Проект,Технология."Двигатель Стирлинга"

МБОУ средняя общеобразовательная школа №2.

НСО   г. Искитима

 

 

 

Номинация «Техника и техническое творчество»

 

 

 

 

 

 

                                       Технологический проект

                       «Двигатель Стирлинга»

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

учащийся 11 класса

Мартынов Илья Андреевич

 

 

 

 

                                                                                 Руководитель:

                                                                                        Белич Юрий Петрович,

                                                                                   учитель технологии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Искитим-2018

 

 

 

 

Содержание проекта

 

1.Выбор и обоснования темы проекта……………….3-4

2. Историческая справка………………………………5

3.Выбор оптимальной идеи………………………….6-7

3.Теоретическое обоснование………………………..6-9

4.Предметная интеграция…………………...................9

5.Графика……………………………………………..10

6.Технологическая документация……...................10-14

7.Экономическое обоснование …………………….15

8.Описание окончательного варианта изделия……16

9.Экологическое  обоснование……………………6-17

10Реклама проекта…………………………………..19

11.Библиографический список……………………..20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                              Обоснование темы проекта

 

Актуальность и потребность. Этот проект сделан, после того как я решил участвовать в конкурсе проектов. Для этого конкурса я решил изготовить действующую модель двигателя Стирлинга. Этот двигатель давно привлекал мое внимание. Двигатель Стирлинга, оригинальное и необычное изделие. Поэтому я и решил изготовить этот двигатель. Полученный двигатель можно использовать для знакомства  учащихся средней и старшей школы с моделями двигателей Стирлинга на уроках физики

Мне нужно также совершенствовать свои навыки работы не только с древесиной, но и с металлом.

Кроме этого мне нравится, как выглядит этот двигатель.

Требование к изделию:

1.Изделие должно отвечать историческим особенностям двигателя Стирлинга и быть действующем.

2.Оно должно быть безопасно в использовании и быть экологически чистым.

 

Цель проекта: Создание модели двигателя Стирлинга, его апробация в домашних условиях.

Задачи проекта:

1.Изучить историю двигателей внешнего сгорания.

2. Изучить разновидности двигателей Стирлинга.

3. Изучить материалы, из которых можно изготовить  данный двигатель.

4. Изготовить само изделие.

5.Развить свои умения работы слесарным ручным инструментом.

 

 

 

 

 

 

Схема выполнения моего проекта

Это звездочка размышлений. На подготовительном этапе это сбор информации. На технологическом этапе  это изготовления. На заключительном этапе это оформление и защита

Стирлинг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Историческая справка

Альтернатива паровым двигателям.

В 19 веке инженеры пытались создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, из-за того что котлы уже изобретенных двигателей часто взрывались, не выдерживая высокого давления пара и материалов, которые совсем не подходили для их изготовления и постройки. Двигатель Стирлинга стал хорошей альтернативой, поскольку он мог преобразовывать в работу любую разницу температур. В этом и заключается основной принцип работы двигателя Стирлинга. Постоянное чередование нагревания и охлаждения рабочего тела в закрытом цилиндре приводит поршень в движение. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Но так, же проводились опыты и с водой. Главная особенность двигателя Стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры, большие рабочие давления и высокая удельная мощность. Также существует Стирлинг с двухфазным рабочим телом. Удельная мощность и рабочее давление в нем тоже достаточно высоки.

Возможно, из курса физики вы помните, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Именно это свойство газов и заложено в основе работы двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который не уступает циклу Карно по термодинамической эффективности, и в некотором роде даже обладает преимуществом. Цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация такого цикла сложна и малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

Всего в цикле Стирлинга четыре фазы, разделённые двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. При переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, который находится в цилиндре. В ходе этого процесса изменяется давление из чего и можно получить полезную работу. Полезная работа производится только за счет процессов, проходящих с постоянной температурой, то есть зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.

 

 

 

 

 

 

 

 

Варианты изделия.

Конфигурации.

Инженерами подразделяются двигатели Стирлинга на три различных типа:

 

 

• Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, а цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. Отношение мощности к объёму достаточно велико, однако высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.

• Бета-Стирлинг — цилиндр один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

• Гамма-Стирлинг — 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.

