Зараз почали згадувати двигун Стірлінга. Мовляв у нього і економічність і екологічність, та й взагалі - назва красиве.
Давайте, чи що, і ми згадаємо, щоб розставити хоча б частину точок над «i» ...

Двигун Стірлінга був винайдений в 1816 році преподобним Робертом Стірлінгом.
Головна мета винаходу - видалити недосконалі машини з вугільних шахт, де вони відкачували воду. Класичні машини вимагають парового котла, який на той час часто вибухав і Стірлінг поставив завдання - винайти машину без високого тиску. Йому це вдалося.

Розглянемо класичний стірлінг бета-типу, він найпростіший.
На схемі червоним позначена частина, яка нагрівається від зовнішнього джерела (приємно, що будь-якого), синім кольором - частина, охлаждаемая повітрям, радіатор.

Будь стірлінг працює саме на цій різниці температур.
У нижній частині під нижнім поршнем повітря нагрівається і від цього розширюється - і штовхає поршень вгору.
В процесі підйому повітря просочується між поршнем і стінками в верхню порожнину, де радіатор його охолоджує. При цьому повітря зверху стискається через охолодження і знову йде вниз, щоб почати новий такт.

Двигун стірлінга працює саме на тому, що повітря в одному місці конструкції розігрівається і розширюється, а в іншому охолоджується і стискається. Природно, варіацій такої схеми - вагон і маленький візок.
Робоче тіло - повітря в циліндрах і це робоче тіло не витрачається. Стірлінг не впускає нічого зовні і нічого в атмосферу не випускає. А так, як всередині циліндрів не відбувається спалаху або детонації, а тиск слабке - то працює він майже безшумно (IMHO, це основна перевага стірлінга). А безшумність і низькі обороти дають фантастичну довговічність. Ну прямо одні плюси в конструкції! Ну що ж, йдемо далі.

Ми показали найпростіший стірлінг, без регенератора і зі щілинами навколо поршня, нам він навряд чи придатний. У нього дуже низька потужність і не дуже який ККД.
Давайте подивимося на стірлінг з регенератором. Регенератор - це на зображенні така штуковина зліва, через яку йде газ.
За теорією регенератор - це порожнина, заповнена будь-яким «пористим матеріалом». На практиці там всередині можуть бути просто металеві ребра або навіть дріт, згорнута в котушку. Регенератор не повинен надто добре проводити тепло. Він повинен остуджувати гарячий газ, коли він проходить через нього і нагрівати холодний газ, коли той повертається через регенератор.
Без нього не буде ні потужності, ні ККД. І його розрахунок - це перший квест, який дістанеться попаданцев. Тобто розрахунку і не буде (бо попаданец не зможе отримати вхідні дані), буде багатомісячний підбір кількості витків або ребер.

Але це тільки квіточки. За ними йдуть ягідки.
Справа в тому, що машина Стірлінга підозріло нагадує машину Ньюкомба з зрошенням холодною водою циліндра. Відмінності є - за часів Стірлінга змогли зробити такі точні деталі, як поршень з циліндром, ну тобто щоб в щілину між ними палець не пролазить. Тому якщо ви вирішили побудувати двигун стірлінга до класичного паровика - будьте готові вирішувати проблеми, описані в статті боротьба за точність . Але пам'ятайте - та точність підгонки деталей, яка годилася для паровика, не годиться для стірлінга. Тому що кривої паровик все одно випустить пар і піде за наступною порцією, а стірлінг нічого в атмосферу випускати не повинен.

Однак, саме на поле точності у попаданцев є шанси побудувати стірлінг.
Справа в тому, що поршні перших паровики були дуже великого діаметру, близько метра. З Стірлінгом така штука не вийде і циліндр стірлінга буде куди меншого діаметру і, відповідно, точність забезпечити багато-багато простіше.

Чому ж циліндр поршня буде менше?
А тому, що теплопередача стірлінга йде через стінки циліндра. І нагрівають саме стінки, чекаючи, що тепло передасться газу.
Однак, так вийшло, що наш світ тривимірний, і якщо ми візьмемо ємність і лінійно збільшимо її розміри, то її обсяг зросте в третього ступеня, а її поверхня - тільки в другій. Тобто при збільшенні розмірів обсяг зростає набагато швидше, ніж площа поверхні. Саме тому ванна остигає набагато повільніше, ніж чайник. У випадку зі Стірлінгом це веде до того, що газ усередині циліндра починає прогріватися куди повільніше і кількість обертів падає катастрофічно. При цьому введення будь-яких ребер не дасть потрібного ефекту, тому що в системі утворюється газ, зібраний в «складках місцевості», який не бере участі в роботі.

Ну добре, будемо будувати невеликий стірлінг. А чому, власне, перші паровики будували такими великими? Навіщо потрібний циліндр в 70 см діаметру? Тут питання з тому, що тиск в котлі перших парових машин було дуже мало і щоб забезпечити потужність, доводилося робити поршні великої площі. Зрозуміло, що такий шлях для стірлінга закритий.

