18:00 28.12.2021

Роберт Стірлінг (25.10.1790 – 06.06.1878)

Є історія про людину, життя якої точно варте пари хвилин для прочитання.

Роберт Стірлінг народився 25 жовтня 1790 року у Глоазі (графство Пертшир у Шотландії) в сім’ї Агнес і Патріка Стірлінгів. Він був третім за старшинством у родині з восьми дітей. Його дід по батьківській лінії виробляв молотарки, дід по материнській лінії працював фермером.

Роберт зарекомендував себе як блискучий студент в Единбурзькому університеті з 1805 по 1808 рік, вивчаючи латину, грецьку, математику, логіку. Потім студіював богослов’я в університеті Глазго, щоб стати священиком пресвітеріанської Шотландської церкви. У лютому 1824 року був призначений священиком парафіяльної церкви Галстона, де проводив служіння до 1878 року.

Стірлінг був винахідником тепло-повітряного двигуна.

Роберт Стірлінг одружився 10 липня 1819 року із Джоан Ранкін, дочкою Вільяма Ранкіна, виноторговця з Кілмарнок, і Джоан Маккей. У сім’ї Роберта та Джоан Стірлінг було семеро дітей.

Син Патрік Стірлінг, який народився 29 червня 1820 року, став відомим інженером-залізничником. Дочка Джейн Стірлінг, що з’явилася на світ 25 вересня 1821-го, надихала своїх друзів власними ідеями. Син Вільям Стірлінг, який народився 14 листопада 1822 року, був інженером-будівельником та інженером залізниць у Південній Америці. Син Роберт Стірлінг, з’явився на світ 16 грудня 1824 року, працював інженером-залізничником у Перу. Син Девід Стірлінг, народився 12 жовтня 1828-го, пішов стопами батька і став священиком у Крейгі, Ейршир. Син Джеймс Стірлінг, що з’явився на світ 2 жовтня 1835-го, був ще одним відомим інженером-залізничником. Дочка Агнес Стірлінг, що народилася 22 липня 1838 року, була обдарованою художницею, чиї таланти були відомі лише у родинному колі.

Преподобний Роберт Стірлінг помер у Галстоні, Східний Ейршир, 6 червня 1878 року. Він був похований на місцевому цвинтарі. У грудні 2014 року за громадською підпискою було встановлено новий надгробний камінь на місці оригінального, який зруйнувався від часу. Його було повторно освячено у неділю, 3 травня 2015 року.

Життя Роберта Стірлінга протікало в ХІХ столітті, коли було здійснено безліч наукових і технічних відкриттів. Імовірно, це бродіння ідей, його природна цікавість і прагматизм, а також альтруїзм спонукали Роберта Стірлінга винайти «двигун гарячого повітря з економом тепла». Патент був поданий 27 вересня 1816-го і набув чинності 20 січня 1817 року.

Оригінальне креслення двигуна Стірлінга з опису патента

Термін «двигун гарячого повітря» спеціально виключає будь-який двигун, що працює за термодинамічним циклом, у якому робоче тіло зазнає фазового переходу (випаровування та конденсація, наприклад, води), такий як цикл Ренкіна. Також виключені звичайні двигуни внутрішнього згоряння, у яких тепло додається до робочого тіла за рахунок згоряння палива у робочому циліндрі. Типи безперервного горіння, такі як двигун постійного горіння Джорджа Брайтона та газова турбіна, можна розглядати як суміжні випадки.

На той час котли парових машин часто вибухали і призводили до людських жертв. Причиною катастроф були конструктивні недоробки, низька якість сталі та майже повна відсутність правил експлуатації й обслуговування посудин, що працюють під тиском. Попередні версії повітряного теплового двигуна (Гійом Амонтон, Джордж Келлі) були недосконалі, громіздкі та мали дуже малий коефіцієнт корисної дії.

