Двигателят на преподобния Стърлинг: Към седмото небе

На 19 септември 1816 година, издържал всички изпити в срок, Робърт Стърлинг бил назначен за свещеник в черквата на Лей Кирк в Килмарнък, Шотландия.

Но той е заслужил славата си далеч не с четене на проповеди.

Младият пастор се отличавал с изключителен инженерен талант. По време на обучението си в университета Робърт работел над алтернативна парна машина.

Легендата гласи, че целта му била да намали риска за работниците – парните машини често се взривявали поради ниското качество на детайлите.

Седмица след назначаването в Килмарнък Робърт подал молба за получаване на патент за „Устройство за икономия на топлина“. Именно то послужило за сърце на двигателя, прославил името на Стърлинг.

Макар че силата на парата била известна повече от сто години, теорията на топлинните машини била в зародиш. Едва през 1824 г. Сади Карно публикувал знаменития си труд „Размишления за двигателната сила на огъня“, където направил два важни извода.

Робърт Стърлинг

Първо, движещата сила на машините възниква не от поглъщаната топлина, а от прехвърляне от горещото тяло към студеното, и второ, мощността на машините расте с увеличението на разликата в температурите между горещите и студените тела.

Тези изводи във вид на второ начало на термодинамиката оказали огромно влияние върху конструкцията на топлинните машини.

Но през 1818 г., когато заедно със своя приятел Томас Мортън и по-малкия си брат Джеймс Стърлинг построил за изпомпване на вода от каменоломните първата машина, работеща без пара (с въздух в качеството на работен флуид), работата на Карно още не съществувала.

И все пак Стърлинг съвършено интуитивно построил двигател фактически с максимално възможната термодинамична ефективност! За разлика от цикъла на Карно работният цикъл на двигателя на Стърлинг се състои от две изотерми (линии на постоянна температура) и две изохори (линии на постоянен обем).

В координати T-S (температура-ентропия) той далеч не изглежда правоъгълен. Тогава по какъв начин се постига теоретичният максимум на ефективност? Всичко е във въпросното патентовано „Устройство за икономия на топлина“, или както е прието да се нарича в съвременната техника – регенератор.

Машината на Стърлинг е двигател с външно горене, в него няма клапани, а работният флуид остава газообразен и циркулира в затворен обем. Той може да работи при много малка разлика в температурите от всеки източник на топлина – от газови горелки до соларни концентратори и дори от топлината на ръцете (последните са любимо средство за демонстрация от преподавателите по физика по време на уроци по термодинамика).

Конструкцията на двигателя е проста, газът вътре се намира под невисоко налягане, затова е по-безопасен, отколкото парните машини. При ниски температури двигателят на Стърлинг дори е по-ефективен (за разлика от ДВГ, двигателя с вътрешно горене). И той е почти безшумен, което може да е критично в някои случаи (например при движение на подводници).

Тези двигатели имат и недостатъци. Първо, дори при достатъчно голям теоретично и практически КПД за реализация на голяма мощност двигателят трябва да разсейва голямо количество топлина, а това води до увеличение на размерите и поява на грамадни радиатори за охлаждане.

За увеличаване на мощността се налага увеличаване на разликата в температурите и налягането на работния флуид, а това усложнява конструкцията. За разлика от ДВГ той не може да „стартира“ веднага – за начало на работа му е необходимо достигането на достатъчна разлика в температурите между горещата и студената част.

Впрочем това е характерно за всички типове двигатели с външно горене, а „стърлинг“ стартира все пак по-бързо от, да речем, парната машина. Разбира се, въздухът далеч не е най-ефективният работен флуид. Водородът, благодарение на своята висока топлопроводимост, топлинен капацитет и нисък вискозитет е доста по-ефективен, но той има тенденция да се просмуче през уплътнителя и затова е огнеопасен (също доста често в качеството на работен флуид се използва хелий).

По такъв начин, ако не ни е необходимо да пускаме и спираме двигателя, както и да променяме неговата мощност и при това имаме източник на топлина, добро охлаждане и неограничен размер – едва ли съществува нещо по-подходящо от двигателя на Стърлинг.

Приживе на изобретателя двигателят не много успешно се опитвал да се конкурира с парните машини. Един от двигателите с мощност петдесет конски сили с КПД около 10% (което превишавало аналогичния показател на парните машини), построен от Робърт и по-малкия му брат Джеймс, няколко години работил в леярната на Дънди през 40-те години на XIX век.

След това горещият цилиндър се спукал – тогава не съществували топлоустойчиви стомани, затова създаването на надеждни и трайни машинни детайли от меко желязо било проблематично. Възможно е затова Робърт Стърлинг в едно от своите писма през 1876 г. да отбелязва важността на постижението на Хенри Бесемер – процес, който позволявал да се получава не меко желязо, а твърда и здрава стомана, правеща парните машини значително по-безопасни.

Стърлинг изразявал надежда, че стоманата ще даде нов живот и на неговите „въздушни машини“. Но не успял да ги дочака – на 6 юни 1878 г. изобретателят починал в шотландското градче в Галстън, в Източен Еършър.

В началото на ХХ век на сцената излизат двигателите с вътрешно горене и машините на Стърлинг, изглежда, завинаги остават в историята. Но през 50-те години към тях отново възниква интерес благодарение на холандската компания Philips, която създава на базата на конструкцията на Стърлинг ефективна криогенна машина (двигателят на Стърлинг може да работи като термопомпа, преобразуваща механичната работа и прехвърляща топлината от едно тяло към друго).

Сега и двигатели, и хладилни машини на Стърлинг, реализирани на съвременно ниво, се произвеждат от редица големи компании. Те позволяват да се използва всяко гориво (и изобщо всякакви източници на топлина) и при това са по-ефективни (КПД може да достигне почти 40–45%) и значително по-екологични, тихи и сигурни от ДВГ.

Източник: Popmech.ru