 

 

  Два первых варианта мне показались не очень надежными, Поэтому я выбрал вариант Гамма-Стирлинга

 

 

Предметная интеграция

 

Учебный предмет	Тематика (содержания) Используемой информации	Практический опыт	Характер интеграции с технологией	На каких этапах проектной деятельности реализуется
Физика	Двигатель внешнего  сгорания	Принцип работы двигателя	Материла, прочность.	На всех этапах практической  работы
	Расширение газов	Использование расширения газов в двигателях	Применение законов физики расширения газов.	При изготовление всей игрушки
Математика	Измерения и разметка	Расчеты		На всех этапах  работы
Экономика	Экономические расчеты	Расчеты стоимости материалов,труда и износа инструментов	При изготовлении изделия выгодность.	При экономических расчетах
История	История ремесел	История техники	История возникновения двигателя	На первом этапе, при оформление проекта
Экология	Экология материалов	Свойство материалов		В начальный период
Химия		Свойства химических вещетв	При отделки изделия	В заключительный период

 

Выбор технологии изготовления изделия

Двигатель Стирлинга я буду изготавливать ручным способом, используя слесарный инструмент.

Особенности работы  заключаются в том, что нет точных чертежей, и любая ошибка в расчетах может сказаться на работе  всего двигателя.  

 

 

 

Выбор материалов

 

Для изготовления изделия мне необходимы  пустые банки разных размеров для изготовления цилиндров, спицы, трубки., проволока, разные герметики, «холодная сварка» и.т.д. толстостенная фанера 10мм

 

Выбор инструмент

 

 

Экономическое обоснование проекта

Примерный расчет полных затрат

Наименование материалов. Инструментов и оборудование	Единица Измерения	Кол-во	Цена за Единицу Измерения	Цена	Условия Использования
Фанера 10мм	1м2	0.05	400	20	покупка
Термогерметик	Мяг. туба. Шт.	1	140	140	покупка
Клей Момент	Шт.	1	40	40	покупка
«»Эпоксидная сварка	шт	0.5	80	40	покупка
Разметочный и ручной инструмент	набор	1	8000	8000	Безвозмездная аренда в школе
Электроэнергия	1кВат	8	4руб	32	За счет школы
Банки из жести	шт	6 шт.	-	-	Б\у материал
Спицы	шт	2шт.	-	-	Б\у материал
Пластиковые трубки	шт	2шт.	-	-	Б\у материал
Стальной стержень, болты, стальная вата	шт		-	-	Б\у материал
Наждачная бумага	1м2	0.1	110	11	Покупка

 

 

Непосредственные финансовые затраты

Наименование материалов. Инструментов и оборудование	Единица Измерения	Кол-во	Цена за Единицу Измерения	Стоимость
Фанера 10мм	1м2	0.05	400	20
Термогерметик	Мяг. туба. Шт.	1	140	140
Клей Момент	Шт.	1	40	40
«»Эпоксидная сварка	шт	0.5	80	40
Наждачная бумага	1м2	0.1	110	11
Стоимость материалов				251
Оплата труда	25 руб. 1час	10	25	250
Себестоимость				501
Цена	В продаже	1	800	700
Прибыль				199

 

Основные расходы на оплату труда и герметики.

Но изготовить и если купят, то выгодно прибыль составит почти

200 рублей

 

 

 

 

 

 

Технология изготовления

Технологическая карта изготовления двигателя Стирлинга.

 

