Исследовательская работа по физике "Модель двигателя Стирлинга и ее применение".

Исследовательская  работа Тема:  «Модель двигателя Стирлинга          и его применение в быту». Автор  работы: Дергачев Константин ученик 10 класса Руководитель: Дерябкина Елена Хвановна учитель физики МБОУ СОШ №40 Г. Шахты Ростовская область Оглавление Введение.…………………………………………………………………. 3               I. Теория двигателя Стирлинга. 1. История………………………………………………. ……………….. 4 2. Принцип действия………………………………...……………………5     3. Виды двигателей Стирлинга.………………………………………... .7 4. Недостатки………………………….………………………………… .8 5. Преимущества………………………………………………………….9 6. Применение……………………………………………………………10   II. Изготовление мини­модели двигателя Стирлинга.  Выводы по  практическому исследованию ..……………………….. ………………13 Заключение……………………………………………………………… 15 Источники информации..………………………………………………. 16 Приложения………………………………………………………………17 2 Введение.           Сейчас уже всем очевидно,  что одним из основных направлениями  развития экономики и научно­технического прогресса в XXI  веке  становятся задачи поиска перспективных  технологий энергопреобразования и серийного  производства новой техники на основе высокоэффективных  термодинамических циклов с использованием возобновляемых  видов топлива и новых рабочих тел.  Это означает создание, производство  и внедрение в  массовое применение таких высокоэффективных и экологически чистых  энергосистем,  которые бы обеспечивали удовлетворение нужд  промышленности и населения в энергии  при  минимальных затратах  материальных ресурсов.           Долгое время такие недостатки двигателей внутреннего сгорания (ДВС), как жесткие требования к топливу и маслам, загрязнение атмосферы, шум на  выхлопе, резкое ухудшение экономичности и других характеристик при  отклонении от оптимального режима работы и, наконец, невозможность  использования источников тепла, не связанных с горением, не имели  существенного значения. Однако с ростом числа и мощности,   эксплуатируемых  ДВС проблемы токсического и шумового загрязнения  окружающей среды приобрели жизненно важное значение. Быстрое  исчерпание разведанных запасов нефти в мире привело к тому, что в  последние десять лет происходит переход из эры дешевой нефти в эру  высоких цен на энергию в целом. С другой стороны, в новых отраслях техники возникла острая необходимость в специальных тепловых двигателях  (например, для работы в космосе, в подводных условиях), не нуждающихся в  атмосферном кислороде, но способных работать от любого  высокотемпературного источника тепла. Эти проблемы повысили интерес к   альтернативному двигателю с внешним подводом тепла, предложенному еще в 1816 г. шотландским изобретателем Робертом Стирлингом. [1]             По прогнозам ведущих специалистов крупных фирм США, Японии,  Швеции, Голландии Двигатель Стирлинга (ДС), возможно, станет  доминирующим двигателем в следующем столетии. Почему же ДС прочат  такие блистательные перспективы? Чтобы ответить на этот вопрос,  необходимо рассмотреть физические принципы работы ДС. Цель работы: изготовить  модель  двигателя Стирлинга. Задачи:   а) ознакомиться с историей, принципом действия Двигателя Стирлинга;  3 б) построить  модель двигателя; в) провести  исследования, с целью  использования двигателя в быту. История.         Стирлинг родился в Клог  Фарме  недалеко от Метвена, Шотландия. Он  был третьим ребёнком в семье, а всего детей было восемь. От отца он  унаследовал интерес к конструированию техники, но изучал богословие и стал священником Шотландской Церкви в местечке Лайф Кирк в 1816 году. В  1819 Стирлинг вступил в брак с Джиной Рэнкин. У них было семеро детей,  двое из них: Патрик Стирлинг и Джеймс Стирлинг стали инженерами по  паровозостроению. [ Приложение 1]      Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским  священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский  патент № 4081). Прихожане маленького шотландского местечка уже давно и с явным подозрением косились на своего духовного пастыря. Еще бы! Шипение  и грохот, проникавшие через стены сарая, где частенько пропадал отец  Стирлинг, могли смутить не только их богобоязненные умы. Ходили упорные  слухи, что в сарае содержится страшный дракон, которого святой отец  приручил и вскармливает летучими мышами и керосином. Но Роберта  Стирлинга, одного из просвещеннейших людей Шотландии, не смущала  неприязнь паствы. Мирские дела и заботы все больше и больше занимали его,  в ущерб служению господу: увлекали пастора  ­  машины. Британские острова  в тот период переживают промышленную революцию: стремительно  развиваются мануфактуры. И служители культа не остаются равнодушными к  громадным доходам, которые сулит новый способ производства. С  благословения церкви и не без помощи фабрикантов несколько машин  Стирлинга были построены, и лучшая из них, в 45 л. с., три года проработала  на шахте в Дунди. Дальнейшее развитие Стирлингов задержалось: в 60­х годах прошлого столетия на арену вышел новый двигатель Эриксона. Стирлинг умер в Галстоне, Шотландия в 1878 году. [2] 4 Принцип действия.          