Перспективы применения двигателя Стирлинга

Министерство просвещения Российской Федерации

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

города Новосибирска «Гимназия № 4»

секция: физика

Перспективы применения двигателя Стирлинга

Ученика 9 класса:

Томилова Александра Сергеевича

Научный руководитель:

Березин Н. Ю., старший преподаватель НГТУ

Руководитель:

Кудрявцева Т.А., учитель физики высшей квалификационной категории.

2019

Содержание

Введение 2

Глава I История двигателя 5

1.1. Что такое двигатель Стирлинга? 5

1.2 Принцип работы двигателя Стирлинга 7

1.3 Классификация двигателей Стирлинга: 8

Глава II Построение опытного образца конструкции 9

2.1 Разновидности двигателей 9

2.2 Изготовление двигателя 9

2.3 Расчёт КПД и рабочего давления двигателя Стирлинга. Усовершенствование модели 11

Выводы 14

Заключение 14

Список литературы 15

В течение многих веков люди придумывали разные способы получения электричества. Одним из них являются тепловые двигатели. Эти двигатели широко используются в жизни человека. Обычно выделяют семь видов тепловых двигателей: двигатель Стирлинга, паровая машина, поршневой двигатель, турбинные двигатели внутреннего и внешнего сгорания, реактивные двигатели, твёрдотельные двигатели.

Планирую изготовить один из двигателей, работающих на практически любых перепадах температур, - двигатель Стирлинга.

Актуальность проекта: в наше время большое значение придаётся вопросу экологии. Сам по себе двигатель Стирлинга не загрязняет окружающую среду, то есть экологичность двигателя обусловлена, прежде всего, экологичностью источника тепла. При использовании некоторых экологически чистых источников тепла «стирлинг» даёт высокий довольно КПД.

Проблема проекта: существующие двигатели сильно загрязняют окружающую среду, необходимо создание более экологичного источника энергии.

Цель проекта: изготовить двигатель Стирлинга своими руками, исследовать его.

Задачи проекта:

• осуществить поиск информации;

• узнать способы изготовления двигателя Стирлинга в домашних условиях;

• подобрать необходимый материал;

• изготовить двигатель;

• исследовать свойства двигателя, определить его преимущества и недостатки;

• сделать вывод.

Методы исследования:

сбор и анализ информации,

проведение экспериментов.

Объект исследования: двигатель Стирлинга.

Предмет исследования: возможности сделанного двигателя, его свойства.

Гипотеза: на основе полученных исследований возможно создать оптимальную модель двигателя Стирлинга.

Продукт проекта: макет двигателя Стирлинга.

Изобретателем парового двигателя считается англичанин Джеймс Уатт, хотя у него были предшественники. В России первый паровой двигатель собственной конструкции построил Иван Ползунов.

В XIX веке инженеры хотели создать безопасную замену паровым двигателям того времени, котлы которых часто взрывались из-за высоких давлений пара и неподходящих материалов для их постройки. Эта проблема волновала и шотландского священника Роберта Стирлинга. Он решил создать машину, в которой будет использоваться сила нагретого воздуха вместо силы пара. Так и появился двигатель Стирлинга, который был запатентован 27 сентября 1816 года. В 1945 году инженеры фирмы «Philips» нашли Стирлингу обратное применение - раскрутив вал двигателя электромотором, они вызвали охлаждение головки цилиндров -190°С. Эта особенность двигателя Стирлинга нашла применение в промышленных холодильных установках. В наше время широко используется в сложных конструкциях, таких как современные подводные лодки.

1. Что такое двигатель Стирлинга?

Сам двигатель представляет собой тепловую машину, в которой рабочее тело, в виде газа или жидкости, движется в замкнутом объёме. Он основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Работает «стирлинг» от любого источника тепла.

Таблица сравнительных характеристик двигателя

Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга. 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.

Таким образом, он работает за счёт разности температур между нагревающей и охлаждающей частью.

 Принцип работы низкотемпературного двигателя Стирлинга

Сам двигатель состоит из цилиндра, в котором движется вытеснитель и из второго цилиндра, в котором ходит рабочий поршень. Боковые стенки большого цилиндра не проводят тепло. Верхняя часть холодная, нижняя – горячая. Когда вытеснитель опускается вниз, перекрывая горячую пластину, воздух резко охлаждается и сжимается, втягивая рабочий поршень (зеленого цвета). При движении вытеснителя вверх, он перекрывает холодную пластину, воздух от нижней пластины резко нагревается, расширяется (от нагрева) и вытесняет рабочий зеленый поршень вверх.

Далее цикл повторяется, так как вытеснитель и рабочий поршень связаны между собой коленвалом со смещением 90 градусов.

По способу соединения цилиндров:

• альфа;

• бета;

• гамма.

Так как двигатель несложен в строении, его нетрудно изготовить своими руками. Существуют различные способы его изготовления. Самые популярные - из жестяных банок из-под консервов или газировок. Их популярность объясняется тем, что жесть хорошо проводит тепло, а также её легко паять. Также сделать двигатель можно из шприцов или других пластиковых предметов. Минус таких двигателей в том, что они работают только на низких температурах из-за нетермоустойчивости пластика.

Из этих вариантов более удобным кажется жестяной двигатель, который мы и решили изготовить.

