МУНИЦИПАЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ЗАРЕЧЕНСКАЯ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА

(143085, Московская область, Одинцовский район, пос.Заречье, ул.Березовая, д.1)

Зареченская средняя общеобразовательная школа

тел. 534-82-54

 

 

 

 

физика

 

 

«ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИГА»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Малков Виталий Николаевич,

учитель математики и физики

Зареченской СОШ

 

 

 

 

 

 

 

 

Заречье 2022

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………….4

2. КАК ПОЯВИЛСЯ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА?……………………………………..5

3. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА …………………. 6

4. ОБЗОР ОСНОВНЫХ КОНФИГУРАЦИЙ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА……10

 5. ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ И ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ КАЧЕСТВА ДВИГАТЕЛЯ…11

 6. СБОРКА КОНСТРУКЦИИ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА………………………..13

 7. ВЫВОДЫ………………………………………………………………………………………..16

 8. ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………………………….17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Только повышение энергоэффективности техники и защита окружающей среды становятся более актуальной задачей. Решение возникающих проблем необходимо если разрабатывать и внедрять альтернативные способы производства и использование энергии. Совершенствовать традиционные устройства, такие, как тепловые двигатели.

Тепловые двигатели, превращающают тепло в полезную механическую работу, делятся на два типа: в одних продукты сгорания непосредственно воздействуют на поршень, в других это воздействие косвенное, и в качестве посредника используют так называемое рабочее тело.

Первый тип - это двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине. В этом двигателе продукты сгорания бензина, расширяясь, давят на поршень.

Второй тип — это двигатели внешнего сгорания. Примером служит паровая машина, в которой рабочим телом служит вода. В паровой машине под влиянием тепла, образующегося при сжигании топлива, вода превращается в пар, а пар подается в цилиндр, где, расширяясь, он давит на поршень.

 Примером двигателя внешнего сгорания является двигатель, изобретенный в 1816 г. в Шотландии Робертом Стирлингом. В то время люди часто получали увечья и гибли из-за взрывов, вызванных резким повышением давления в паровых машинах. Запросы инженеров опережали возможности металлургов: сталь, способная выдерживать высокое давление, тогда отсутствовала. Стирлинг сконструировал двигатель, работающий при более низких и потому менее опасных давлениях [1].

      Двигатель Стирлинга представляет интерес по многим причинам.

Во-первых, в нем осуществлен замкнутый цикл рабочего тела (изначально рабочим телом служил воздух).

Во-вторых, в качестве источника тепла можно взять любое топливо, ориентируясь, на низкий уровень вредных выбросов.

В-третьих, двигатель должен обладать большой эффективностью по превращению тепла в работу. Но по ряду причин двигатель Стирлинга так и не получил широкого распространения: вначале победил паровой котел, а затем двигатель внутреннего сгорания. Но интерес к идее Стирлинга периодически  возрождается [1-6]. Объясняется это тем, что двигатель не слишком загрязняет окружающую среду, и тем, что в качестве источника тепла необязательно использовать сжигание продуктов переработки нефти.       Двигатель Стирлинга может работать от любого перепада температур.

Как появился двигатель Стирлинга?

      Паровые двигатели часто взрывались из-за низкого качества металла, из которого они были созданы. Другого материала в тот период не было. Стирлинг изготовил тепловой двигатель, улучшив его конструкцию.

 

 

    Стирлинг изобрёл устройство, которое он назвал «эконом тепла» (сейчас такое устройство называют регенератором или теплообменником). Это устройство используется для повышения тепловой эффективности различных процессов. Стирлинг получил патент на двигатель с «экономом тепла» в 1816 году. Двигатель Стирлинга не может взорваться, т.к. работает при более низком давлении, чем паровая машина, и не может причинить ожоги паром. В 1818 он соорудил первый практичный вариант своего двигателя и использовал его в насосе для откачки воды из карьера.

Теоретических основ работы двигателя Стирлинга — цикл Стирлинга — не существовало до тех пор, пока не появились работы Сади Карно. Карно разработал и опубликовал в 1825 году общую теорию работы тепловых двигателей — Цикл Карно, из которой цикл Стирлинга строится аналогичным образом.

В дальнейшем Стирлинг вместе со своим братом Джеймсом получил ещё несколько патентов на усовершенствование воздушного двигателя. А в 1840 году Джеймс построил большой воздушный двигатель для привода всех механизмов в своей литейной компании.

          Основные особенности работы двигателя:

1. В двигателе Стирлинга происходит преобразование тепловой энергии в механическую посредством сжатия постоянного количества рабочего тела при низкой температуре и последующего (после периода нагрева) его расширения при высокой температуре. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень совершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабатывает полезную механическую энергию.

2. В принципе при наличии регенерации необходимо только подводить тепло, чтобы не допускать охлаждения рабочего тела при его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии.

