Цикл стирлинга: 9.11. Цикл Стирлинга | Электронная библиотека

9.11. Цикл Стирлинга | Электронная библиотека

Общетехнические дисциплины / Теплотехника / 9.11. Цикл Стирлинга

Двигатель Стирлинга – газовый двигатель поршневого типа с внешним подводом теплоты, которая получается в результате сгорания твердых, жидких, газообразных топлив. Внешний подвод теплоты осуществляется через теплопроводящую стенку. Рабочее тело (водород, гелий, аргон, углекислый газ) находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.

Одна из возможных конструктивных схем двигателя Стирлинга, когда рабочий 5 (рис. 9.29) и вытеснительный 1 поршни находятся в одном цилиндре.

В процессе перекачки в горячую полость (над рабочим поршнем) рабочее тело в регенераторе 3 и нагревателе 4 получает теплоту, а в процессе перекачки в холодную полость (под рабочим поршнем) отдает теплоту в регенераторе 3 и охладителе 2. Для осуществления этих процессов движение вытеснительного поршня 1 сдвинуто по фазе по отношению к движению рабочего поршня 5.

Рис. 9.29. Конструктивная схема двигателя Стирлинга

Идеальный цикл Стирлинга состоит из четырех процессов (рис. 9.30). В процессе а–с холодное рабочее тело сжимается в изотермическом процессе Т_а = Т_с = Т₂при интенсивном отводе теплоты q₂«. В процессе c–z поршень-вытеснитель перемещает рабочее тело из холодной полости в горячую, так что v_c= v_z(изохорный процесс), а температура увеличивается от Т_С = Т₂до T_z  = T₁при подводе теплоты q₁‘.

В изотермическом процессе расширения T_{z= Te= T1к рабочему телу подводится теплота q1«. Затем поршень-вытеснитель, перемещаясь в обратном направлении, выталкивает рабочее тело из горячей полости в холодную (ve= va= const) с отводом теплоты q2‘. Отличительной особенностью цикла Стирлинга является то, что рабочее}

тело, перемещаясь из холодной полости в горячую и обратно через регенератор, то воспринимает теплоту от рабочего тела, то, охлаждаясь, отдает теплоту рабочему телу.

Рис. 9.30. Диаграмма работы идеального цикла Стирлинга

Работа в цикле Стирлинга представляет собой разность работы, полученной в процессе изотермического расширения (подвод теплоты q₁«), и работы, затраченной в процессе изотермического сжатия с отводом теплоты (q₂«):

.

При полной регенерации , так как

;

.

Термический КПД цикла при идеальном регенераторе равен:

.                             (9.14)

Подставив выражения для q₁« и q₂« в уравнение (9.14), получим:

.

Так как изохоры идеального газа на TS-диаграмме эквидистантны, то

.

Следовательно:

.

Таким образом, термический КПД цикла Стирлинга с полной регенерацией теплоты равен термическому КПД цикла Карно.

Если ввести параметры цикла:  = v_a/v_c – степень сжатия и – степень повышения температуры, то термический КПД цикла может быть преобразован к виду:

.

Среднее давление цикла равно:

или

.

Двигатели Стирлинга завоевали право на широкое применение. Они достигли уровня современных дизелей, а по некоторым показателям превзошли их:

· менее токсичны;

· меньше уровень шума;

· могут работать с практически любыми источниками теплоты.

Так, был создан и испытан в космическом пространстве для привода регенератора двигатель Стирлинга, в котором в качестве источника теплоты использовалась энергия солнечных лучей.

Цикл Стирлинга | это… Что такое Цикл Стирлинга?

