Циклы Стирлинга и Эрикссона

Особенностью циклов Р. Стирлинга и Дж. Эрикссона является то, что они имеют такую же теоретическую эффективность (термический КПД), что и цикл Карно, p—v и Т— s диаграммы которого приведены на рис. 13.32. В обоих циклах повышение эффективности достигается за счет регенерации тепловой энергии.

Цикл Стирлинга, p—v и T—s диаграммы цикла Стирлинга приведены на рис. 13.33.

Рис. 13.32. p—v и T—s диаграммы цикла Карно.

Рис. 13.33. p—v и T—s диаграммы цикла Стирлинга:

1—2 — изотермический процесс; 2—3 — изохорный процесс; 3—4 — изотермический процесс; 4—1 — изохорный процесс Устройство, позволяющее реализовать цикл Стирлинга, имеет довольно сложную конструкцию. Однако принцип работы подобного устройства можно пояснить следующим образом. Пусть в нашем распоряжении есть цилиндр с двумя поршнями, между которыми находится регенератор. В качестве регенератора выступает пористая среда с большой теплоемкостью. В состоянии 1 весь газ сосредоточен в левой половине поршня. В процессе изотермического расширения на участке 1—2 к газу подводится энергия при температуре Т_п. В процессе расширения совершается работа, и давление падает.

В изохорном процессе 2—3 оба поршня перемещаются вправо, при этом объем между поршнями не меняется, а газ проходит через регенератор, отдавая ему часть теплоты и охлаждаясь до температуры I).

На участке 3—4 правый поршень двигается влево, сжимая газ, при этом тепло отводится от газа.

Наконец, на участке 4—1 оба поршня двигаются влево так, что объем газа между ними остается неизменным. При этом газ проходит через регенератор и нагревается от температуры T_L до Т_п. На этом цикл завершается.

Очевидно, что суммарный поток теплоты через регенератор равен нулю, т. е. после завершения цикла регенератор не нагревается и не охлаждается. Энергия, которая передана регенератору на участке 2—3, равна энергии, которую регенератор отдает на участке 4—1.

Т— s диаграмма цикла Эрикссона напоминает аналогичную диаграмму цикла Стирлинга (рис. 13.34). Термический КПД циклов Стирлинга и Эрикссона равен термическому КПД цикла Карно, если температуры горячего и холодного резервуаров одинаковы:

В реальных устройствах процессы теплообмена в регенераторе протекают необратимо, поэтому КПД ниже теоретического. Вследствие этого циклы Стирлинга и Эрикссона долгие годы имели чисто теоретическое значение. Однако в последнее время были созданы двигатели, в которых удалось реализовать цикл Стирлинга.

Рис. 13.34. p—v и T—s диаграммы цикла Эрикссона Возможная схема установки для реализации цикла Эрикссона изображена на рис. 13.35.

Рис. 1335. Схема установки для реализации цикла Эрикссона Двигатели Стирлинга и Эрикссона являются двигателями внешнего сгорания, топливо сгорает в них вне цилиндра. К преимуществам двигателя внешнего сгорания можно отнести то, что они менее зависят от вида топлива, процесс горения можно организовать более эффективно, обеспечив минимальное количество выбросов токсичных газов в окружающую среду. Такие двигатели работают по замкнутому циклу, рабочее тело остается в двигателе, поэтому есть возможность выбрать рабочее тело с наилучшими эксплуатационными характеристиками (обычно для этой цели выбирают водород или гелий).