Последовательность выполнения работы	Эскизы (без размеров см.чертеж).	Инструменты и приспособлениия
Изготовления цилиндра  и поршня нагрева
1.Выбрать банку размером 65х95 обрезать края и подготовить для изготовления нагревательного цилиндра.		Ножовка по металлу.
2. Из жести 05 мм вырезать два круга диаметром 55мм. Просверлить в них 4 отверстия сверлом 12мм. и отверстие по центру 2мм.		Циркуль линейку, карандаш. Ножницы по металлу, сверло на 12 и 2. Сверлильный станок.
3.Взять стержень (спица) 2х120мм. закрепить на нем с помощью эектроконтактов диск сверху и снизу на расстоянии 30 мм друг от друга. См. эскиз.		Электроконтакты. отверка.
4.На приготовленный  стержень наматываем стальную  вату рулоном в 30 мм. для получения поршня-регениратора..Поршень должен быть 30мм. Закрепляем жестяные диски клеммами.		Стальная вата. Плоскогубцы. Электроклеммы
5.Из банки размером 65х45мм готовим крышку для цилиндра..Просверливаем в дне заготовки два отверстия на 8мм для двух пластиковых трубок диаметром 8мм. и отверстие на4мм для штока поршня.		Сверло на 8 и 4. Сверлильный станок
6.В отверстие крышки цилиндра вставляем трубки и закрепляем их супер-клеем  «Момент» замазываем все стыки термостойким герметикам		Пластиковые трубки 8мм, клей «Момент». Термостойкий герметик.
7.Из старой пластиковой карты вырезаем заготовку размером 20х20 мм. Сверлим в ней отверстие 1.5мм.		Пластиковая карта. Ножницы.
8.Вставляем в дрель спицу на 2мм спицей разрабатываем отверстие в пластиковой заготовки.		Дрель, спица 2мм.
9.Клеем пластиковую заготовку суперклеем вставив в отверстие спицу от поршня.		Суперклей  «Момент»
10.По краям стыков наносим термостойкий герметик.		Термостойкий герметик.
11.Проверяем герметичность всей конструкции, погрузив ее в воду и продувая воздух вовнутрь.		Емкость с водой.
12.Из 10мм фанеры делаем верхнюю крышку  для термоцелиндра.см. Чертеж.		Циркуль линейку, карандаш, ножницы, электролобзик. Наждачная бумага, шлифмашинка
13. Из 10мм фанеры делаем боковые стенки двигателя  для коленвала..см. Чертеж Сверлим с боков отверстие под коленвал вставляем в отверстие втулки		Циркуль линейку, карандаш, ножницы, электролобзик. Наждачная бумага, шлифмашинка
Изготовления холодного цилиндра
14.Взять  банку из жести диаметром 60мм отрезать верхнею часть до 30мм		Фломастер Нож, подставка для ножа
15.Просверлить в боковой части банки два отверстия 6мм. Просверлить в дне банки отверстие 4 мм		Сверло на 6 и 4 Сверлильный станок
16.Разрезать пластиковую трубку от капельницы повдоль и смонтировать ее на края цилиндра.		Штангенциркуль. Нож, линейка. Пластиковая трубка. Суперклей «Момент»
17.Из жестяной банки размером диаметром 90 ммготовим водяную рубашку. Вырезаем в верхней части банки отверстие 70 мм. В нижней части вырезаем отверстие 70мм и полоску 25мм для залива воды. Отрезаем банку до высоты 80 мм.		Циркуль линейку, карандаш. Ножницы по металлу
18.Вставляем  цилиндр нагрева в водяную рубашку клеем края суперклеем и заделываем все щели внутри термогерметиком		Суперклей  «Момент» Термостойкий герметик.
19. Из жестяной банки  диаметром 90 мм готовим  концентратор тепла. Вырезаем в нижней  части банки отверстие 70мм Отрезаем банку до высоты   40мм.
20.В боковой части концентратора тепла прорезаем отверстие под стальную трубку 20мм		Линейку, фломастер. ножницы по металлу Штангенциркуль. нож, линейка.. суперклей «Момент»
21.Вставляем трубку в отверстие клеем ее суперклеем		Циркуль линейку, карандаш. Ножницы по металлу Штангенциркуль. нож, линейка.. суперклей «Момент»
22.Из толстостенной фанеры 10мм выпиливаем заготовки для основания двигателя. Две боковые 10х110х140. Нижнею 10х150х150. Верхнею 10х140х140.Переднию стенку 10х110х140		Циркуль линейку, карандаш, ножницы, электролобзик. Наждачная бумага, шлифмашинка.
23. В верхней заготовки вырезаем лобзиком по центру круглое отверстие 70мм.		Циркуль линейку, карандаш, ножницы, электролобзик. Наждачная бумага, шлифмашин
24.В верхней заготовку вырезаем отверстие 35х20. Вырезаем в передней стенки  отверстие 20х35. Шлифуем все заготовки на шлифовальном круге.		Циркуль линейку, карандаш, ножницы, электролобзик. Наждачная бумага, шлифовальный круг
25.Собираем из готовых заготовок нижнею часть, склеивая их на клей ПВА		клей ПВА Наждачная бумага, шлифмашин
26.Вставляем цилиндр нагрева в отверстие основания. Монтируем в нижнею часть концентратор тепла. Закрепляем  водяную рубашку  по периметру припаивая его к саморезам ввернутым в основания.		Паяльник, олово, паяльная кислота. Саморезы.
27.Монтируем верхнею крышку над цилиндром нагрева.		Клей ПВА Наждачная бумага, шлифмашин
28. На крышку цилиндра нагрева монтируем заготовки верхней части Стирлинга для крепежа коленвала и маховика		клей ПВА Наждачная бумага, шлифмашин
29.Монтируем на верхнею крышку цилиндра холодный цилиндр соединяем с трубками с горячим цилиндром		Штангенциркуль. нож, линейка.. суперклей «Момент
30.Из пластика и железной крышки делаем поршень для холодного цилиндра. См. чертеж. Сверлим по центру отверстие на 4мм и вставляем в отверстие болт  на 4мм		Циркуль линейку, карандаш. Ножницы по металлу Штангенциркуль. Нож, линейка
31.Одеваем на поршень часть резинового шарика		ножницы
32.Из стальной спицы на 4мм делаем коленвал для двигателя. См. чертеж		Фламастер, плоскогубцы.
33.Монтируем коленвал в верхней части во вставки из заклепок. Проверяем ход коленвала		Фламастер, плоскогубцы Штангенциркуль. Нож, линейка
34.Из 7 СД-дисков  делаем маховик, склеив диски суперклееем «Момент» центр дисков заполняем эпоксидной массой и после затвердевания сверлим в нем отверстиена 4мм		Клей, эпоксидная сварка, сверло 4мм. Сверлильный станок
35.Монтируем маховик на коленвал н суперклей.		Сверлильный станок
36.Из спицы 2мм делаем толкатель для горячего цилиндра и соединяем его с коленвалом.см. чертеж.		Фламастер, плоскогубцы Штангенциркуль. Нож, линейка
37.Пробуем работу двигателя нагревая нижнею часть горячего цилиндра спиртовкой. Регулируем н устраняем недостатки.

