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.