Ймовірно, це спонукало Роберта Стірлінга уявити двигун без котла, схильного до надто сильного тиску. Принцип роботи двигуна відносно простий: нагрівання від зовнішнього джерела тепла, робоче тіло — повітря з помірним надлишковим тиском, яке працює за таким циклом: нагрівання, розширення, охолодження, потім стиснення.

Роберт Стірлінг також вигадав регенератор (економ) тепла, що дає можливість підвищити коефіцієнт корисної дії агрегату. Регенератор є трубкою, всередині якої розміщений насадок із металевої дротяної сітки, гранул або гофрованої фольги. Дроти або гофри фольги спрямовані вздовж потоку газу, щоб мінімізувати аеродинамічний опір. Гаряче повітря, проходячи через регенератор, віддає частину свого тепла насадку. Своєю чергою, охолоджене повітря, проходячи через цей же регенератор, забирає тепло насадка і від цього нагрівається.

Термодинамічні засади роботи двигуна Стірлінга

Цикл Стірлінга є окремим випадком, описаним 1824 року Саді Карно у праці «Роздуми про рушійну силу вогню та про машини, здатні розвивати цю силу» (Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance). Цикл Карно в узагальненій математичній формі описує роботу будь-якої теплової машини (двигуна Дизеля, двигуна Отто, двигуна Стірлінга, парової машини, парової та газової турбіни, а також холодильної установки й теплового насоса). Якщо накреслити діаграму роботи теплової машини в координатах V-обсяг (вісь абсцис) і p-тиск (вісь ординат), то графіки набудуть такого вигляду.

Для циклу двигуна Стірлінга:

ділянка 1–2 — ізотермічне розширення (постійна температура),
ділянка 2–3 — ізохорне охолодження (постійний обсяг),
ділянка 3–4 — ізотермічне стискання (постійна температура),
ділянка 4–1— ізохорне нагрівання (постійний об’єм),
Тн — температура нагрівача,
Тс — температура радіатора (охолоджувача),
V1 — мінімальний обсяг робочого тіла (газу),
V2 — максимальний обсяг робочого тіла (газу).

Для циклу Карно:

А–B — ізотермічне розширення (температура постійна),
B–C — адіабатичне розширення (температура зменшується),
C–D — ізотермічне стискання (температура постійна),
D–A — адіабатичне стискання (температура збільшується),
Т1 — температура нагрівача,
Т2 — температура радіатора (охолоджувача).

Двигун Стірлінга у найпростішому випадку складається із двох циліндрів із поршнями та кривошипно-шатунного (кривошипно-крейцкопфного) механізму з маховиком. Порожнини циліндрів з’єднані трубкою. Циліндр меншого обсягу — робочий. У ньому робоче тіло (газ) розширюється та виконує корисну роботу. Циліндр більшого обсягу нагрівається з одного боку та охолоджується з іншого за допомогою радіатора. Поршень у циліндрі більшого об’єму — витискувач. Він переміщує робоче тіло (газ) то у нагріту, то у холодну частини циліндра. Між поршнем-витискувачем і циліндром є зазор перетікання робочого тіла над поршнем під поршень і назад. Можна поєднати поршень-витискувач із регенератором, тоді перший слід виготовити з металевої дротяної губки і він має щільно прилягати до дзеркала циліндра. Перетікання робочого тіла і теплообмін із регенератором відбувається по дрібних зазорах між металевими дротами.

Нагрівання у двигуні Стірлінга може відбуватися різними засобами: у результаті спалювання твердого, рідкого або газоподібного палива, використання тепла від радіоактивного розпаду, геотермального тепла, поглинання сонячної інфрачервоної радіації, теплових акумуляторів. Охолодження у двигуні Стірлінга відбувається шляхом теплопровідності, конвекції та випромінювання. Таким чином, двигун може працювати на суші, під водою та в космосі. Головне, щоб був перепад температур. Для запуску двигуна потрібен стартер.