Термодинамические циклы
Статья является частью серии «Термодинамика».
Цикл Аткинсона
Цикл Брайтона/Джоуля
Цикл Гирна
Цикл Дизеля
Цикл Калины
Цикл Карно
Цикл Ленуара
Цикл Миллера
Цикл Отто
Цикл Ренкина
Цикл Стирлинга
Цикл Тринклера
Цикл Хамфри
Цикл Эрикссона
Разделы термодинамики
Начала термодинамики
Уравнение состояния
Термодинамические величины
Термодинамические потенциалы
Термодинамические циклы
Фазовые переходы
править
См. также «Физический портал»

Цикл Сти́рлинга — термодинамический цикл, описывающий рабочий процесс машины Стирлинга, запатентованной в 1816 г. шотландским изобретателем Робертом Стирлингом, приходским священником по профессии.

Помимо рабочего тела, нагревателя и холодильника абстрактная машина Стирлинга содержит ещё регенератор — устройство, отводящее тепло от рабочего тела на некоторых этапах цикла, и отдающее это тепло рабочему телу на других этапах. Идеальный цикл Стирлинга состоит из процессов:

T—V диаграмма идеального цикла Стирлинга с регенератором.

• 1—2 изотермическое расширение рабочего тела с подводом тепла от нагревателя;
• 2—3 изохорный отвод тепла от рабочего тела к регенератору;
• 3—4 изотермическое сжатие рабочего тела с отводом тепла к холодильнику;
• 4—1 изохорический нагрев рабочего тела с подводом тепла от регенератора.

В расчёте на один моль рабочего тела тепло, подведённое за цикл от нагревателя (см. изотермический процесс) определяется выражением: (здесь  — универсальная газовая постоянная).

Тепло, отведённое за цикл к холодильнику: .

Тепло, отдаваемое в процессе 2—3 регенератору и возвращаемое от него в процессе 4—1 равно: . (здесь  — молярная теплоёмкость идеального газа при постоянном объёме) Это тепло сохраняется в системе, являясь частью её внутренней энергии, которая за цикл не изменяется. Регенератор, таким образом, позволяет экономить тепло, расходуемое нагревателем за счёт уменьшения тепла, отводимого к холодильнику, и, тем самым, повысить термодинамическую эффективность двигателя Стирлинга.

Термический коэффициент полезного действия идеального цикла Стирлинга равен: . Таким же выражением определяется термический КПД цикла Карно.

Цикл, подобный циклу Стирлинга, но без регенератора, осуществим, хотя и менее эффективен. В изохорном процессе 2—3 такого цикла тепло отводится от рабочего тела непосредственно к холодильнику, а в процессе 4—1 — подводится от нагревателя. КПД такого цикла будет определяться выражением: . Нетрудно видеть, что это выражение при ненулевом и при тех же значениях и , что и в цикле с регенератором, имеет меньшую величину.

Пройденный в обратном направлении (4—3—2—1—4), цикл Стирлинга описывает холодильную машину. При этом направления передачи тепла ,, и меняются на противоположные. Наличие регенератора является необходимым условием осуществимости холодильного цикла Стирлинга, поскольку согласно второму началу термодинамики в изохорном процессе (3—2) невозможно нагреть рабочее тело от холодильника, имеющего более низкую температуру, или передать тепло в процессе (1—4) от рабочего тела нагревателю, имеющему более высокую температуру.

См. также

• Двигатель Стирлинга
• Термодинамические циклы
• Цикл Карно

Ссылки

Г. Уокер ДВИГАТЕЛИ СТИРЛИНГА Сокращенный перевод с английского Б. В. СУТУГИНА и Н. В. СУТУГИНА

Глава 3b — Первый закон — Закрытые системы

Глава 3b — Первый закон — Закрытые системы — Стирлинг Эбдайнс (обновлено 05.07.2014)

Глава 3: Первый закон термодинамики для
Закрытые системы

b) Машины с идеальным циклом Стирлинга (двигатели /
охладители)

1. Двигатель с циклом Стирлинга

Концептуально двигатель Стирлинга является самым простым из
все тепловые двигатели. Он не имеет клапанов и включает в себя внешний подогрев.
пространство и пространство с внешним охлаждением. Его изобрел Роберт
Stirling, и интересный сайт к Боб
Sier включает фотографию Роберта.
Стерлинг, его оригинальный патентный рисунок 1816 года и анимированная модель.
оригинального двигателя Стирлинга.