3. Необходимое изменение рабочего тела обеспечивается наличием разделенных холодной и горячей полостей, по соединительным каналам между которыми под действием поршней перемещается рабочее тело.

4. Изменения объема в этих двух полостях должны не совпадать по фазе, а получающиеся в результате циклические изменения суммарного объема в свою очередь не должны совпадать по фазе с циклическим изменением давления. Это - условие получения механической энергии на валу двигателя.

Таким образом, принцип Стирлинга – это попеременный нагрев и охлаждение заключенного в изолированном пространстве рабочего тела.

Известно, что Стирлинг использовал периодическое изменение температуры газа, применив вытеснительный поршень (в дальнейшем называемый вытеснителем). Вытеснитель заставляет перемещаться газ в одну из двух полостей цилиндра, одна из которых находится при постоянно низкой, а другая при постоянно высокой температуре. При движении вытеснителя вверх газ по каналам нагревателя и холодильника перемещается из горячей полости в холодную. При движении вытеснителя вниз газ возвращается тем же путем в горячую полость. В первом случае газ должен отдавать большое количество тепла холодильнику. Во втором - получать от нагревателя равное количество тепла. Регенератор, предназначенный для предотвращения потерь тепла, располагается между нагревателем и холодильником. Он представляет собой некую полость, заполненную пористым материалом, которому горячий газ до поступления в холодильник отдает тепло. Когда же газ течет обратно, регенератор возвращает ему запасенное тепло до того, как газ поступает в нагреватель.

Система вытеснителя, обеспечивающая периодичность нагрева и охлаждения газа, соединена с рабочим поршнем (в дальнейшем называемым поршнем), который сжимает газ в холодной полости и позволяет ему расширяться в горячей. Поскольку сжатие газа происходит в полости с более низкой температурой, чем расширение, то получается полезная работа. На рисунке показаны четыре цикла, через которые проходит вся система, предполагая, что поршень и вытеснитель двигаются прерывисто. Движения поршня и вытеснителя в двигателе практически непрерывны. Их непрерывное движение обеспечивается посредством кривошипно-шатунного механизма. В этом случае невозможно обнаружить резких границ между четырьмя стадиями цикла, и сам цикл принципиально не меняется, и его КПД не уменьшается.

Таким образом, двигатель Стирлинга представляет собой поршневую машину с внешним подводом тепла, в котором рабочее тело постоянно находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.

Предполагается, что движения поршня и вытеснителя - прерывистые. Тогда весь цикл можно разделить на четыре стадии (рис.2.):

I - Поршень находится в крайнем нижнем положении, а вытеснитель - в крайнем верхнем. Весь газ - в холодной полости;

II - Вытеснитель остается в верхнем положении. Поршень сжимает газ при низкой температуре;

III - Поршень остается в крайнем верхнем положении. Вытеснитель переталкивает газ из холодной полости в горячую;
IV - Нагретый газ расширился. Поршень и вытеснитель находятся в своих крайних нижних положениях. В то время как поршень остается на месте, вытеснитель переталкивает газ в холодную полость. Потом цикл повторяется.

Для подвода тепловой энергии можно использовать любой источник тепла: солнечную энергию, биотопливо, ядерную энергию, электроэнергию и проч. В качестве рабочего тела в двигателе Стирлинга обычно используется воздух, гелий или водород. Идеальный термодинамический цикл двигателя Стирлинга обладает термическим КПД, равным максимально возможному теоретическому и составляет 30-40%. КПД двигателя остается почти постоянным в широком диапазоне условий его работы. Но следует учитывать, что двигатель Стирлинга может работать с высоким КПД только при наличии эффективного регенератора. Наиболее эффективно двигатель работает при постоянных значениях скорости и мощности.

Нагрев, охлаждение и регенерация рабочего тела в двигателе осуществляется с помощью встроенных теплообменников, которые должны работать в среде, не содержащей масел, что предотвращает их засорение. В двигателе расходуется довольно малое количество смазочных материалов. Среднее давление в цилиндре, как правило, находится в пределах 10...20 МПа. При таких колебаниях давления требуется совершенная система уплотнений для предотвращения утечки рабочего тела в картер (проблема, особенно сложная при использовании гелия или водорода), а также попадания смазочных материалов в рабочие полости, что может вызвать увеличение потери давления и снижение выходной мощности.