Брат Роберта Джеймс Стірлінг упровадив цей двигун у виробництво 1843 року, щоб використати на підприємстві, де він працював інженером. У березні 1843 року Стірлінг поставив потужний двигун (на той час) на ливарну фабрику Dundee Foundry Company у Шотландії. Машина мала потужність 34 кВт при частоті обертання 28 об/хв, діаметр циліндра 0,4 м, хід поршня 1,22 м та водяне охолодження. Вперше був використаний регенератор (економайзер) із дротяної сітки. Витрата палива двигуна становила лише третину від аналогічної витрати паровою машиною тієї ж потужності. Цей двигун працював чотири роки і мав ККД 18%, найбільший для двигунів у XIX столітті. Його застосовували для перекачування води. Однак він, імовірно, не мав того успіху, якого могли б бажати Роберт Стірлінг і його брат Джеймс, із міркувань конкурентоспроможності. Парова машина, хоч і небезпечніша у той час, була більш поширена. Потім з’явилися перші промислові електродвигуни.

Як самому зробити двигун Стірлінга?

1938 року голландська компанія «Філіпс» інвестувала у двигун Стірлінга. Спочатку його випробували на моторному човні. Потім випустили серію зі 100 двигунів Philips MP1002CA для живлення лампової радіоапаратури в країнах, позбавлених інфраструктури. Були пропозиції використати цей двигун у автомобільній сфері. Так з’явився компактний двигун потужністю понад 200 кінських сил і ККД понад 30%. Замість повітря як робоче тіло використовується водень або гелій під тиском понад 100 атмосфер. На початку ХХІ століття ККД двигуна Стірлінга досягає 40% порівняно з бензиновим та дизельним двигунами (28–30% та 32–42%). На жаль, із причин конкуренції ця пропозиція не мала очікуваного успіху.

Роберт Стірлінг і його двигун не мають тієї слави, на яку заслуговують. Через два століття після народження Роберта Стірлінга цілком імовірно, що ХХІ століття, з його проблемами в галузі енергетики та екології, виправить цю несправедливість.

Скептицизм щодо великих винаходів не новий. Докази цього наведені нижче. Заперечення, як це часто буває, надходять від дуже відомих людей, які бояться, коли заперечують їхню «правду». Шотландський священик представив на Лондонському факультеті двигун, роботу якого ніхто не розумів. Противником його став Джеймс Уатт, його слава і його паровий двигун. Проте Роберт Стірлінг дав викладачам зразок свого двигуна. Трохи пізніше той опинився у погребі. Через 70 років лорд Кельвін знаходить цей двигун. Він бере його до лабораторії та ремонтує. Зіставляючи цей двигун із працею Саді Карно, він розуміє, як це працює, і пояснює це! Таким чином, він ґрунтується на іншому принципі термодинаміки.

Відомим є лист Роберта Стірлінга, написаний ним 1876 року стосовно винаходу Генрі Бессемером революційного процесу, що суттєво поліпшував якість і механічні характеристики сталі, яку виплавляють. Це дало змогу стрімко збільшити тиск у котлах парових машин, що підвищувало їх ККД. Водночас Роберт Стірлінг висловлював оптимізм стосовно того, що якісніша сталь дасть можливість удосконалити і його двигун, зробивши більш конкурентоспроможним.

Зараз накопичено певний досвід у застосуванні двигунів Стірлінга в певних галузях техніки. Зокрема, із двигуном Стірлінга були побудовані такі автомобілі:

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

1983 року Леннарт Лундстрем на гоночній машині Porsche 909 Bergspyder із чотирициліндровим двигуном Стірлінга V2X36 досяг швидкості 200 км/год. Певний час цей автомобіль, що встановив рекорд, експонували в музеї міста Мальме.

