Обобщённые термодинамические циклы тепловых машин
Циклы работы поршневых двигателей внутреннего сгорания
Газовые турбины

     Двигатель Стирлинга имеет внешний подвод теплоты через теплопроводящую стенку. Количество рабочего тела (им может быть воздух), заключенного в рабочем объеме двигателя, постоянно и несменяемо. В этом заключается одно из преимуществ такого двигателя перед двигателями внутреннего сгорания, так как в качестве горячего источника теплоты в этих условиях могут использоваться кроме продуктов сгорания органических топлив ядерная»нергия, солнечная батарея и др.
      При подводе теплоты через теплопроводящую поверхность в замкнутый объем двигателя рабочее тело расширяется (поршень совершает рабочий ход). Затем теплота отбирается холодным источником теплоты, рабочее тело сжимается и таким образом возвращается в исходное состояние, завершая рабочий цикл. Однако практическая невозможность частой смены температуры теплопроводящей стенки при подводе и отводе теплоты привела к необходимости усложнения конструкции двигателя — создания в нем постоянных горячей Г и холодной Х полостей. В связи с этим рабочее тело во время цикла должно последовательно перемещаться из горячей полости в холодную и наоборот.
       Такие перемещения рабочего тела в двигателях Стирлинга обеспечиваются вытеснителем 1 и поршнем 3, движущимся по определенному закону в одном цилиндре (рис. 23.9). Двигатель Стирлинга может иметь и два сообщающихся между собой цилиндра. В этом случае в одном цилиндре перемешается вытеснитель, в другом  -  поршень.
--

Работа двигателя Стирлинга может быть условно разделена на четыре стадии (рис. 23.10).



На I стадии все количество рабочего тела находится в холодной полости Х. На II стадии поршень 3, перемещаясь вверх, сжимает рабочее тело в холодной полости. Температура рабочего тела при этом сохраняется постоянной за счет отвода теплоты через стенки цилиндра холодному источнику теплоты (изотермный процесс сжатия 1-2; рис. 23.11).



На III стадии вытеснитель 1 (рис. 23.10), перемещаясь вниз, вытесняет рабочее тело (рис. 23.11) из холодной полости Х в горячую Г при постоянном объеме: υ2=υ3
       Особенностью двигателя Стирлинга является полная регенерация теплоты изохорных процессов. С этой целью перемещение рабочего тела из холодной в горячую полость осуществляется через регенератор 2 (см. рис. 23.10). Регенератор, отдавая теплоту рабочему телу, охлаждается, а рабочее тело нагревается до температуры Т3 (изохорный процесс 2-3 на рис. 23.11). В горячей полости Г двигателя нагретое до температуры Т3 рабочее тело расширяется, сохраняя свою температуру за счет подвода теплоты от горячего источника теплоты через поверхность верхней крышки цилиндра (изотермный процесс 3-4 на рис. 23.11). Затем вытеснитель 1 (см. рис. 23.10) перемещается вверх, вытесняя при постоянном объеме υ4= υ1    рабочее тело (рис. 23.11) из горячей полости в холодную через регенератор 2 (IV стадия). Регенератор нагревается, отбирая теплоту от рабочего тела и охлаждая его в изохорном процессе 4-1 до температуры Т1 Стенки холодной полости Х сохраняют постоянную температуру Т1 за счет отбора теплоты холодным источником теплоты. В изотермном процессе 1-2, замыкающем рабочий цикл, сжатие рабочего тела происходит при более низкой температуре Т1 чем расширение в процессе 3-4, поэтому в цикле совершается полезная работа.
Все эти движения вытеснителя и поршня обеспечивают изменение объемов горячей и холодной полостей в соответствии с графиками 4 и 5 на рис. 23.10. В действительности ромбический механизм 4 (см. рис. 23.9) плавно перемещает вытеснитель 1 и поршень 3 в соответствии с кривыми 6 и 7 на рис. 23.10. Изменение объема горячей полости опережает по фазе изменение объема холодной полости.

Удельная теплота q1 подводится к рабочему телу при изохорном процессе 2-3 от регенератора в количестве q1' и при изотермном процессе 3-4 от внешнего источника теплоты в количестве q1'' .
В связи с этим

  Теплота отводится вначале при изохорном процессе 4-1 в регенератор в количестве q2' и затем при изотермном процессе 1-2 в холодной полости двигателя в количестве q2'' Следовательно,


Подстановка полученных выражений в формулу



показывает, что



Известно, что изменение энтропии в изотермных процессах определяется соотношениями



Так как



, т. е. изохорные процессы эквидистантны в sТ-диаграмме. Следовательно, q'1=q'2, т. е.
Регенератор двигателя Стирлинга в идеальном случает (без учёта потерь) осуществляет полную передачу теплоты в изохорных процессах 4-1 и 2-3 от горячего рабочего тела (q'1) к холодному (q'2)

С учетом сказанного



 Удельная теплота, передаваемая рабочему телу от внешнего источника теплоты, составляет



, поэтому термический кпд цикла Стирлинга



Термический КПД цикла двигателя Стирлинга равен термическому КПД цикла Карно.
      В этом второе существенное положительное свойство цикла Стирлинга. Следует при этом заметить, что аналогичный результат можно получить в любых обратимых термодинамических процессах 2-3 и 4-1 при условии полной регенерации теплоты, т. е. при условии эквидистантности этих процессов в sТ-диаграмме.
      Отмеченные положительные свойства цикла Стирлинга обусловили расширение в последние годы исследований и конструкторских проработок двигателей, работающих по циклу Стирлинга.

Видео о двигателе Стирлинга: