В XIX веке, как его ещё называли, веке «его величества пара», инженеры хотели создать безопасную замену паровым машинам того времени. Дело в том, что котлы паровых двигателей часто взрывались из-за высоких давлений пара, прогорания от раскалённых осколков горящего угля и неподходящих материалов для котлов и паропроводов.
Роберт Стирлинг родился в 1790 году в Шотландии, где в дальнейшем совмещал бытность священника и изобретателя. Наблюдая за работой капризных паровых машин своего времени, он решил изобрести более надёжный, воздушный двигатель. Ему это удалось, и в 1816 году Стирлинг получил патент на свой двигатель.
Двигатель Стирлинга, в отличие от всем знакомых автомобильных двигателей, содержит жидкость или газ, которые движутся в замкнутом объёме цилиндра или нескольких цилиндров, а топливо сгорает не внутри, а вне двигателя. Поэтому двигатель Стирлинга относится к двигателям внешнего сгорания (см. рисунок). При этом он может работать от любого источника тепла, а не только при сжигании топлива.
Принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела (обычно это газ) в цилиндре с поршнем. К настоящему времени созданы также двигатели с жидким рабочим телом, которые характеризуются малыми размерами, и, поэтому, высокими удельными мощностями.
Существуют несколько разных вариантов двигателя Стирлинга: Альфа-стирлинг – такой двигатель состоит из двух раздельных цилиндров. Один цилиндр – горячий, второй – холодный. Бета-стирлинг – в таком двигателе один цилиндр: нагреваемый с одной стороны и охлаждаемый с другой. Внутри цлиндра двигаются главный поршень и вспомогательный – поршень-вытеснитель. Гамма-стирлинг – тоже состоит из главного поршня и поршня-вытеснителя, но расположены они в разных цилиндрах.
Рассмотрим подробнее Альфа-стирлинг, как наиболее простой для понимания его работы.
Он имеет два цилиндра, соединённые между собой через регенератор, который при движении газа между цилиндрами способствует сохранению разной степени их нагрева). Поршни прикреплены шатунами к общем валу под углом 90 градусов. Газ нагревается в горячем цилиндре, его давление увеличивается. Усилие через маховик передаётся на поршень холодного цилиндра. Он смещается, проворачивая вал. Одновременно поршень горячего цилиндра начинает выталкивать газ в холодный цилиндр через регенератор. Регенератор отбирает часть тепла и при перемещении газа обратно в горячую полость сообщает ему часть тепловой энергии перед последующим нагревом. За счёт этого экономится часть подводимой к двигателю теплоты, и КПД повышается.
Двигатель Стирлинга – по сути универсальный преобразователь тепловой энергии. Любой перепад температуры он может преобразовать в механическую работу. Двигатели Стирлинга можно использовать для приведения в действие водяных насосов, ипользуя энергию Солнца, а также для генерации электричества. Двигатель может работать и «в обратную сторону». Если прикладывать механическое усилие к поршням, мы получим тепловой насос. Он будет охлаждать одну часть рабочего тела (газа) и нагревать другую. Таким образом, мы получим холодильник.
