IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА
Гусев М.А.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Цель работы: создать действующую модель двигателя Стирлинга, проанализировать принцип работы.

Задачи исследования:

  1. Изучить энциклопедическую, справочную, научную, историческую литературу по данной теме, включая ресурсы Интернет.

  2. Рассмотреть устройство и применение двигателя Стирлинга от исторических фактов до современности

  3. По найденным чертежам и описаниям создать действующую модель двигателя Стирлинга

  4. Наглядно продемонстрировать преобразования внутренней энергии газа в механическую энергию.

  5. Проанализировать полученные знания по данной теме.

Актуальность темы: умение применять полученные знания на практике, в жизни.

Степень изученности проблемы: проблема изучена не в полной мере.

Значимость проектной работы: при выполнении работы я приобретаю навыки практической работы.

Место выполнения работы: дом

Продукт выполнения:действующая модель двигателя Стирлинга из подручных материалов.

«Чем более вникают в деяние природы,

тем видима наиболее становится простота

законов, коим следует она в своих деяниях». А.Н.Радищев

Введение

Можно ли получить энергию для зарядки мобильного телефона от тепла человеческого тела или кружки кипятка? Можно ли, используя разницу температур между колодезной водой и атмосферным воздухом, снабдить электричеством загородный дом? Ответ на все эти вопросы один - ДА! Можно!Это могут "стирлинг - машины" или, как их еще называют - двигатели Стирлинга.

Данная тема была выбрана мной не случайно, так как двигатели – это сердце современной цивилизации. Они обеспечивают рост производства, сокращают расстояния. Благодаря двигателям человек получает энергию, свет, тепло, информацию.

Я хочу рассказать о самом необычном, на мой взгляд, преобразователе тепловой и механической энергии.

1. Что такое двигатель Стирлинга?

1.1. Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой рабочее тело, наполненное газом или жидкостью, движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

1.2. Из истории.

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священникомРобертом Стирлингом27 сентября1816 года (английский патент № 4081).

Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом».

В современной научной литературе этот очиститель называется «регенератор» (теплообменник). Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером.

В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %.

Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.

1.3. Принцип действия:

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.

1.4. Циклы двигателя

  1. Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам).

  2. Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.

  3. Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз.

  4. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

1.5. Конфигурация двигателя Стирлинга

Инженеры подразделяют 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, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.

  • Бета-Стирлинг — цилиндр всего 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, частью теплообменника, или совмещённым с поршнем-вытеснителем.

  • Гамма-Стирлинг — 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 соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром.

Приложение 1

     

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА ПРОЕКТА

2.1. Планирование работы: Приложение 2

  1. Изучить теорию вопроса (что такое двигатель Стирлинга, история создания, особенности данного вида двигателей).

  2. Изучить чертёж, оценить риски.

  3. По чертежу разбить процесс изготовления на узлы (создание пошаговой инструкции).

  4. Подготовка материальной базы.

  5. Выполнение работы по созданной инструкции.

  6. Пробный запуск.

  7. Устранение недостатков.

  8. Работа двигателя.

  9. Анализ результатов. Конкретизация пошаговой инструкции.

2.2. Что понадобится:

  1. 5 алюминиевых банок 0,5L;

  2. 2 жестяные банки из под горошка;

  3. силиконовый герметик высоких температур(360°С);

  4. силиконовый шланг (D=9 мм);

  5. 6 крышек от пластиковых бутылок;

  6. 2 упаковки клеммных колодок;
  7. 3 велосипедные спицы (D=2 мм);
  8. металлическая губка;
  9. шарик воздушный;
  10. пластмассовый пузырёк (D=50мм);
  11. 2 CD-диска;
  12. футляр для дисков;
  13. крышка от шоколадной пасты;
  14. тюбик от зубной пасты.

2.3. Пошаговое выполнение работы.

Шаг 1: Подготовка 2 банок из-под колы.Во-первых, вам нужно две банки с отрезанными верхушками. Если резать ножницами, останутся опасные зазубрины, которые придётся сточить, используя напильник.Затем вырежьте дно банки с помощью ножа. Старайтесь не помять металл, это уменьшит герметичность. Некоторые используют для этих целей консервный нож, но я обнаружил, что он повреждает стенки банки. Впрочем, вам может и повезти.

Шаг 2: Делаем диафрагму.Диафрагма этого двигателя выполнена из обычного воздушного шарика, усиленного вулканизированной резиной. В первую очередь отрежьте горловину шарика и натяните его на банку. Затем вырежьте кусок вулканизированной резины площадью 1 см и приклейте его в центр шарика.После того, как клей высохнет, вы можете использовать канцелярскую кнопку, чтобы пробить в центре диафрагмы отверстие для спицы. Оставьте кнопку в отверстии, пока не придёт время вставить спицу. Проще вместо кнопки взять шило.Шаг 3: Вырезаем и сверлим крышку от бутылки.Просверлить отверстия диаметром 2 мм в донышке крышки (для проволоки, держащей вытеснитель).Теперь снять диафрагму с баночки и натянуть её снова, но так, чтобы вулканизированная резина находилась внутри банки. Приклейте крышечку к диафрагме, на ту сторону, где нет резины. Я слегка подшлифовал крышечку, потому что клей не схватывался с пластиком. При этом кнопка должна остаться на месте, чтоб все отверстия, через которые будет продета проволока, находились на одной линии.

Шаг 4: Сверлим отверстия в боковых крышках.