В основе двигателя Стирлинга лежит то, что объем газа при нагревании  увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Представим, что у нас есть  некий замкнутый корпус, определенного объема, в котором находится воздух. На одной части корпуса, у нас находится эластичная мембрана (она же  поршень), которая выгибается каждый раз при нагреве корпуса, то есть  совершает определенную работу за заданный промежуток времени. Это  происходит из­за расширения воздуха, которым заполнен корпус. Обратный  процесс, будет происходить точно также, только с точностью наоборот.  Корпус необходимо не нагревать, а охлаждать. Мембрана из­за уменьшения  объема воздуха, начнет снова выгибаться, но уже в другую сторону, опять же  совершая работу.         Чтобы извлечь из этого пользу, колебания должны происходить  достаточно часто, и воздух в корпусе должен постоянно то охлаждаться, то  нагреваться. Для автоматизации этого процесса предусмотрен  дополнительный поршень, который называется вытеснитель. Его роль —  вытеснять оставшийся объем воздуха (горячего или холодного), из нижней  части корпуса (горячей), к верхней (холодной). Этот поршень, занимает практически половину всего объема корпуса, и имеет  вид круглого диска, не плотно прилегающего к стенкам корпуса. Зазор между  стенкой и диском, как раз и необходим для того, чтобы воздух из горячей  области корпуса, переместился в охлаждаемую область, и наоборот.          По идее, поршень должен состоять из легкого материала, плохо  проводящего тепло, так как именно он является ключевым элементом в  системе, который находится на границе раздела двух сред. Ну а далее, двигатель Стирлинга состоит из обычной, кривошипно­шатунной  системы, которая соединяет поршень и мембрану, что позволяет им  находиться на одной оси вращения. Это и обеспечивает весь механизм  5 цикличности, то есть дает возможность двигателю опускать и поднимать  поршень. [2]        Двигатель Стирлинга является тепловым двигателем внешнего сгорания,  т.е. тепло для рабочих процессов поступает из вне, в то время как в ДВС  топливо сгорает внутри камеры сгорания. Источниками тепла могут быть  горелки на разном топливе, солнечные лучи, дымовые газы котельных  установок, солнечное излучение да и просто тепло руки (есть  демонстрационные модели,  работающие от тепла тела). В XIX веке инженеры хотели создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени,  котлы которых часто взрывались из­за высоких давлений пара и  неподходящих материалов их структуры. Хорошая альтернатива паровым  машинам появилась с созданием двигателей Стирлинга, который мог  преобразовывать в работу любую разницу температур. Основной принцип  работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых  нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли  рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий.        Из термодинамики  известно, что давление,  температура и объём идеального газа взаимосвязаны и следуют закону:                                                P V  =   v R Т     где:  P — давление газа;   V — объём газа; v — количество молей газа; R — универсальная газовая константа; R =8,31Дж/моль* К Т — температура газа в кельвинах.   Это означает, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при  охлаждении — уменьшается. Это свойство газов и лежит в основе работы  двигателя Стирлинга.      Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по  термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже  обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало  отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическое воплощение  этого цикла малоперспективно. Цикл Стирлинга позволил получить  работающий на практике двигатель в приемлемых размерах. [ Приложение 2]      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,  6 находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно  получить полезную работу. Нагрев и охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производится вытеснителем. В идеале количество тепла, отдаваемое и  отбираемое