 

Описание окончательного варианта изделия

 

Технико-технологическая характеристика

 

Изделие « Двигатель Стирлинга» изготовлен из жестяных банок  и толстостенной фанеры 10мм, ручным способом с использованием  станков для некоторых операций.  Имеет два цилиндра горячий и холодный. Горячий цилиндр имеет водяное охлаждение.  Двигатель изготовлен с использованием  материалов интернета в виде видеоролика по изготовлению подобных двигателей. Половина элементов верхней части сделано  не как в видеоролике, а с использованием толстостенной фанеры для большей прочности. Есть и другие конструктивные изменения, где была нужна  прочность. Двигатель работает от спиртовой горелки, хотя более  эффективней он должен  работать от газовой горелки.

 

Эстетическая самооценка

1.В результате своей работы я изготовил     «Двигатель Стирлинга»

2.  По форме и размерам изделие получилась таким как надо. Мне нравится, как он выглядит и работает.

3.Я изучил историю подобных двигателей, узнал, что из бросового материала, который выбрасывают можно сделать интересную вещь.

4.В ходе работы, я испытывал радость от достигнутых результатов и поднял уровень своей самооценки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реклама!!!

 

 

 

 

 

 

 

 

Смотрите, он крутит быстрей и быстрей!
Движение - наше призвание!
Мы любим шум и работу поршней
Стирлинга  наружного сгорания!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Экологическое обоснование проекта.

 

При изготовление изделий были использованы экологически чистые материалы фанера. Жестяные банки экологически чистые и их утилизация приносит природе пользу. В целом изделие экологически чистое и не представляет угрозу для здоровья человека и окружающей среды. Отходами при изготовлении изделий являются опилки, остатки фанеры и кусочки жести и наждачная бумага. Остатки древесины  утилизироваться  сжиганием или перегнивают.

Типовая инструкция по технике безопасности при ручной обработке древесины.

 

Опасности в работе:

1. Травмированные рук при работе неисправным инстру­ментом.

 2. Травмированные рук при заиливание без применения приспособлений.

До начала работы

 1. Наденьте спецодежду (фартук с нарукавниками или халат) и головной убор (берет или косынку). Тщательно подберите волосы и заправьте концы косынки.

 2. Проверьте наличие инвентаря

 3. Разложите на верстаке инструменты индивидуального пользования в порядке, установленном учителем. Удалите с верстака все лишнее.

                                  Во время работы

1. Надежно закрепите обрабатываемый материал (дре­весину) в зажимах верстака.

2. Пользуйтесь только исправным, хорошо налаженным и наточенным инструментом. Используйте инструмент только по назначению.

3. Работайте строгальными инструментами, имеющими исправные рожок (Расщепленные части стругов немед­ленно заменяйте. Ручки инструментов должны быть удоб­ными для работы.

Рекомендации по применению изделия

 Изделие « Двигатель Стирлинга» используется для демонстрации на уроках физики его так же можно использовать для получения электроэнергии с использованием генератора.

 

 

 

Итоги работы.

 

В результате моей работы:

1.Я сделал «Двигатель Стирлинга»;

 2.Я усвоил много материала об истории ремесел и двигателей;

3.Получил хорошие навыки работы с разнообразным материалом;

4. Получил навыки экономических расчетов;

 

 

 

Выводы

В процессе выполнения проекта, я добился следующих результатов:

 1.Изучил историю  «Двигателя Стирлинга»:

2.Изучил материалы, из которых можно изготовить   подобные двигатели;

3.Закрепил навыки работы  разнообразным ручным инструментом; 4.Изготовил изделия, при этом получил моральное удовлетворение;

5.На изготовление двигателя   я затратил около 10 часов вместе с наладкой его работы.

 

Библиографический список

1.Свойство древесин Пайков. А. В.М.2000

2.Материалы интернета.