Воздушная машина преподобного Стирлинга: К седьмому небу

Хотя сила пара была известна уже более ста лет, теория тепловых машин находилась в зачаточном состоянии. Лишь в 1824 году Сади Карно опубликовал свой знаменитый труд «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», где сделал два важных вывода: во-первых, движущая сила машин возникает не из поглощенного тепла, а из перекачанного от горячего тела к холодному, а во-вторых, мощность машин растет с увеличением разницы температуры между горячим и холодным телами. Эти выводы в форме второго начала термодинамики оказали огромное влияние на конструкцию тепловых машин.

Но в 1818 году, когда вместе со своим другом Томасом Мортоном и младшим братом Джеймсом Стирлинг построил для откачки воды из каменоломни первую машину, работающую без пара (с воздухом в качестве рабочего тела), работ Карно еще не существовало. Тем не менее Стирлинг совершенно интуитивно построил двигатель фактически с максимально возможной термодинамической эффективностью! В отличие от цикла Карно, рабочий цикл машины Стирлинга состоит из двух изотерм (линий постоянной температуры) и двух изохор (линий постоянного объема). В координатах T-S (температура-энтропия) он выглядит вовсе не прямоугольным. Тогда каким же образом удается достичь теоретического максимума эффективности? Все дело в том самом запатентованном «Устройстве для экономии тепла», или, как его принято называть в современной технике, регенераторе.

Машина Стирлинга — это двигатель внешнего сгорания, в нем нет клапанов, а рабочее тело остается газообразным и циркулирует в замкнутом объеме. Он может работать при очень малой разнице температур от любого источника тепла — от газовых горелок до солнечных концентраторов и даже тепла рук (последнее любят демонстрировать преподаватели физики во время лекций по термодинамике). Конструкция машин проста, газ находится внутри под невысоким давлением, поэтому они более безопасны, чем паровые машины. При низких температурах двигатель Стирлинга даже более эффективен (в отличие от ДВС, двигателя внутреннего сгорания). И он почти бесшумен, что может быть критично в некоторых случаях (например, при движении субмарин в подводном состоянии).

Есть у этих двигателей и недостатки. Во-первых, даже при достаточно большом теоретическом и практическом КПД для реализации большой мощности двигатель должен рассеивать большое количество тепла, а это приводит к увеличению размеров и появлению громоздких радиаторов охлаждения. Для увеличения мощности приходится увеличивать разницу температур и давление рабочего тела, а это усложняет конструкцию. В отличие от ДВС, он не может «стартовать» сразу — для начала работы ему необходимо достичь достаточной разницы температур между горячей и холодной частями. Впрочем, это характерно для всех типов двигателей внешнего сгорания, а «стирлинг» стартует все же гораздо быстрее, чем, скажем, паровая машина. Мощность работающего двигателя Стирлинга весьма непросто оперативно изменить, разве что добавлением рабочего тела (такие решения существуют, но приводят к усложнению конструкции). Кстати, воздух далеко не самое эффективное рабочее тело. Водород благодаря своей высокой теплопроводности, теплоемкости и низкой вязкости гораздо более эффективен, но он имеет тенденцию просачиваться сквозь уплотнители и к тому же огнеопасен (также довольно часто в качестве рабочего тела используют гелий).

Таким образом, если нам не нужно часто запускать и останавливать машину, а также менять ее мощность и при этом у нас есть источник тепла, хорошее охлаждение и неограниченный размер — вряд ли существует что-то более подходящее, чем двигатель Стирлинга.

При жизни изобретателя двигатель не слишком успешно пытался конкурировать с паровыми машинами. Один из двигателей мощностью в полсотни лошадиных сил с КПД около 10% (что превышало аналогичный показатель паровых машин), построенный Робертом и его младшим братом Джеймсом, несколько лет проработал в литейном цехе в Данди в середине 1840-х. Затем горячий цилиндр лопнул: тогда не существовало жаропрочных сталей, поэтому создать надежные и долговечные детали машин из мягкого железа было проблематично. Впрочем, то же самое относилось и к паровым машинам. Возможно, поэтому Роберт Стирлинг в одном из своих писем 1876 года особо отмечал важность изобретения Генри Бессемера — процесса, который позволял получать не мягкое железо, а твердую и прочную сталь, делающую паровые машины значительно более безопасными. Стирлинг выражал надежду, что сталь даст новую жизнь и его «машинам на воздухе». Но увидеть этого он уже не успел — 6 июня 1878 года изобретатель умер в шотландском городке Галстон в Восточном Айршире.

В начале XX века на сцену вышли двигатели внутреннего сгорания, и машины Стирлинга, казалось бы, навсегда остались в истории. Однако в 1950-х к ним вновь возник интерес благодаря голландской компании Philips, создавшей на базе конструкции Стирлинга эффективную криогенную машину (двигатель Стирлинга может работать как тепловой насос, преобразовывая механическую работу и перекачивая тепло от одного тела к другому). Сейчас и двигатели, и холодильные машины Стирлинга, реализованные на современном уровне, выпускаются многими крупными компаниями. Они позволяют использовать любое топливо (и вообще любые источники тепла) и при этом более эффективны (КПД может достигать почти 40−45%) и значительно более экологичны, тихи и надежны, чем ДВС.