В настоящее время в большинстве установок с двигателями Стирлинга применяется жидкое топливо из-за простоты его использования и из-за требований, обусловленных конкретным назначением установки. Для нагрева рабочего тела применяют непрерывный процесс горения, что позволяет сжигать различные виды топлива, которые, эффективно сгорая, не создают опасности попадания твердых частиц из топлива, окислителя или окружающего пространства в рабочие цилиндры. При использовании для сжигания жидкого топлива непрерывное горение можно легко регулировать, в результате чего резко снижается уровень выбросов, особенно несгоревших углеводородов и окиси углерода. Отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стирлинга и работа без периодических взрывов в цилиндрах означают, что устранены основные источники шума, как газодинамического, так и механического. Это делает двигатель Стирлинга существенно менее шумным, чем другие устройства для выработки механической энергии с возвратно-поступательным движением, и перспективным для применения в военных целях.

Отношение мощности к массе у двигателя Стирлинга сопоставимо с аналогичным показателем дизельного двигателя с турбонаддувом. Удельная мощность на выходе такая же, как и у дизельного двигателя. Крутящий момент практически не зависит от скорости. Двигатель Стирлинга реагирует на изменения нагрузки аналогично дизелю, однако требует более сложной системы регулировки, он более сложен, чем обычные тепловые двигатели. Стоимость его изготовления выше стоимости изготовления ДВС, однако, расходы на эксплуатацию гораздо меньше.

     Положительные и отрицательные качества двигателя.

1.Отрицательные качества.

1.Громоздкость и материалоёмкость — основной недостаток поршневых вариантов двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массогабаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.

2.Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм.) и особые виды рабочего тела — водород, гелий.

3.Тепло подводится не к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплообменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогостоящих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, — весьма нетривиальная задача. Чем больше площадь теплообмена, тем больше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно откликается на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.

4.Для быстрого изменения мощности двигателя используются способы, отличные от применяемых в двигателях внутреннего сгорания. Буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае отклик двигателя на управляющее действие водителя является почти мгновенным.

2.Положительные качества.

1. Неприхотливость двигателя — как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур

2.Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач.

3.Увеличенный ресурс — простота конструкции, отсутствие многих «нежных» узлов позволяет «стирлингу» обеспечить небывалый для других двигателей запас работоспособности в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.

4.Экономичность — для утилизации некоторых видов тепловой энергии, особенно при небольшой разнице температур, «стирлинги» часто оказываются самыми эффективными видами двигателей. Например, в случае преобразования в электричество солнечной энергии «стирлинги» иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.^[2]

5.Экологичность — «стирлинг» не имеет выхлопа из цилиндров, а это значит, что уровень его шума гораздо меньше, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, имеет предельно низкий уровень вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм). Сам по себе «стирлинг» не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. То есть экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. А для него можно отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания. Впрочем, в ДВС полнота сгорания топлива зависит от соответствия химического состава топлива физическим параметрам ДВС. Так, например, бензин или дизельное топливо всегда сгорают в цилиндрах (или в камере роторного ДВС) не полностью, тогда как спирт или сжиженный газ сгорают в ДВС полностью.

Сборка конструкции двигателя Стирлинга

Корпус двигателя Стирлинга выпилил из фанеры.          

Покраска корпуса лаком для защиты от возгорания.

Сконструировал металлический корпус для рабочего тела и приготовил материалы для поршней.

 

Маховое колесо выполнил из склеенных СД дисков

 

Конструкцию двигателя соединяю в одно единое целое. Из скрепки изготавливаем коленвал. Разнос колен нужно сделать в 90 градусов. Колено, которое будет над цилиндром по высоте на 1-2 мм больше другого.

Испытания конструкции двигателя Стирлинга.

Под поршнем вытеснителя установил горящую спиртовку. А над поршнем в сосуд залил холодную воду, для увеличения КПД двигателя за счет увеличения разности температур.

Маховое колесо резинкой соединяю с колесиком вала генератора электрического тока. Двигатель заработал. Лампочка горит. А значит можно подключать зарядное устройство мобильного телефона, не имея источников электрического тока.

Выводы:

1.     Двигатель Стирлинга является примером экологически чистого двигателя. Его можно изготовить в домашних условиях.

2.     Двигатель можно использовать на уроках физики в старших классах для демонстрации изохорного процесса в МКТ.

3.     Двигатель Стирлинга можно использовать в туристических походах в качестве источника электрического тока.

 

 

 

Литература:

1.     Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе. – М.: Мир, 1987. – 224 с.

2.     Уокер Д. Двигатели Стирлинга. – М.: Машиностроение, 1985. – 408 с.

3.     Новое покрытие // В мире науки. – 1987. –  № 7. – С. 85-86.

4.     На старте — двигатель внешнего сгорания // В мире науки. – 1989.  – № 3. – С. 13-14.

5.     Камен Д. Чистая энергетика // В мире науки. – 2007. – № 1. – С. 58-67.

6.     Уолкер Дж. «Домашний» вариант двигателя Стирлинга из подручных материалов // В мире науки. – 1990. – № 3. – С. 76-80.

Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 1. Механика. Молекулярная

 

Скачано с www.znanio.ru