В исходном одноцилиндровом рабочем состоянии газ (обычно воздух или гелий) герметизируется внутри цилиндров поршень и перемещается между горячим и холодным пространством с помощью вытеснитель. Рычажный механизм, приводящий в движение поршень и вытеснитель, будет двигаться их так, что газ будет сжиматься, пока он находится в основном в охлаждать пространство сжатия и расширяться в то время как в горячем расширении космос. Это ясно показано на соседней анимации, которая был произведен Ричардом Уилером ( Зефирис ) Википедия . См. также анимацию, созданную Мэттом. Кевени в своем Стирлинге движок анимация сайт. Поскольку газ находится при более высокой температуре и, следовательно, давлении во время его при расширении, чем при его сжатии, вырабатывается больше мощности при расширении, чем реабсорбируется при сжатии, и это чистая избыточная мощность – это полезная мощность двигателя. Обратите внимание, что нет клапанов или прерывистого сгорания, что является основным Источник шума в двигателе внутреннего сгорания. Тот же рабочий газ используется снова и снова, что делает двигатель Стирлинга герметичная система замкнутого цикла. Все, что добавлено в систему, устойчивый высокотемпературный нагрев, и все, что удаляется из система представляет собой низкотемпературную (отработанную) теплоту и механическую энергию.

Афины, штат Огайо, является центром производства велосипедной машины Стирлинга.
деятельности, как двигателей, так и охладителей, и включает НИОКР и
компании-производители, а также всемирно известные
консультанты в области компьютерного анализа цикла Стирлинга.
материнской компанией этого вида деятельности является Sunpower .
Он был сформирован Уильямом
Beale в 1974 году, в основном на основе его
изобретение свободнопоршневого двигателя Стирлинга, о котором мы расскажем ниже.
Они разработали свободнопоршневой двигатель/генератор мощностью 1 кВт, а с 1995
эта технология была использована компанией British Gas для разработки ТЭЦ (комбинированного производства тепловой энергии).
и мощность) – двигатель/генератор мощностью 1 кВт в настоящее время
производства Микроген
Engine Corporation (см.
История
и Двигатель
веб-страница).
В 2013 году компания Sunpower была приобретена компанией Ametek .
в Пенсильвании, однако продолжает выполнять цикл Стирлинга.
разработка машин в Афинах, штат Огайо.

Некоторые примеры одноцилиндровых двигателей Стирлинга:
Стерлинг
Технология (обратите внимание на недавнее название компании
изменение: Комбинированная энергия
Technology ) — дочерняя компания Sunpower.
и изначально формировался для того, чтобы продолжить развитие и
изготовление 3,5 кВт СТ-5
Воздушный двигатель . Этот большой одноцилиндровый
двигатель сжигает топливо из биомассы (например, гранулы из опилок или рисовую шелуху) и
может функционировать как когенерационная установка в сельской местности. это не
свободнопоршневой двигатель и использует кривошипно-шатунный механизм для получения
правильная фазировка буйка.
В настоящее время комбинированная энергетическая технология
работает с Microgen
Двигательная корпорация , международная
компания, производящая свободнопоршневой двигатель/генератор MEC мощностью 1 кВт.
Компания Combined Energy Technology разработала многотопливную горелку для
двигатель и сотрудничает с Microgen, чтобы получить различные системы в
магазин.

Еще одним важным ранним двигателем Стирлинга является двигатель Леманна.
машина, на которой Густав Шмидт сделал первый разумный анализ
Двигатели Стирлинга в 1871 году. Энди Росс из Колумбуса, штат Огайо, построил небольшой
рабочая копия Леманн
машина , а также модель
воздушный двигатель .