вытеснителем, одинаково. Полезная работа производится только  за счёт изотерм, то есть зависит от разницы температур нагревателя и  охладителя, как в цикле Карно. В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90°  относительно движения поршня­вытеснителя. В зависимости от знака этого  сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При сдвиге 0°  машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение) и не  вырабатывает её. Термический  КПД  идеального цикла Стирлинга определяется формулой:                                                  где Т1 ­ температура нагревателя           Т2 ­ температура холодильника[3]    = (T1 ­ T2)/T1 η Виды двигателей Стирлинга. Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных вида:  Альфа­Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в  раздельных цилиндрах, один — горячий, другой — холодный. Цилиндр с  горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой  температурой, с холодным — в более холодном. У данного вида двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению,  высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые  технические трудности.  Регенератор находится между горячей частью  соединительной трубки и холодной.  Бета­Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и  холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого  снимается мощность) и вытеснитель, изменяющий объём горячей полости.  Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через  регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем­вытеснителем.  Гамма­Стирлинг — тоже есть поршень и вытеснитель, но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого  снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с  другого (там движется вытеснитель). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний  регенератор является частью вытеснителя. [3] [Приложение3] 7    Недостатки. 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. Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС,  приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и особые виды  рабочего тела — водород, гелий. Тепло подводится не к рабочему телу непосредственно, а только через  стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность,  из­за 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.  Для быстрого изменения мощности  двигателя используются способы,  отличные от применяемых в двигателях внутреннего  8 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]   Преимущества.      «Всеядность» двигателя — как все двигатели внешнего сгорания  (вернее — внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать  от почти любого перепада температур: например, между разными слоями  воды в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя,  угольной или дровяной печи и т. д. 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. 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. Экономичность — для утилизации некоторых видов тепловой энергии,  особенно при небольшой разнице температур, «Стирлинги» часто  оказываются самыми эффективными видами двигателей. Например, в  9  случае преобразования в электричество солнечной энергии «Стирлинги»  иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару. Экологичность — «Стирлинг» не имеет выхлопа, а значит уровень его  шума гораздо меньше, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания.  Бета­Стирлинг 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 каких­то  частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению  окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность  двигателя обусловлена прежде всего экологичностью  источника тепла.  Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в  двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего  сгорания. (В ДВС полнота сгорания топлива зависит от  соответствия  химического состава топлива физическим параметрам ДВС. Например,  бензин или дизельное топливо всегда сгорают в цилиндрах (камере  роторного ДВС) не полностью, тогда как спирт или сжиженный газ  сгорают в ДВС полностью.)  [2 ]                             Применение: Универсальные источники электроэнергии  Двигатели Стирлинга могут применяться для превращения в электроэнергию  любой теплоты. На них возлагают надежды по созданию солнечных  электроустановок. Их применяют как автономные генераторы для туристов.  