Тепловые насосы, работающие по циклу Стирлинга.

Цикл Стирлинга включает изотермический теплообмен и изменение давления при постоянном удельном объеме, что достигается с помощью внутреннего теплообмена в генераторе.

Цикл поясняется на рис. 3.12 с помощью р - v диаграммы. Изо­термическое сжатие от точки 1 к точке 2 происходит при внешнем охлаждении газа. При прохождении через регенератор газ нагревается за счет его тепла, которое является внутренним. Между точками 3 и 4 к газу подводится внешнее тепло, и он расширяется, производя полезную работу, а затем возвращается назад через регенератор, где охлаждается до состояния в точке 1.

Рис. 3.12. Цикл Стирлинга.

Цикл Стирлинга интересен тем,- что все процессы в нем обратимы, а внешний теплообмен проходит изотермически, откуда следует, что идеальный цикл Стирлинга имеет КПД идеального цикла Карно. Это же относится и к холодильной машине и тепловому насосу, работающему по циклу Стирлинга.

Принятая в описании цикла некоторая идеализация не соответ­ствует реальному циклу. Основные допущения таковы:

1. Движение поршня предполагалось прерывистым, а не сину­соидальным.

2. Регенератор без трения и со 100% -ной эффективностью.

3. Внешний теплообмен с помощью идеальных теплообмен­ников.

Теплообменники всегда представляют проблему для машин с внешним сгоранием, и в действительности имеются две существенные разности температур при источнике и стоке тепла. Но, несмотря на эти трудности, цикл Стирлинга успешно используется в некоторых низкотемпературных холодильниках.

На рис. 3.13 показана элегантная конструкция с V-образным поршневым компрессором.

Рис. 3.13. Холодильная машина по циклу Стирлинга:

1 – камера расширения; 2 – поглощение тепла;

3 – рассеяние тепла; 4 – камера сжатия; 5 - регенератор

В положении 1 газообразное рабочее тело сжимается и изо­термически отдает тепло тепловому стоку - наиболее горячей точке цикла. В положении 2 газ проходит через регенератор при почти постоянном объеме, а затем расширяется, одновременно вос­принимая тепло. Регенератор охлаждает газ, так что в этой точке достигается минимальная температура цикла. В положениях 3 и 4 газ возвращается через регенератор снова при почти постоянном объеме, но здесь газ значительно более разрежен, и он поглощает тепло от регенератора.

Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу.

Тепловые насосы позволяют сэкономить на отоплении. Принцип действия тот же, что у кондиционера, только кондиционер обычно охлаждает помещение, нагревая окружающее пространство, а тепловой насос, как правило, обогревает помещение, охлаждая наружный воздух, воду из скважины или другой источник низкопотенциального тепла.

Устройство, в котором совмещены двигатель Стирлинга и тепловой насос Стирлинга, делает ситуацию более благоприятной. Двигатель Стирлинга отдаёт в систему отопления бросовое тепло от «холодного» цилиндра, а полученная механическая энергия используется для подкачки дополнительного тепла, которое забирается из окружающей среды. Гибридный теплонасос «стирлинг-стирлинг» оказывается проще, чем композиция из двух стирлинг-машин. В устройстве совершенно отсутствуют рабочие поршни. Перепады давления, возникающие в двигателе, непосредственно используются для перекачки тепла тепловым насосом. Внутреннее пространство устройства герметично и позволяет использовать рабочее тело под очень высоким давлением.

В последние годы к двигателю Стирлинга быстро возрастает интерес. Начат промышленный выпуск домашних электрогенераторов на двигателе Стирлинга. Двигатель Стирлинга признан наиболее перспективным из-за своего к.п.д. и надежности. Выпускаются холодильные установки, работающие на обратном цикле Стирлинга - как промышленные позволяющие получать температуру до - 240 ⁰С.

Высокий к.п.д., простота и надежность конструкции этого типа двигателя обуславливают эффективность его использования в солнечной энергетической установки. Тепловой насос Вуллемейера тоже работает на использовании обратного цикла Стирлинга. То есть затратив 1 кВт/ч электроэнергии на работу ТН, получается в 5 раз больше тепла, чем если бы подавали ту же мощность прямо на электродвигатель. Что дает большой интерес к ТН на основе цикла Стирлинга. Используются приборы, основанные на цикле Стирлинга – криокулеры. Применяются в военной технике, самолетах, как высокочувствительные охлаждаемые до температур порядка – 200 ⁰С датчики и приемники.