Когенерация солнечной энергии и тепла: С
нынешний энергетический кризис и кризис глобального потепления, возобновляется
интерес к возобновляемым источникам энергии, таким как энергия ветра и солнца,
и распределенные системы когенерации тепла и электроэнергии. Круто
Energy из Боулдера, Колорадо, ранее
разработал полный солнечных
система когенерации тепла и электроэнергии для
домашнее использование с использованием технологии двигателя Стирлинга для электричества
поколение. Это уникальное приложение включало эвакуирован
трубчатые солнечные тепловые коллекторы (слайд
любезно предоставлено rusticresource.com ),
аккумулирование тепла, горячая вода и обогреватели, а также Стерлинг
двигатель/генератор, использующий газообразный азот. В настоящее время они концентрируются
на низкотемпературных (150°C — 400°C) системах рекуперации тепла
(См.: Круто
Energy ThermoHeart 25 кВт Обзор двигателя ).

Идеальный анализ: Пожалуйста
Примечание , что следующий анализ
Двигатели с циклом Стирлинга идеальны и предназначены только в качестве примера.
из Анализ первого закона
закрытых систем. В реальном мире мы не можем ожидать
реальные машины работают лучше чем на 40 — 50% от идеальных
машина. Анализ реальных машин с циклом Стирлинга чрезвычайно
сложный и требует сложного компьютерного анализа (см., например,
веб-учебный ресурс по адресу: Stirling
Цикл Машинный Анализ .)

Свободнопоршневой двигатель Стирлинга, разработанный
Sunpower, Inc уникальна тем, что не требует механического соединения.
между поршнем и вытеснителем, таким образом, правильная фазировка
между ними происходит за счет использования давления газа и усилия пружины.
Электроэнергия снимается с двигателя с помощью постоянных магнитов.
прикреплен к поршню, приводящему в движение линейный генератор переменного тока. В основном
Идеальный двигатель Стирлинга проходит 4 различных процесса, каждый из которых
которые могут быть проанализированы отдельно, как показано на P-V схема
ниже. Рассмотрим сначала работу, проделанную во всех четырех процессах.

• Процесс 1-2 — это процесс сжатия, в котором
  газ сжимается поршнем, когда вытеснитель находится в
  верх цилиндра. Таким образом, в ходе этого процесса газ охлаждается в
  для поддержания постоянной температуры T _C .
  Работа W _1-2 требуется
  для сжатия газа показано как площадь под P-V
  кривой и оценивается следующим образом.

• Процесс 2-3 является
  процесс вытеснения постоянного объема, при котором газ вытесняется
  из холодного пространства в горячее пространство расширения. Никакая работа не сделана,
  однако, как мы увидим ниже, значительное количество тепла Q _R поглощается газом из матрицы регенератора.

• Процесс 3-4 представляет собой процесс изотермического расширения.
  Работа W _3-4 выполнена
  системой и отображается как область под P-V
  диаграмме, при этом тепло Q _3-4 добавляется в систему от источника тепла,
  поддержание постоянной температуры газа T _H .

Чистая работа W _net , выполненная за цикл, определяется по формуле: W _net = (W _3-4 +
W _1-2 ), где
работа на сжатие Вт _1-2 есть
отрицательный (проделанная работа на
система).

Теперь рассмотрим тепло, переданное за все четыре
процессов, что позволит оценить тепловой КПД
идеальный двигатель Стирлинга. Напомним из предыдущего раздела, что в
для того, чтобы сделать анализ первого закона идеального газа, чтобы определить
передаваемого тепла, нам нужно было разработать уравнения для определения
изменение внутренней энергии Δu в пересчете на Конкретный
Теплоемкость идеального газа .

Два процесса постоянного объема образованы
удерживая поршень в фиксированном положении и перемещая газ между
горячие и холодные помещения с помощью вытеснителя. Во время процесса 4-1
горячий газ отдает свое тепло Q _R , проходя через матрицу регенератора, которая
в последующем полностью восстановился в процессе 2-3.