Некоторые предприятия выпускают генераторы, которые работают от  конфорки газовой печи. Насосы Эффективность систем отопления или охлаждения возрастает, если в контуре установлен насос принудительной подачи теплоносителя. Установка  электрического насоса снижает живучесть системы, а в неавтономных  бытовых энергосистемах неприятна тем, что электросчётчик «накручивает»  10 ощутимую сумму. Насос, использующий принцип Двигателя Стирлинга,  решает эту задачу. «Стирлинг» для перекачки жидкостей может быть гораздо проще привычной  схемы «двигатель­насос». В двигателе Стирлинга вместо рабочего поршня  может использоваться перекачиваемая жидкость, которая одновременно  служит для охлаждения рабочего тела. Насос на основе Двигателя Стирлинга  может служить для накачки воды в ирригационные каналы посредством  солнечного тепла, для подачи горячей воды от солнечного коллектора в дом  (в системах отопления тепло аккумулятор стараются установить как можно  ниже, чтобы вода шла в радиаторы самотёком). Стирлинг­насос может  использоваться для перекачки химических реагентов, поскольку герметичен.  Тепловые насосы Тепловые насосы позволяют сэкономить на отоплении. Принцип действия тот  же, что у кондиционера (кондиционер — это тот же тепловой насос), только  кондиционер обычно охлаждает помещение, нагревая окружающее  пространство, а тепловой насос, как правило, обогревает помещение,  охлаждая наружный воздух, воду из скважины или другой источник низко  потенциального тепла. Обычно используются тепло насосы, приводимые в  движение электричеством. Но электричество в ряде стран производится на  теплоэлектростанциях, сжигающих газ, уголь, мазут, и в итоге калория,  полученная на таком тепло насосе, оказывается не дешевле, чем полученная  от сжигания газа. 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.  Холодильная техника Почти все холодильники используют те же тепловые насосы. Применительно к системам охлаждения их судьба оказалась более счастливой. Ряд  производителей бытовых холодильников собирается установить на свои  модели «Стирлинги». Они будут обладать большей  сберегательностью, а в  качестве рабочего тела будут использовать обычный воздух. Сверхнизкие температуры Двигатель Стирлинга может работать и в режиме холодильной машины  (обратный цикл Стирлинга). Для этого его приводят в движение любым  другим внешним двигателем (в том числе с помощью другого «Стирлинга»).  Такие машины оказались эффективны для сжижения газов. Если не требуется  больших объёмов (например, в условиях лаборатории), то «Стирлинги»  11 выгоднее, чем турбинные установки. Маленькие «Стирлинги» выгодно  применять для охлаждения датчиков в сверхточных приборах. Подводные лодки Преимущества «Стирлинга» привели к тому, что ещё в первой половине 1960­ х годов военно­морские справочники указывали на возможность установки их  на подводных лодках.  Шведы открыли в подводном кораблестроении эру  вспомогательных анаэробных двигательных установок. И если «Наккен» —  первый опытный корабль этого подкласса, то субмарины типа «Готланд»  стали первыми серийными лодками с Двигателями Стирлинга, которые  позволяют им находиться под водой непрерывно до 20 суток. В настоящее  время все подводные лодки ВМС Швеции оснащены Двигателями Стирлинга,  а шведские кораблестроители уже хорошо отработали технологию оснащения  этими двигателями подводных лодок, путём врезания дополнительного  отсека, в котором и размещается новая двигательная установка. Двигатели  работают на жидком кислороде, который используется в дальнейшем для  дыхания, имеют очень низкий уровень шума, а упомянутые выше недостатки  (размер и охлаждение) на подводной лодке несущественны.  Аккумуляторы энергии Можно запасать с его помощью энергию, используя в качестве источника  тепла тепло аккумуляторы на расплавах солей. Такие аккумуляторы  превосходят по запасу энергии химические аккумуляторы и дешевле их.  Используя для регулировки мощности изменение фазного угла между  поршнями, можно аккумулировать механическую энергию, тормозя  двигателем. В этом случае двигатель превращается в тепловой насос. Солнечные электростанции Двигатель Стирлинга может использоваться для преобразования солнечной  энергии в электрическую. Для этого двигатель Стирлинга устанавливается в  фокус параболического зеркала, (похожего по форме на спутниковую  антенну) таким образом, чтобы область нагрева была постоянно освещена.  Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении  за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала  отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В  качестве рабочего тела Двигателя Стирлинга используется, как  правило, водород, или гелий. [2]   [ Приложение 4] 12 Инструментарий для исследования. В своей работе я решил собрать мини двигатель Стирлинга гамма­типа,  который является компромиссом, между  бета и альфа типами.      