год — GM Stir-Lec Opel Kadett,
• 1972-й — Ford Pinto V4X31,
• 1974-й — Ford Taunus V4X35,
• 1975-й — Ford Gran Torino V4X1,
• 1979-й — AMC Spirit, P-40,
• 1982-й — Lundström Porsche V2X36.

В 1983 году Леннарт Лундстрем на гоночной машине Porsche 909 Bergspyder с четырёхцилиндровым двигателем Стирлинга V2X36 достиг скорости 200 км/ч. Некоторое время этот автомобиль, установивший рекорд, экспонировали в музее города Мальмё.

Чтобы обеспечить нужды коммунального хозяйства, выпускают комбинированные когенерационные установки (теплообменник и двигатель Стирлинга VITOTWIN 300-W Mikro-KWK) — для отопления, горячего водоснабжения и выработки электроэнергии. В этом случае комбинированная установка имеет общий коэффициент полезного действия более 80%, поскольку вырабатывает не только электрическую энергию, но и тепло.

Материал двигателей Стирлинга, который должен выдерживать экстремальные температуры и давление газа и в то же время быть лёгким, пока слишком дорог, чтобы конкурировать с обычными бензиновыми и дизельными двигателями. На подводных лодках, где альтернативой является атомная энергетика, расчёт другой.

Были построены и эксплуатируются подводные лодки с двигателем Стирлинга:

• 1987 год — исследовательская «Сага», Франция (1 корабль), 2 двигателя Стирлинга Kockums общей мощностью 204 л.с;
• 1996-й — подводные лодки типа «Готланд», Швеция (3 корабля), 2 двигателя Стирлинга Kockums 275R Stirling AIP общей мощностью 204 л.с;
• 2009-й — подводные лодки типа «Сорю», Япония (12 кораблей), 4 двигателя Стирлинга Kawasaki Kockums V4-275R общей мощностью 8000 л.с.

Переработанные двигатели Коккума для подводных лодок уже сейчас значительно дешевле, чем атомная паросиловая установка. Ещё одно преимущество двигателя Стирлинга перед двигателями внутреннего сгорания — бесшумность и плавность работы, обусловленные отсутствием выхлопа и резких перепадов давления газа (детонация). Сравнительно небольшая скорость вращения коленвала двигателя вызвана повышением аэродинамического сопротивления движению рабочего тела внутри двигателя на высоких скоростях. Она является как недостатком, так и преимуществом. Недостаток состоит в том, что минимизировать габаритные размеры двигателя Стирлинга можно до известных пределов. Преимущество заключается в меньшей требовательности к качеству смазки движущихся частей и большему межремонтному ресурсу двигателя.

На солнечных электростанциях преимущество также в пользу двигателя Стирлинга. Альтернатива — солнечные полупроводниковые элементы, но они имеют меньший КПД, ограниченный срок эксплуатации и не дешевле соответствующего двигателя Стирлинга.

Двигатель Стирлинга использует энергию Солнца

В настоящее время по заказу NASA разрабатывается двигатель Стирлинга для установки на космических аппаратах, работающих в глубоком космосе, в которых не могут использоваться батареи солнечных полупроводниковых элементов из-за большого удаления от Солнца. По сравнению с РИТЭГ (радиоизотопный термоэлектрический электрогенератор) двигатель Стирлинга обещает быть более компактным с большим коэффициентом полезного действия.

Сравнительные технико-экономические показатели различных тепловых двигателей

Удельная масса двигателя (весовая отдача двигателя)

Источники

1. http://zhurnalko.net/=nauka-i-tehnika/tehnika-molodezhi/1966-01--num38 «Техника – молодёжи» 1966-01, с. 38
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Stirling
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_cycle
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_engine
5. https://lescompagnonsdusaga.org/histoire-du-saga/    Histoire du SAGA
6. https://en.wikipedia.org/wiki/S%C5%8Dry%C5%AB-class_submarine
7. https://sv.wikipedia.org/wiki/Gotland-klass
8. http://viessmann.com.ua/sistemy-otoplenia-463/Kogeneracionnaia_ustanovka_VITOTWIN_300-W_Mikro-KWK_s_dvigatelem_Stirlinga.html  Когенерационная установка с двигателем Стирлинга
9. http://energychallenge.com/ST_TA2_1.pdf  The txperimental V4X Stirling engine – A hioneering development
10. https://www.nyteknik.se/fordon/stirlingveteran-i-nytt-solkraftsprojekt-6410412 Stirlingveteran i nytt solkraftsprojekt