Мы найдем в главе
5 что это максимальный теоретический
эффективность, достижимая от тепловой машины, и обычно
упоминается как Карно
эффективность. Для получения дополнительной информации по этому вопросу см.
на бумагу: А
Встреча Роберта Стирлинга и Сади Карно в 1824 году
представлен на 2014
МЭК .

Обратите внимание, что при отсутствии регенератора тепло Q _R должно подаваться нагревателем. Таким образом, эффективность будет
значительно сократиться до η _th = W _net /
(Q _в + Q _R ).
Кроме того, охладитель должен будет отводить тепло, которое
обычно поглощается регенератором, поэтому холодильная нагрузка будет
увеличен до Q _из +
Q _R . Напомним, что
Q _{2-3 ​​} = Q _R = -Q _4-1 .

Обратите внимание, что практический цикл Стирлинга имеет много потерь.
связанный с ним и реально не связанный с изотермическими процессами,
ни идеальной регенерации. Кроме того, поскольку Free-Piston Stirling
циклические машины предполагают синусоидальное движение, P-V
схема имеет овальную форму, а не острые края
определены на приведенных выше схемах. Тем не менее, мы используем идеальную модель Стирлинга.
цикл, чтобы получить первоначальное понимание и оценку цикла
производительность.

Проблема
3.2 — Sunpower EG-1000 Stirling
Двигатель/генератор
________________________________________________________________________________

2. Охладитель цикла Стирлинга

Один из важных аспектов машин с циклом Стирлинга, который
нам нужно учитывать, что цикл можно обратить вспять — если мы положим net
работать в цикле, то его можно использовать для откачки тепла из
источник температуры к высокотемпературному стоку. Солнечная сила
принимал активное участие в разработке
Холодильные системы с циклом Стирлинга и производство по циклу Стирлинга
криогенные охладители для сжижения кислорода. В 1984 Sunpower разработала
свободный поршень Duplex
Машина Стирлинга , имеющая только три движущихся
части, включая один поршень и два вытеснителя, в которых зажигался газ
Двигатель цикла Стирлинга приводил в действие охладитель цикла Стирлинга. Глобальное похолодание
была создана в 1995 году как дочерняя компания Sunpower, и
был сформирован в основном для разработки свободнопоршневого цикла Стирлинга
кулеры для домашнего холодильника. Эти системы, кроме
значительно эффективнее обычного парокомпрессионного
холодильники, имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что они компактны, портативны.
агрегаты, использующие гелий в качестве рабочей жидкости (а не хладагенты ГФУ
например, R134a с потенциалом глобального потепления 1300). Более
Недавно Global Cooling решила сосредоточить свои разработки
усилия по системам, в которых практически нет конкурентных
системы — охлаждение между -40°C и -80°C, и они установили
новое название компании: Стерлинг
Ультрахолод .
Обновить
— 2021: Стерлинг
Ultracold Ultra-Low Temperature (ULT)
Морозильники отвечают сегодняшним беспрецедентным задачам развертывания COVID-19.
Обратитесь к Walgreens
Пример вакцины против COVID-19 , а также
Стерлинг
Ultracold объединяется с Biolife Solutions .

Нам повезло, что мы получили два оригинальных M100B.
кулеры от Global Cooling. Один используется как демонстрационная единица,
и показан в работе на следующей фотографии. Второй
устройство настроено как ME Старший
Лабораторный проект , в котором мы оцениваем
фактическая производительность машины при различных заданных нагрузках и
температуры.

Схематическая диаграмма, за которой следует анимированная схема
кулера (оба любезно предоставлены Global Cooling (в настоящее время Stirling
Ultracold ) показаны ниже

Концептуально кулер предельно прост.
устройство, состоящее по существу всего из двух подвижных частей — поршня
и вытеснитель. Буек перемещает рабочий газ (гелий)
между пространствами сжатия и расширения. Фазирование между
поршень и вытеснитель таковы, что, когда большая часть газа находится в
окружающее пространство сжатия, то поршень сжимает газ, в то время как
отвод тепла в окружающую среду. Затем вытеснитель вытесняет газ
через регенератор в холодное расширительное пространство, а затем оба
вытеснитель и поршень позволяют газу расширяться в этом пространстве, в то время как
поглощая тепло при низкой температуре.