Список материала и оборудования:

1. Консервная банка

2. Пластмассовая трубка диаметра 25 мм и высоты 25 мм

3. Поршень шприца

4. Картон

5. Полиэтиленовый пакет

6. Металлическая проволока диаметром 1,4 мм

7. Деревянные бруски с отверстиями для коленвала

8. Термоклей

9. CD-диск

Ход работы:

1. Взять пустую металлическую консервную банку.

2. Из картона изготовить вытеснитель, диаметр которого должен быть на 5 мм меньше диаметра консервной банки.

3. Прикрепить в центре вытеснителя тонкую леску длиной около 20 см.

4. Взять полиэтиленовую крышку для банок, в центре сделать небольшое отверстие для лески.

5. Взять пластмассовую трубку диаметром 25 мм, высотой 25 мм.

6. В полиэтиленовой крышке сбоку прорезать отверстие диаметром чуть меньше пластмассовой трубки (20-23 мм).

7. Приклеить трубку к полиэтиленовой крышке термоклеем

8. Продеть леску через полиэтиленовую крышку.

9. Крышку герметично приклеить к консервной банке (вытеснитель внутри банки!)

10. Взять два деревянных бруска, прикрепить по бокам консервной банки (крепление для коленвала).

11. Взять целлофановый пакет, прикрепить к нему поршень от шприца (5 мл).

12. Закрепить целлофановый пакет на пластмассовой трубке с помощью резинки.

13. Сделать коленвал так, чтобы угол между коленами был 90 градусов.

14. Закрепить коленвал на деревянных брусках.

15. Из проволоки сделать шатун, длина которого регулируется самостоятельно.

16. Прикрепить леску ко второму колену коленвала.

17. Сделать маховик из CD – диска.

1. Берём вторую металлическую консервную банку большего диаметра.

2. Вырезаем в дне отверстие, диаметр которого чуть больше диаметра дна первой консервной банки.

3. Впаиваем банки в области дна друг к другу.

4. Заливаем холодную жидкость в полость, созданную между двумя банками.

Расчёты параметров работы модели двигателя Стирлинга:

1. Измерение рабочего хода поршня, частоты вращения коленвала, температуры холодильника и нагревателя:

ν – частота вращения коленвала;

k – ход поршня;

- температура нагревателя; - температура холодильника;

1. Расчёт КПД идеального (по таблице) и КПД реального:

Реальный КПД равен 1/3 идеального, т.к. система не теплоизолирована (большая потеря энергии).

Для базовой модели:

КПД идеальный (по таблице) = 53%, значит КПД реальный = 18%.

Для усовершенствованной модели:

КПД идеальный = 60%, значит КПД реальный = 20%, что выше чем КПД базовой модели на 2%.

1. Расчёт рабочего давления:

, где P_n – полезная мощность двигателя (1)

A – полезная работа

A = F∙H, (2)

где F= p∙S, (3)

где S – площадь поперечного сечения банки

p – рабочее давление

H – высота банки

(4)

Где t – время работы поршня

ν – частота вращения коленвала

Решаем совместно уравнения 1 – 4:

= η∙q∙m

Где q - удельная теплота сгорания стеарина

m - масса сгоревшей свечи

1. Результаты расчёта:

;

Для базовой модели:

; р = 171 кПа

Для усовершенствованной модели:

; р = 611 кПа

• осуществили поиск информации по теме исследования;

• узнали способы изготовления двигателя Стирлинга в домашних условиях;

• подобрали необходимый материал, изготовили двигатель, исследовали свойства двигателя, определили его преимущества и недостатки;

• двигатель Стирлинга полезен при использовании возобновляемых источников тепловой энергии (КПД до 30% при использовании солнечной энергии).

• двигатель можно использовать в быту как доступный источник энергии, а также как устройства обучения или развлечения.

• при изготовлении модели двигателя в домашних условиях возникают трудности с отводом тепла, в связи, с чем двигатель недолговечен.

Работа над исследовательским проектом помогла узнать об изобретателях индустриального века, благодаря которым произошла Первая промышленная революция. В процессе работы познакомился с работой и принципом действия и областью применения Двигателей Стирлинга. Вероятно, в ближайшее время двигатель Стирлинга найдет применение в качестве основной силовой установки в стационарных энергоблоках небольшой мощности, использующих нетрадиционные источники теплоты, или во вспомогательных системах основной силовой установки транспортных средств. Способность производить электричество из возобновляемых ресурсов делает двигатель Стирлинга эко машиной будущего.

1. Бреусов В.П., Куколев М.И. Проектная разработка и технология изготовления двигателей с внешним подводом теплоты, работающих на биогазе, Двигателестроение №2 (236), 2009

2. Круглов М.Г. Двигатели Стирлинга/Круглов М.Г., Даниличев В.Н.,

3. Ефимов С.И. – М.: Машиностроение, 1977. 150 с.

4. Перельман Яков Исидорович «Занимательная физика. Книга 2» Издательство «Наука», Москва, 1983 

5. Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга / перевод с англ. д-ра техн. наук Ченцова С.Н. и кандидатов техн. наук Черейского Е.Е. и Кабакова В.И. – М.: Мир, 1986. 464 с.

6. Уокер Г. Двигатели Стирлинга / Сокращенный перевод с англ. Сутугина - М.: Машиностроение,2011. 408 с.

Источники из Интернета

1. http://www.stena.ee/blog/DIY/dvigatel-stirlinga-svoimi-rukami

1. http://www.yaplakal.com/forum2/topic411405.html

2. http://izobreteniya.net/kak-sdelat-dvigatel-stirlinga-v-domashnih-usloviyah/.