Развитие науки и техники привело к образованию новых "экологических ниш", в которых с
успехом может применяться двигатель Стирлинга. Некоторые из них показаны на приведенных
ниже рисунках.
Перспективные применения двигателя Стирлинга.
На первом из них показан пример солнечной энергетической установки (solar power system).
Высокий к.п.д., простота и надежность конструкции двигателя Стирлинга обуславливают
эффективность его использования в данных системах. Солнечный свет фокусируется вогнутыми
зеркалами для разогрева двигателя (в качестве источника тепла). В роли охладителя может
использоваться окружающий атмосферный воздух. Роль такого экологически чистого источника
энергии в современном мире легко оценить.
На втором рисунке схематически изображен тепловой насос Вуллемейера (Vuillemeier Heat
Pump). Известно, что при использовании обратного цикла Срирлинга, т.е. если, например,
приводить двигатель Стирлинга в движение с помощью какого-либо внешнего источника
(например, еще одного двигателя Стирлинга), то "горячий" цилиндр будет охлаждаться, а
"холодный" - разогреваться. Если при этом разогревать "горячий" цилиндр (например,
окружающим воздухом), то "холодный" цилиндр будет разогреваться до более высокой
температуры. При этом внешняя энергия расходуется не непосредственно на разогрев, а на
"перекачку" тепла из холодного места в более теплое, что гораздо эффективнее. Для идеального
случая к.п.д.такой системы может быть посчитан как
Тс - абсолютная температура холодной части
Тh - абсолютная температура горячей части
Поскольку даже в сильные морозы Тс редко опускается ниже 250 градусов Кельвина, для
поддержания Тh на уровне 300 градусов Кельвина (270) к.п.д. составляет 250/(300-250)=5. То
есть, затратив 1 кВт.ч электроэнергии на работу теплового насоса, мы получим в 5 раз больше
тепла, чем если бы подавали ту же мощность прямо на электронагреватель. Отсюда легко
понять интерес к тепловым насосам на основе цикла Стирлинга.
На следующем рисунке представлен криокулер Стирлинга (Stirling cryocooler). Он работает по
тому же принципу теплового насоса, но используется в качестве холодильной установки для
получения очень низких температур. Далее будут более подробно описаны перспективы и
преимущества устройств этого типа.
На последнем рисунке показан двигатель Стирлинга, установленный на атомной подводной
лодке. Поскольку в этом случае вес и габариты двигателя не играют решающей роли, высокий
к.п.д. и надежность делают его идеальным кандидатом для преобразования тепловой энергии,
вырабатываемой атомным реактором, в механическую. Благодаря тому, что двигатель
Стирлинга практически не нуждается в уходе и настройке, он может быть размещен в
изолированной части корпуса, что особенно существенно в случае затрудненного доступа (как в
случае подводных лодок или космических аппаратов). Так, специалистами NASA (
Национального Аэрокосмического Агентства США) были проделаны предварительные
проработки проекта создания обитаемой базы на Луне. Проектом
предусматривается постепенное, "эволюционное" строительство базы - начиная с маленького
обитаемого модуля и до большой производственной базы с полной обработкой полезных
ископаемых. В качестве основного источника энергии для работы в условиях лунной
поверхности был выбран атомный реактор SP-100 с тепловой мощностью 2500 кВт и 8
электрических генераторов, работающих от двигателей Стирлинга. Два из них предполагалось
держать в резерве для обеспечения требуемого уровня резервирования мощности, а остальные
планировалось использовать на 91.7 процентов от их номинальной электрической мощности
(150 кВт). Таким образом, полная проектная электрическая мощность составляет 825 кВт. В
качестве дополнительного источника на первом этапе строительства предусмотрено
использование наращиваемых солнечных батарей. В проекте приводится подробное
техническое описание реакторной установки, конструкции и теплового подсоединения
двигателей Стирлинга, систем отвода тепла и распределения мощности.
Описанный лунный проект демонстрирует потенциальные применения двигателей Стирлинга в
будующем. Если вернуться в настоящее время, можно привести, в качестве примера,
начавшийся выпуск домашних электрогенераторов на двигателе Стирлинга. В приведенном рекламном материале описан совмещенный нагреватель-электрогенератор
WG800 мошностью 800 Вт на двигателе Стирлинга. Прибор универсальный, предназначен для
использования как в домашних условиях, так и под открытым небом. Его преимущества -
высокая надежность и автономность (5000 часов работы до первого технического
обслуживания), низкий уровень шума - горючее сгорает непрерывно, в отличие от двигателей
внутреннего сгорания, где оно поступает в цилиндр порциями и там взрывается. В качестве
топлива может использоваться природный газ, все виды жидкого топлива, уголь и даже
дрова. Все это делает его чрезвычайно удобным для использования в удаленных от электросетей.
На рынке доступны так же более мощные, 3 кВт, модели прибора.