________________________________________________________________________________________

Задача 3.3 — Цикл Стирлинга
Кулер M100B — Идеальный анализ

К сожалению, анализ фактического цикла Стирлинга
машины чрезвычайно сложны и требуют сложного компьютера
анализ. Рассмотрим идеализированную модель этого охладителя, определенную в
термины диаграммы P-V
показано ниже, чтобы определить идеальную производительность M100B
в типичных рабочих условиях, как описано ниже. ( Примечание
что представленные здесь значения не являются фактическими значениями M100B,
однако были разработаны вашим инструктором для целей этого упражнения
только ).

Процесс (1)-(2) представляет собой процесс изотермического сжатия
при температуре Т _С =
30°C, в течение которого нагревается Q _C .
отбрасывается в окружающую среду. Процесс (2)-(3) представляет собой постоянный объем
процесс вытеснения, при котором тепло Q _R отводится в матрицу регенератора. Процесс (3)-(4)
процесс изотермического расширения при температуре T _Е = -20°С,
в течение которого плавка Q _E
поглощается из морозильной камеры, и, наконец, процесс (4)-(1) является
процесс вытеснения постоянного объема, в ходе которого тепло Q _R поглощается из матрицы регенератора. Таким образом, идеал
Цикл Стирлинга состоит из четырех отдельных процессов, каждый из которых
можно анализировать отдельно. Состояние (1) определяется на максимальной громкости
35 см ³ и
давление 1,9 МПа, а состояние (2) определяется при минимальном объеме
30 см ³ . Энергия
передается как при сжатии, так и при расширении.
указано на P-V схемы
следующим образом:

Поскольку рабочим телом является гелий, который является идеальным
газа, мы везде используем уравнение состояния идеального газа. Таким образом, P V = m
R T, где R = 2,077 кДж/кг K, и Δu = Cv ΔT, где Cv = 3,116
кДж/кг К. (см.: Идеал
Свойства газа )

• а) Определить теплоту, поглощаемую при расширении
  пробел Q _E во время
  процесс расширения (3) — (4) (Джоули). Определить также тепло
  потребляемая мощность (Ватт). Обратите внимание, что частота цикла – это линия
  частота (f = 60 Гц). [Вопрос _Е
  = 8,56 Дж (мощность = 513,6 Вт)]

• б) Определить чистую работу, выполненную за цикл
  (Джоули): Вт _нетто =
  W _E + W _C (Обратите внимание, что работа сжатия W _C всегда отрицательна). Определить также потребляемую мощность
  к линейному электродвигателю (Ватт). [Вт _нетто
  = -1,69 Дж (мощность = -101 Вт)]

• c) Оценка коэффициента полезного действия
  холодильник определяется как: COP _R = Q _E /
  Вт _нетто . (нагревать
  поглощается в пространстве расширения, деленному на чистую выполненную работу). [КС _Р
  = 5,07]

• г) Определить количество теплоты, отводимой
  рабочая жидкость Q _R as
  он проходит через матрицу регенератора в процессе (2)-(3).
  [Q _Р
  = -16,46 Дж (мощность = -988
  W)]
  Если бы не было регенератора
  присутствует, то это тепло должно быть отведено от газа с помощью
  процесс расширения с целью снижения температуры до холода
  температура морозилки. Как это повлияет на производительность
  кулер? Обсудите важность эффективного регенератора в
  охладитель цикла Стирлинга.

