Двигателят на Стърлинг е топлинен двигател, при който работното тяло (газ) се движи в затворен обем, разновидност на двигателя с външно горене. Работният процес при двигателя на Стърлинг е термодинамичният процес на преобразуване на топлинната енергия в механична. За разлика от други видове двигатели, при които буталото се движи вследствие на изгарянето на газове, тук буталото се задвижва от изменението в обема на газове с постоянна маса, затворени в херметична камера. Тази постоянна маса газове се разширява благодарение на външен топлинен източник. Като работен газ двигателят на Стърлинг може да ползва хелий, водород и просто въздух затова е бил известен като въздушен двигател, КПД на двигателя може да достигне на практика 40%.Sirling engines capable of reaching 40% efficiency

Както и парният двигател, двигателят на Стърлинг се класифицира като разновидност на двигателя с външно горене, тъй като преносът на топлина към и от работния флуид се осъществява през топлообменници (гореща глава и студена камера с радиатор – на картинката) и по този начин процесът на горене и всички възможни замърсители са изолирани от работните части на двигателя. Това не е така в случая на двигателя с вътрешно горене, при който топлината се отделя в процес на горене вътре в работния флуид. Повечето от многобройните приложения на двигателя на Стърлинг спадат към категорията на буталните двигатели.

Име и класификация

Двигателят носи името на Робърт Стърлинг, шотландски свещеник, изобретил първия двигател със затворен цикъл на въздуха през 1816 г. Fleeming Jenkin през 1884 г. предлага всички двигатели от такъв тип да се наричат Стърлинг двигатели. Предложението не среща подкрепа и двигателите на пазара продължават да са известни с имената на своите създатели или производители, например двигател на Rider, двигател на Robinson, двигател на Heinrici. През 1940-те, компанията Philips използва наименованието „Стърлингов двигател“ за своята конструкция на „въздушен двигател“, който по това време е бил тестван с работни флуиди, различни от въздух.

История Изобретяване и ранно развитие Стърлинговият двигател (по онова време познат като Стърлингов въздушен двигател) е изобретен и патентован от Роберт Стърлинг през 1816 г. след поредица от по-ранни опити, като това е най-вероятно първият двигател, който влиза в употреба през 1818 г. Сглобен от Стърлинг, двигателят се използва за изпомпване на вода от каменоломна. Изобретението е патентовано като устройство за топлообмен, което той нарича „икономайзър‘‘, заради добрата икономия на гориво в най-различни приложения. Патентът описва в детайли употребата на един „икономайзър‘‘ с неговия дизайн и уникален затворен въздушен цикъл, поради което в наши дни той най-често се нарича регенератор. Следващите разработки на Робърт Стърлинг и неговия брат Джеймс, също инженер, водят до патентоване на редица подобрени конфигурации, включително двигател с херметизация, който към 1843 г. постига значително увеличение на мощността и задвижва машините в леярната за метал в град Дънди.

Въпреки че е спорно, мнозина смятат, че освен за пестене на гориво, изобретателите искали да създадат по-безопасна алтернатива на парния двигател, чиито котли често експлодирали, което водело често до много наранявания или смърт. За разлика от тях, двигателят на Стърлинг не може да се взриви, защото работи при по-ниско налягане от парния двигател и не може да причини изгаряне с пара.

Нуждата от Стърлинговия двигател да работи при много високи температури, за да оптимизира мощност и ефективност, разкрива ограниченията на тогавашните материали, и малкото двигатели, сглобени през тези години, страдат от чести повреди. Това води до замяна на Стърлинговите двигатели с парни в леярната в Дънди след повредата на три от тях за четири години.

Краят на 19 век След повредите в леярната в Дънди няма данни за развитието на двигателя от братята и Стърлинговият двигател никога повече не успява да се конкурира с парния двигател на индустриално ниво (парните котли започнали да стават по-безопасни, а парните двигатели все по-ефективни). Въпреки това през около 1860 г. голямо количество по-малки двигатели от типа Стърлинг (нагорещен въздух) са произведени, като намират приложение на места, където от ниска до средна мощност е достатъчна като издигане на вода или осигуряване на въздух за църковните органи. Тези двигатели работели при по-ниска температура, за да не се натоварват материалите и заради това са били относително неефективни. Няколко типа остават в производство след края на века, но освен малки механични подобрения, дизайнът на Стърлинговия двигател не се променя значително.

Съживяване през 20 век В началото на 20 век ролята на Стърлинговия двигател като „домашен мотор“ постепенно се заема от електрическия двигател и малки двигатели с вътрешно горене. До края на 30-те, Стърлинговият двигател бива забравен, като се произвежда само за играчки и малки вентилатори.

По същото време Филипс търси начини да увеличи продажбите на своите радиоапарати в онези части на света, където електричеството и батериите не са постоянно достъпни. Ръководството на Филипс решава, че предлагането на преносим генератор с ниска мощност би допринесло за такива продажби и иска от инженерите в Айндховен да намерят алтернативни пътища за достигане на тази цел. След систематично сравнение на редица задвижващи устройства, екипът решава да избере Стърлинговия двигател, като се позовава на неговата тиха работа и възможността да работи с различни топлинни източници (обикновено лампено масло – „евтино и налично навсякъде“). Те са наясно, че за разлика от двигателите с вътрешно горене и парните двигатели, по Стърлинговите двигатели не са правени много модификации и се надяват, че с модерните материали и познания ще могат да се направят огромни подобрения.