Звичайно, є другий шлях - підвищення тиску. Саме цим шляхом пішов розвиток парових машин.
Як на цю тему в Стірлінг? Та так само, як з усім іншим. Підвищення тиску вимагає підвищення температури. А різке підвищення температури вимагає використання спеціальних жароміцних сталей, з якими зараз експериментують. Адже теплопередача йде через метал і зовнішню сторону доводиться розжарювати до сказу. Але чи були доступні такі стали за часів до технологічної революції? Відповідь знайдете самі.
Я не кажу, що зі стірлінга можна зняти непогану потужність, зараз це вдалося. При використанні водню, електричного нагріву і тиску 200 атмосфер. Простіше відразу реактивний двигун будувати.

Отже, з потужністю у стірлінга не вийшло. А як з іншими параметрами?
Давайте подивимося на кількість оборотів за хвилину. Ви у будь-якого стірлінга бачили регулятор оборотів? Ні?
А тому, що він не потрібен. Стірлінг можна раскочегарить до сотень оборотів в хвилину (я не беру водневий високого тиску), більш того - у стірлінга взагалі дуже вузький діапазон оборотів, заданих конструкцією. Швидше крутиться він не буде - теплопередача в металі гальмує, а менше оборотів можна домогтися тільки зменшенням нагріву - тобто зменшенням тиску в циліндрі - тобто зменшенням потужності - аж до повної зупинки. Це я до того, що якщо ви вирішили поставити стірлінг на авто, то буде потрібно коробка передач і зчеплення. Звичайно, при тій копійчаної потужності можна замутити варіатор, як на скутерах .. У 18 столітті, ага.
Зараз кількість обертів регулюється введенням додаткової буферної ємності для газу, але уявіть «простоту» цієї конструкції! Адже вся проблема не зробити саму ємність і навіть не вентиль до неї. Вона повинна підключатися і відключатися в певному такту роботи, тобто вентиль повинен бути механічно пов'язаний з маховиком.

І одна з головних проблем стірлінга - обороти будуть низькими. І що ми будемо робити з низькими оборотами?
Можна поставити підвищує редуктор. Ми не будемо згадувати про складність цього завдання до епохи парових машин.
Питання в іншому - такий редуктор помітно знижує крутний момент, тому якщо ви хочете зробити щось типу гоночного автомобіля, то він не розженеться, повітря завадить.

Отже, куди можна поставити стірлінг?

На паровоз? Чи не вистачить крутного моменту зрушити з місця склад. А якщо і побудувати легку мотодрезини, то як регулювати її швидкість? Встромляти буферну газову ємність? А місце на дрезині буде? Стірлінг взагалі відрізняється дивно великий матеріаломісткістю навіть серед двигунів зовнішнього згоряння, а тут ще й додаткові пристрої.

На автомобіль? А попаданец зможе побудувати варіатор до появи нарізного сполучення і відповідних токарних верстатів? Я дуже хочу побачити цей девайс!

На пароплав? Кому потрібен гвинт, що буде обертатися з потужністю в три кінські сили і швидкістю менше ста оборотів в хвилину? Звичайно, ці обороти - якраз обороти обертання гребного колеса, але гребне колесо - це важіль, і щоб його провернути потрібно чималий крутний момент, навіть більше ніж у гвинта. Звичайно, можна побудувати гребне колесо сантиметрів 60 в діаметрі, але знову-таки дуже хочу це побачити!

На водяний насос? Так! Це його місце! Там не треба ні високої потужності, ні більших обертів. Більш того - необхідно дуже довго тримати постійні обороти, а стірлінг в рознос не піде ніколи. Саме воно!
І нагадаю - насоси потрібні не тільки на шахтах. Насос, наприклад, працює в класичному холодильнику ..

На електростанцію? Можна спробувати. З одного боку - постійні обороти. Якщо правильно підійти, то можна побудувати лінійний генератор, який буде видавати змінний струм заданої частоти. Стірлінг вміє тримати обороти! Але з іншого боку - мала потужність. Тобто якщо вам потрібно електрику живити електролампочку і рентгенівський апарат, ну і плюс зарядити мобілку - годиться. А якщо потрібно отримувати карбід кальцію або алюміній - забудьте.

Крутити токарний верстат? Так, годиться. Тільки треба не забувати на кожен верстат поставити свій стірлінг, ну і без редукторів тут не обійтися. Але якщо верстат вийшов - на ньому можна робити необхідні деталі і підвищувати ефективність.

ККД стірлінга виходить близько 15-18%. Він не настільки високий, як слід було б очікувати через те, що теплопередача йде черех стінку.
Як для паровика, це багато.
Однак, використовувати його можна тільки там, де потрібно малопотужний двигун (малопотужний, але не малорозмірний!). Тобто там, де б зараз поставили електродвигун.

У двигуні Стірлінга багато підводних каменів. Ось як виглядає реалізація кінематичної схеми, показаної вище.
І це - найефективніша схема. Я сумніваюся, що попаданец буде возитися з двома валами, швидше за все обійдеться класичним кривошипом і маховиком. Співвісність буде гірше і досить швидко стірлінг почне випускати повітря, але хіба це когось зупинить?

Решта схеми я наводити не буду - вони складніше. Хоча якщо вся технологічна база вже працює (читай «парові машини в розквіті»), то і інші моделі можна побудувати, стирлинги реально простіше паровики. І багато безпечніше. І тому дешевше. Ось тільки паровик Стірлінга не замінить ...