____________________________________________________________________________________

К Части c)
Первый закон — дизельные двигатели

К Части d) Закона
Первый закон — двигатели цикла Отто

________________________________________________________________________________________

Инженерная термодинамика Израиля
Уриэли находится под лицензией Creative
Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3. 0 США
Лицензия

Цикл Стирлинга — Криогеника Стирлинга

Цикл Стирлинга — это термодинамический замкнутый цикл, изобретенный в 1816 году шотландским министром Робертом Стирлингом. Он использовался в качестве двигателя и в то время считалось, что он может заменить паровой двигатель, поскольку паровые котлы были подвержены опасным для жизни взрывам. Аналог двигателя Стирлинга, холодильник, был впервые обнаружен в 1832 году. Обе машины переживали взлеты и падения в течение девятнадцатого века. Принцип работы машин был почти предан забвению после изобретения двигателей внутреннего сгорания (газовых, бензиновых и дизельных двигателей) и компрессорных холодильников с внешним испарением.
В 1938 году знаменитая голландская исследовательская лаборатория Philips искала средства для питания генераторов электроэнергии для систем связи на коротких волнах в отдаленных районах без электричества. Их внимание привлек практически забытый двигатель Стирлинга.

В 1946 году Philips начала оптимизировать цикл Стирлинга для криогенного охлаждения. Результатом стала разработка покорившего мир криогенератора Стирлинга, положившего начало значительной криогенной деятельности Philips. Хотя сам двигатель Стирлинга так и не стал коммерчески успешным, криогенератор Стирлинга был продан тысячами по всему миру и был включен в оборудование и проекты, используемые от Антарктиды до Северного полюса.

Эффективность Стирлинга

Криогенератор Стирлинга чрезвычайно эффективен по сравнению с другими циклами криогенного охлаждения. Эффективность Карно составляет 30% при 77K, что дает высокую практическую общую эффективность, определяемую как ватты мощности охлаждения, доступной для приложения, деленные на кВт входной электрической мощности. В зависимости от рабочей температуры общий КПД криогенератора Стирлинга варьируется от 10 % для LN ₂ и более 20 % для систем СПГ.

Стерлинговый криогенератор

Центральный элемент во всем оборудовании криогеники Стирлинга является криогенератор цикла Стирлинга. Цикл Стирлинга примечателен тем, что это замкнутый цикл, в котором внутренний рабочий газ криогенератора (He) никогда не вступает в контакт с охлаждаемой жидкостью; они соединяются только потоком тепла через стенку теплообменника. Эта концепция устраняет загрязнение технологического процесса заказчика, а также рабочего газа цикла Стирлинга, что приводит к длительным периодам непрерывной работы и долговечности.

Цикл Стирлинга попеременно сжимает и расширяет фиксированное количество гелия в замкнутом цикле. Сжатие происходит при комнатной температуре, чтобы облегчить отвод тепла, вызванного сжатием, в то время как расширение выполняется при криогенной температуре, требуемой приложением

Для пояснения процесс может быть разделен на четыре различных положения поршня, показанных на рис. 1. В положении I весь гелий находится при комнатной температуре в пространстве D. Переходя в положение II, этот газ сжимается поршнем B, повышая температуру газа примерно до 80°C, см. рис. 2, колонка 1. Когда вытеснитель C перемещается вниз из положения II в положение III, газ вытесняется из пространства D в пространство E, вытесняя его сначала через охладитель H, где теплота сжатия рассеивается в охлаждающую воду, снижая температуру газа примерно до 15°C (колонка 2). Далее гелий протекает через регенератор G. Используя холод, запасенный в регенераторе предыдущим циклом, газообразный гелий охлаждается практически до конечной рабочей температуры при поступлении в пространство Е (столбец 3). Последним и основным действием является перемещение вытеснителя и поршня в положение IV, расширяя газообразный гелий. Это расширение создает фактическую мощность охлаждения в холодном теплообменнике J (столбец 4), охлаждая процесс потребителей.

Чтобы начать новый цикл, вытеснитель перемещается вверх в положение I, снова вытесняя гелий в пространство D. Регенератор охлаждается проходящим гелием (колонна 3), сохраняя холод для использования в следующем цикле. Гелий повторно нагревается почти до комнатной температуры, поэтому исходная ситуация цикла теперь восстановлена ​​для повторения цикла.