Для этого я взял: жестяную баночку из­под кофе с пластмассовой крышкой, резиновую пробку,  кусочек вспененного полиэтилена, горлышко от пластиковой бутылки,  полиэтиленовой пакет, канцелярскую резинку, бутылку из под подсолнечного  масла, канцелярские скрепки, пустой стержень от шариковой ручки,  медицинский шприц. 13 Порядок сборки: 1. Вырезал из кусочка вспененного полиэтилена круг диаметром чуть  меньше диаметра баночки из­под кофе. Проделал отверстие в этом  круге ровно посередине и  в него вставил выпрямленную   канцелярскую скрепку, зафиксировал её,  приклеив сверху и снизу кусочки резиновой  пробки. Вытеснитель готов. 2. В пластмассовой крышке проделал два отверстия. В отверстие, которое  сделано по центру пластмассовой крышки установил сальник (одна из  деталей медицинского шприца).  В банку вставил вытеснитель, а  длинный шток вытеснителя вставил в сальник на крышке. На второе  отверстие наклеил горлышко от пластиковой бутылки. 3. На  горлышко от пластиковой бутылки надел кусочек полиэтиленового  пакета и закрепил его с помощью канцелярской резинки.  Приклеил на  полученную мембрану круг из резиновой пробки, в который вставил  короткий шток из канцелярской скрепки. 4. Согнул из скрепки колен вал угол между коленами которого 90  градусов. На колен вале сделал ограничители из пустого стержня от  ручки. 5. Вырезал из бутылки  держатель для колен вала.  Вставил в него колен  вал. Соединил штоки с коленами колен вала. Тем самым я собрал мини­модель двигателя Стирлинга. [Приложение5]          Собранную модель двигателя Стирлинга я проверил при двух  условиях.       В первом случае я установил двигатель на кружку с горячей водой  температура,  которой  400С при температуре окружающей среды 200С. КПД1=(313К­293К/313К)*100%=6,3%.       Во втором случае, при той же температуре окружающей среды я  положил кусочки льда на верхнюю часть двигателя. КПД2=(293К­273К/293К)*100%=6,8%        К моему удивлению, оказалось, что чем ниже температура хол одильника двигателя, тем выше его КПД. Значит, можно получить  больше работы не затратив больше теплоты, а всего лишь надо улучшить его отвод.     Далее, я применил свою мини­модель двигателя Стирлинга в качестве домашнего вентилятора, для ночного светильника. [Приложение6]   Выводы по практическому исследованию. 14 1. В ходе исследовательской деятельности  была  изготовлена действующая  мини модель двигателя Стирлинга. 2. Измерен КПД двигателя при разных условиях нагревателя и холодильника. 3. Проверены возможности использования в быту. Преимущества модели двигателя Стирлинга:    Данная модель двигателя  может работать  от любого источника тепла.  Мало шума, небольшая вибрация при работе. Двигатель не выделяет вредные  отработанные газы. Создание более  усовершенствованной модели двигателя  Стирлинга полностью оправдало бы  себя в домашних условиях. Заключение. На сегодняшний день, двигатель Стирлинга применяется практически во всех  областях и отраслях. Его используют как универсальный источник  электроэнергии, в качестве насосов, в холодильных системах, на подводных  лодках, в качестве аккумуляторов, на солнечных электростанциях и так  далее. Именно по этой причине, двигатель Стирлинга, сейчас является  универсальным устройством для выполнения любого рода задач. 15 Я думаю, что наверное в  будущем, будет выгодно размещать двигатели  Стирлинга в космосе, где нагрев от солнца сменяется бесплатным  охлаждением до абсолютного нуля и КПД такого двигателя будет  стремиться к 1.  Источники информации. [1]  http://www.sovmash.com/node/98                                    16 Большая Советская Энциклопедия (в 30 томах). Гл. ред. А. М. Прохоров. Изд. 3­е. М., «Советская Энциклопедия».1976. Т. 25 – Струнино – Тихорецк. 1976.  600с. [2]   https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель Стирлинга [3]  http://www.medem.kiev.ua/page.php?pid=1522                               Приложение 1 17 Роберт Стирлинг 18 Приложение 2 Цикл  Стирлинга 19 Виды двигателей Стирлинга. Приложение 3                       Альфа­Стирлинг                                             Бета­Стирлинг                                                                                                                                   Гамма­Стирлинг  20 Приложение 4 Энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающие на   солнечной энергии. Насос на солнечной энергии (Стирлинг) 21 Микро­ТЭЦ фирмы KIRSCH 22 Приложение 5 Мини­ модель двигателя Стирлинга 23 Приложение 6 24