Другой пример современного использования приборов, основанных на цикле Стирлинга -
криокулеры. В широких масштабах их начали производить около десяти лет назад -
преимущественно для использования в военной технике: на танках и самолетах требовалось
устанавливать высокочувствительные охлаждаемые до температур порядка -2000 С датчики и
приемники. Для их охлаждения и были разработаны криокулеры на основе обратного цикла
Стирлинга. Ниже приводится краткое описание одного из отечественных криокулеров, которые
в связи с конверсией поступили на открытый рынок.
Вообще говоря, современная полупроводниковая электроника подошла в своем развитии к
пределу, обусловленному физическими законами. Дальнейшее повышение характеристик
требует перехода к охлаждаемым до температур порядка -1000 -2000 С элементам. На
последних конференциях по электронике (ISEC-97, EUCAS-97) активно обсуждаются
различные способы охлаждения аппаратуры. На сегодняшний день наиболее перспективным
признано использование криокулеров на цикле Стирлинга. Доступные в настоящее время,
выпускаемые мелкими сериями модели маломощных криокулеров стоят порядка 10-15 тысяч
долларов. При переходе к крупносерийному производству ожидается, что их цены упадут в
несколько раз, что сделает коммерчески рентабельным использование охлаждаемых элементов
сначала в наиболее ответственных системах - таких, как файл-серверы, и большие компьютеры,
а в перспективе и в бытовых компьютерах. Таким образом, можно ожидать, что к середине
следующего века, по мере распространения домашних компьютеров, двигатель Стирлинга
придет практически в каждый дом
Заключение
После своего изобретения в 1816 году, двигатель Стирлинга пережил первый период своего
широкого распространения - в конце прошлого - начале нашего века, после чего был
практически забыт. Но в последние годы он вновь привлекает к себе повышенный интерес в
самых разных областях использования. В настоящее время быстро расширяется использование
криокулеров на основе цикла Стирлинга, выпускаются электрогенераторы, работающие от
двигателей Стирлинга. Его преимущества - высокий к.п.д., надежность, неприхотливость,
возможность использования экологически чистых источников энергии позволяют рассчитывать
на широкое распространение двигателя Стирлинга в будущем.
Литература.
1. El-Genk, Mohamed S.; Editor (1994) A Critical Review of SPACE NUCLEAR POWERAND
PROPULSION 1984-1993, American Institute of Physics Press
2. Organ, A. J. (1992) Thermodynamics and Gas Dynamics of the Stirling Cycle Machine, Cambridge
University Press
3. Reader, G. T. and Hooper, C. (1983) Stirling Engines, E. & F. N. Spon
4. Urieli, I. and Berchowitz, D. M. (1984) Stirling Cycle Engine Analysis, Adam Hilger Ltd.
5. Walker, G. (1973) Stirling-Cycle Machines, Oxford University Press
6. West, C. D. (1986) Principles and Applications or Stirling Engines, Van Nostrand Reinhold
Company, Inc.
7. Roberts, M.L.: Inflatable Habitation for the Lunar Base. Presented at the Symposium on Lunar Bases
and Space Activities of the 21st Century, Apr. 5-7, 1988, Houston, TX, Paper Number LBS-88-266.
8. Conceptual Design of a Lunar Oxygen Pilot Plant--Lunar Base Systems Study. (EEI-88-182, Eagle
Engineering, Inc., NASA Contract NAS9-17878) NASA-CR-172082.
9. Brinker, D.J.; and Flood, D.J.: Advanced Photovoltaic Power Power System Technology for Lunar
Base Applications. NASA TM-100965, 1988.
10. A.C. Klein, NASA Lewis Summer Intern Report.
11. Personal communication from J. Alfred, NASA Johnson Space Center.
12. Bloomfield, H.S.: Small Reactor Power Systems for Manned Planetary Surface Bases. NASA TM-
100223, 1987.
13. Slaby, J.G.: Overview of the 1988 Free-Piston Stirling SP-100 Activities at the NASA Lewis
Research Center. NASA TM-87305, 1986.
14. English, R.E.; and Guentart, D.G.: Segmenting of Radiators for Meteoroid Protection. ARS J., vol.
31, no.8, Aug. 1961, pp. 1162-1163.
15. Bien, D.D.; and Guentart, D.C.: A Method for Reducing the Equivalent Sink Temperature of a
Vertically Oriented Radiator on the Lunar Surface. NASA TM X-1729, 1969.
16. Roberts, B.B.; and Bland, D.: Office of Exploration: Exploration Studies Technical Report, Volume
2: Studies Approach and Results. NASA TM-4075-VOL-2, 1988.
17. Lee S. Mason and Harvey S. Bloomfield National Aeronautics and Space Administration Lewis
Research Center, Cleveland, Donald C. Hainley Sverdrup Technology, Inc. NASA Lewis Research
Center Group Cleveland SP-100 Power System Conceptual Design for Lunar Base Applications 6th
Symposium on Space Nucelar Power Systems. 6th Symposium on Space Nucelar Power Systems
sponsored by the Institute for Space Nucelar Power Studies, Albuquerque, NM, January 8-12, 1989