През 1951 г. е готов за производство 180/200 W генератор MP1002CА (Bungalow set), като за начална партида са планирани 250 бройки, но скоро се разбира, че цената им няма да е конкурентна. Навлизането на транзисторните радиоприемници, консумиращи по-ниска мощност, допълнително обезсмисля първоначалната обосновка за този модел, но все пак са произведени около 150 бройки, като някои от тях се използват в университетите и колежите по света и служат за демонстрации на студентите.

Паралелно с MP1002CA, Филипс разработват експериментален Стърлингов двигател за редица приложения и продължават разработките си до края на 70-те, но постигат комерсиален успех единствено с „обърнатия Стърлингов двигател“ с криогенен охладител. Все пак те регистрират множество патенти в областта и натрупват информация, която се използва за разработки.

През 1996 г., шведският военноморски флот пуска три подводници от клас Готланд. Те се придвижват на повърхността от морски дизелови двигатели, но под водата използват Стърлингови генератори, за да презареждат батерии или да осигуряват електричество за движение. Стърлинговите двигатели се използват и в шведските подводници от клас Södermanland. При употребата в подводници, Стърлинговият двигател има предимството, че при работа е изключително тих.

Стърлинговият двигател се използва в технологията за концентратори на слънчева енергия от компании като Cleanergy, Ripasso Energy и United Sun SystemsInternational.

Принцип на действие Двигателят е така конструиран, че работният газ се сгъстява в студената му част и се разширява в горещата му част, по този начин преобразувайки топлина в енергия.

Вътрешният регенеративен топлообменник увеличава топлинната ефективност на двигателя в сравнение с обикновените двигатели с горещ въздух, при които той липсва.

Ако се захрани с механична сила, двигателят на Стърлинг може да функционира като термопомпа за отопление или охлаждане. През втората половина на 30-те години на 20 век, холандското поделение на корпорация „Филипс“ успешно използва двигател на Стърлинг в криогенни опити. При експериментите е използвана вятърна енергия, а двигателят на Стърлинг е използван като термопомпа за домашно отопление и климатизация.

Компоненти Топлината от двигателя на Стърлинг трябва да бъде предадена чрез топлообменници към работния флуид и след това към система за охлаждане. Система, представляваща двигател на Стърлинг, има поне един източник на топлина, една система за охлаждане и до пет топлообменници.

Източник на топлина

Източникът на топлина може да бъде осигурен чрез изгаряне на гориво. Понеже продуктите от горенето не се смесват с работния флуид и оттам не влизат в контакт с вътрешните части на двигателя, двигател на Стърлинг безпроблемно може да работи с горива, които биха повредили други двигатели, като например сметищен газ, който може да съдържа силоксан, който може да образува абразивен силициев диоксид в обикновените двигатели.

Други подходящи източници на топлина са слънчева енергия, геотермална енергия, ядрена енергия, отпадна топлина и биоенергия. Ако ще се използва слънчева енергия като източник на топлина, набавянето ѝ може да се осъществи посредством слънчеви огледала и слънчеви панели. При проучване на повърхностите на планети, може да се използват лещи и огледала на Френел. Двигателите на Стърлинг, задвижвани от слънчева енергия, стават все по-популярни, тъй като предлагат екосъобразен начин за производство на енергия, като същевременно с това са и икономически изгодни.

Нагревател/топлообменник При малки двигатели това може да са стените на горещото място/места, но при необходимост от повече енергия е нужна по-голяма повърхност, за да се предаде достатъчно топлина. Обикновено това се постига с вътрешни и външни перки или много на брой тръбички.

Регенератор При двигателя на Стърлинг, регенераторът е вътрешен топлообменник и временната топлина е поставена между горещите и студените места така, че работния флуид преминава първо в едната посока, след това в другата, взимайки топлина от флуида в едната посока и връщайки я в другата. Може да бъде нещо просто като метална мрежа или пяна. Предназначението му е да запази в системата топлина, която иначе би се обменила с околната среда при температури, междинни на максималните и минималните за цикъл, като по този начин дава възможност на термалната ефективност на цикъла да се доближи до ефикасността на Карно.

Основната цел на регенерацията в двигател на Стърлинг е увеличаване на термалната ефективност чрез ‘рециклиране’ на вътрешна топлина, която в противен случай би минала през двигателя. Като вторичен ефект, увеличената термална ефективност продуцира повече енергия. На практика тази допълнителна енергия може да не бъде напълно реализирана.

Предизвикателство при създаването на регенератор е заделянето на достатъчно капацитет за трансфер на топлина, без същевременно да се създаде твърде много вътрешен обем („мъртво пространство“) или поточно съпротивление. Тези проблеми при конструирането са едни от многото фактори, които лимитират ефикасността на двигатели на Стърлинг на практика. Типична конструкция е смес от фини метални мрежички с ниска порьозност (с цел намаляване на мъртвото пространство), с оси на жиците, перпендикулярни на потока от газ с цел намаляване на проводимостта в тази посока и максимизиране на конвективния пренос на топлина.

Регенераторът е ключов компоненент, изобретен от Робърт Стърлинг, и наличието му отличава истинския двигател на Стърлинг от всякакви други двигатели с горещ въздух със затворен цикъл.

Конфигурации

Има три основни типа двигатели на Стърлинг, различаващи се по начина, по който придвижват въздуха между горещите и студените пространства: Алфа конфигурацията има две бутала, едно в горещ цилиндър и едно в студен цилиндър. Газът се придвижва между тях чрез буталата. Бета конфигурацията има един цилиндър с горещ край и със студен край, бутало и заместител, който движи газа между двете краища. Гама конфигурацията има два цилиндъра: един, съдържащ заместител с горещ и студен край и цилиндър за буталото.

Алфа конфигурация Алфа Стърлинг съдържа две бутала в отделни цилиндри, един горещ и един студен.