Принцип действия многих тепловых двигателей состоит в том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем при сжатии холодного газа.
Сжатие, нагрев, расширение, охлаждение – вот четыре основных процесса, необходимых для функционирования теплового двигателя.
Каждый из вышеперечисленных процессов возможно проводить различными путями.
Охлаждение и нагрев газа могут протекать в замкнутой полости при постоянном объеме (изохорный процесс) или под движущимся поршнем при постоянном давлении (изобарный процесс). Сжатие и расширение газа могут происходить при постоянной температуре (изотермический процесс) или без теплообмена с окружающей средой (адиабатический процесс). Конструируя замкнутые циклы из различных комбинаций этих процессов, нетрудно получить теоретические циклы, по которым работают все современные тепловые двигатели.
Комбинация из двух адиабат и двух изохор образует теоретический цикл бензинового двигателя (двигатель Отто). Заменяя в этой комбинации изохору, по которой идет нагревание газа на изобару, получим цикл дизельного двигателя (двигатель Дизеля). Две адиабаты и две изобары дадут теоретический цикл газовой турбины.
Среди всех возможных циклов комбинация из двух адиабат и двух изотерм играет особо важную роль в термодинамике. По такому циклу – циклу Карно – должен работать двигатель, имеющий самый высокий КПД для данного интервала температур. Двигатели, работающие по другим циклам, гораздо менее экономичны. И все-таки до настоящего времени никому не удалось по-строить двигатель, реализующий цикл Карно. Почему? Об этом мы поговорим позже.
Трудно предположить, чтобы в тепловых машинах внешнего сгорания были заложены какие-либо возможности, позволяющие конкурировать с двигателями внутреннего сгорания хотя бы по экономичности. В двигателях внешнего сгорания топливо сжигается вне рабочего цилиндра и тепло подводится к рабочему телу через стенку цилиндра. Наивысшая температура цикла ограничена определенными значениями. Казалось бы, ожидать какого-либо выигрыша и в размерах такого двигателя не следует. Циклы, по которым работают cтирлинги, как уже упоминалось выше, состоят из двух изотерм и двух изобар. Достаточно построить диаграммы этих двигателей, чтобы убедится, что при работе на атмосферном воздухе их размеры получаются огромными.
Строго говоря, двигатель Стирлинга может работать и без регенератора. Это объясняется тем, что при нагреве газа на изохоре требуется тепла меньше, чем при нагреве газа по изобаре. Включение регенератора в рабочий цикл двигателя внешнего сгорания придает последнему уникальные свойства.
Чтобы нагреть воздух до определенной температуры при постоянном давлении, следует запасти в регенераторе больше тепла, чем для нагрева воздуха при постоянном объеме. Охлаждение отработавшего расширившегося воздуха в регенераторе тоже происходит при постоянном давлении, значит, здесь запасается ровно столько тепла, сколько требуется для нагрева сжатого воздуха, идущего в рабочий цилиндр. И уже первые расчеты, произведенные голландцами при проектировании cтирлингов, ошеломили создателей этих машин: КПД двигателей внешнего сгорания может достигать 70%. И в 1944 году голландцы запустили опытную модель Стирлинга. Правда, эта опытная модель показала КПД 39%, но модель оказалась экономичней газовой турбины с КПД 26%, авиационного бензинового двигателя с КПД 28–30% и лучших дизелей с КПД 32–35% (однако следует помнить – это была середина прошлого столетия!).
Итак, основные особенности работы двигателя Стирлинга заключаются в следующем:
– в двигателе происходит преобразование тепловой энергии в механическую посредством сжатия постоянного количества рабочего тела при низкой температуре и последующего (после периода нагрева) его расширения при высокой температуре. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень совершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабатывает полезную механическую энергию;
– при наличии регенерации необходимо только подводить тепло, чтобы не допускать охлаждения рабочего тела при его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии;
– изменение температуры рабочего тела обеспечивается наличием разде-ленных холодной и горячей полостей двигателя по соединительным каналам, между которыми под действием движения поршней перемещается рабочее тело;
– изменения объема в этих двух полостях должны не совпадать по фазе, а получающиеся в результате циклические изменения суммарного объема, в свою очередь, не должны совпадать по фазе с циклическим изменением давления. Это – условие получения механической энергии на валу двигателя.
Таким образом, принцип стирлинга – это попеременный нагрев и охлаж-дение заключенного в изолированном пространстве рабочего тела. Однако нагрев в двигателе внешнего сгорания происходит за счет тепла, подводимого к газу извне, через стенку цилиндра. Из-за существенной теплоемкости стенки цилиндра невозможно, естественно, нагреть или охладить газ с помощью быстрого нагрева или охлаждения самой стенки. Известно, что Роберт Стирлинг ис-пользовал периодическое изменение температуры газа, применяя вытеснительный поршень (вытеснитель). Вытеснитель заставляет перемещаться газ в одну из двух полостей цилиндра, одна из которых находится при постоянной низкой, а другая при постоянной высокой температуре.