Аби забезпечити потреби комунального господарства, випускають комбіновані когенераційні установки (теплообмінник і двигун Стірлінга VITOTWIN 300-W Mikro-KWK) — для опалення, гарячого водопостачання та вироблення електроенергії. У цьому випадку комбінована установка має загальний коефіцієнт корисної дії понад 80%, оскільки виробляє як електричну енергію, так і тепло.

Матеріал для виготовлення двигунів Стірлінга, який повинен витримувати екстремальні температури і тиск газу і водночас бути легким, поки що занадто дорогий, аби конкурувати зі звичайними бензиновими та дизельними двигунами. На підводних човнах, де альтернативою є атомна енергетика, розрахунок інший.

Також із двигуном Стірлінга були побудовані й експлуатуються підводні човни:

1987-го — дослідна «Сага», Франція (1 корабель), 2 двигуни Стірлінга Kockums загальною потужністю 204 к.с.;

1996-го — підводні човни типу «Готланд», Швеція (3 кораблі), 2 двигуни Стірлінга Kockums 275R Stirling AIP загальною потужністю 204 к.с.;

2009-го — підводні човни типу «Сорю», Японія (12 кораблів), 4 двигуни Стірлінга Kawasaki Kockums V4-275R загальною потужністю 8000 к.с.

Перероблені двигуни Коккума для підводних човнів уже зараз значно дешевші, ніж атомна паросилова установка. Ще одна перевага двигуна Стірлінга перед двигунами внутрішнього згоряння — безшумність і плавність роботи, зумовлені відсутністю вихлопу та різких перепадів тиску газу (детонація). Порівняно невелика швидкість обертання колінчастого валу двигуна спричинена підвищенням аеродинамічного опору руху робочого тіла всередині двигуна на високих швидкостях.

Вона є як недоліком, так і перевагою. Недолік полягає в тому, що мінімізувати габаритні розміри двигуна Стірлінга можна до певних меж. Перевага — в меншій вимогливості до якості мастила частин, що рухаються, і більшому міжремонтному ресурсу двигуна.

На сонячних електростанціях перевага також на користь двигуна Стірлінга. Альтернатива — сонячні напівпровідникові елементи, але вони мають менший ККД, обмежений термін експлуатації і не дешевші за відповідний двигун Стірлінга.

Двигун Стірлінга використовує енергію Сонця

Наразі на замовлення NASA розробляють двигун Стірлінга для установки на космічних апаратах, що працюють у глибокому космосі, в яких не можуть використовуватися батареї сонячних напівпровідникових елементів через велике віддалення від Сонця. Порівняно з РІТЕГ (радіоізотопний термоелектричний електрогенератор) двигун Стірлінга обіцяє бути компактнішим із великим коефіцієнтом корисної дії.

Порівняльні техніко-економічні показники різних теплових двигунів

Питома маса двигуна (вагова віддача двигуна)

N	Вид двигуна	Питома вага двигуна		ККД	Примітка
1	ДВЗ автомобiльний	1,1–6,8 кг/кВт	0,8–5 кг/к.с.	20–35%
2	Дизель автомобільний	1–4,8 кг/кВт	0,74–3,5 кг/к.с.	30–54%
3	ДВЗ авіаційний	0,5–0,7 кг/кВт	0,37–0,5 кг/к.с.	20–25%
4	ДВЗ корабельний	0,7–9,5 кг/кВт	0,5–7 кг/к.с.	25–40%	Газотурбінна установка з вільно-поршневим генератором газу
5	Газотурбінний (турбогвинтовий) двигун	0,14–0,4 кг/кВт	0,1–0,3 кг/к.с.	20–36%	Газова турбiна T16
6.	Двигун Стiрлiнга автомобiльний	2,4–7,3 кг/кВт	1,77–5,37кг/к.с.	35–45%
7.	Парова машина	4,21-10,05кг/кВт	3,1–7,4 кг/к.с.	5–15%	Літак Гайрема Максима
8.	Парова турбiна	3,6–6 кг/кВт	2,64–4,42кг/к.с.	25–40%