Я взял длинное 2 мм сверло, чтоб просверлить отверстия. Я сверлил на глаз, измерять и вычислять тут не обязательно. Они должны быть в верхней части баночки, там, где стенки скошены. Убедитесь в том, что они находятся на одном уровне.

Шаг 5: Вырезаем смотровое окошко.Обозначьте круг примерно в центре баночки, с тем расчётом, чтоб через него можно было видеть рычаги и вытеснитель. Можно и не круг, просто так легче вырезать.

Шаг 6: Сверлим электрические клеммы.Теперь вам нужно где-нибудь достать электрические клеммы и удалить с них пластиковую защиту. Лучший способ это сделать – открутить винты, насколько возможно, и отогнуть пластик плоскогубцами.Теперь просверлите отверстие диаметром 2 мм прямо через конец каждой из них, как показано на картинке. Вы должны просверлить три из них. Чтобы удобнее было сверлить, я держал их плоскогубцами.Кроме того, необходимо оставить две клеммы непросверленными.

Шаг 7: Делаем рычагиДля рычагов я использовал спицы диаметром около 2 мм — вы можете стальную проволоку, если у вас нет спиц.

Если вам нужно выпрямить проволоку, можно зажать один конец в дрель, а другой захватить плоскогубцами — вращение дрели должно выпрямить проволоку. На всякий случай защитите лицо и руки – проволока может выскользнуть и поранить вас.Шаг 8: Изготавливаем подшипники.Я использовал двекрышки от бутылок для изготовления подшипников. Проверьте отверстия – возможно, их совсем не обязательно сверлить.Я просверлил крышки насквозь двухмиллиметровым сверлом.

Шаг 9: Устанавливаем рычаги и подшипникиТеперь вы можете установить рычаги. Например, через смотровое окошко. Если вы не можете их вставить, подтачивайте один конец проволоки до тех пор, пока она не войдёт в подшипник. Оставьте один конец проволоки подлиннее – потом вы закрепите на нём маховое колесо. Подшипники должны очень плотно сидеть в предназначенных для них отверстиях, но если они «плавают», вы можете их приклеить.

Шаг 10: Делаем вытеснитель.Вытеснитель я сделал из банки и стальной полировочной ваты, обмотанной вокруг куска стальной проволоки. Согните небольшой крюк в конце проволоки и намотайте на неё стальную вату. Как только вы приблизитесь к размеру баночки из-под колы, обрежьте вату. Обрежьте вату так, чтоб вытеснитель был не более 2 дюймов (около 5 см) высотой. Другой конец проволоки смотайте в спираль, так, чтоб нельзя было вытащить её из мотка стальной ваты. Также обрежьте моток ваты так, чтоб его верхняя часть была скошена так же, как и стенки банки.Проверьте положение вытеснителя в банке — он должен свободно падать под собственным весом. Попробуйте сделать вытеснитель идентичным банке по форме. Когда вы будете довольны движением вытеснителя, привяжите к крюку на проволоке рыболовную леску. Лучше всего добавить немного клея, чтоб узелок не смог сместиться при движении устройства.Теперь вы можете удалить кнопку из диафрагмы и продеть сквозь неё свободный конец проволоки так, чтобы вулканизированная резина находилась внутри резервуара.Шаг 11: Делаем резервуар под давлением.Вырежьте донышко банки, оставляя примерно 1 дюйм (около 2,5 см) от основания. Поместите вытеснитель и диафрагму в резервуар, а затем установите всё это устройство в конец банки. Убедитесь, что вытеснитель перемещается свободно.После этого натяните диафрагму. Она должна быть натянута ровно настолько, чтоб не провисать. Смотрите не переборщите, её нельзя натягивать чересчур сильно!Возьмите клемму, которую вы не просверлили, и протяните через неё проволоку – при этом убедитесь, что вытеснитель находится в нижней части сосуда. Приклейте так, чтоб он не мог двигаться. Смажьте проволоку маслом и убедитесь, что вытеснитель свободно движется и тянет за собой леску.

Шаг 12: Делаем толчковые стержниТеперь вы можете сделать толчковые стержни, соединяющие диафрагму с рычагами. Начните с куска проволоки (около 15см в длину), протяните его через два отверстия в стенках бутылочной крышечки. Затем загните проволоку внутрь. Вам нужно будет отрезать её, оставив концы такой длины, чтоб они доставали до клемм, обращённых вниз. Убедитесь в том, что проволока свободно вращается в отверстиях.

Шаг 13: Делаем маховикДля того, чтобы сделать маховик, я использовал футляр от дисков , крышку от шоколадной пасты. Я вставил его в центр трёх старых компакт-дисков. Стержень даже оказался слишком широким, и мне пришлось его немного подточить. Просверлите отверстие диаметром 2 мм сквозь центр стержня. Рядом с ним, ближе к внешней стороне, проделайте другое отверстие – диаметром около 3 мм, глубиной 5 мм. Оно нужно для того, чтоб продеть в него проволоку, удерживающую рычаги, после того, как вы её согнёте. Диски, если они будут плохо держаться, можно просто приклеить.Шаг 14: Прикрепляем маховик.Маховик держится за счёт крюка, согнутого на конце коленчатого вала. Крюк вставляется в дополнительное отверстие, просверленное в деревянном стержне.

Шаг 15: Собираем всё вместе и находим баланс.Теперь вы можете собрать все части воедино. Банка с рычагами вставляется в верхнюю часть сосуда под давлением. Лучше всего вставлять банку снизу, потому что иначе вы рискуете помять или сломать основную ёмкость. Вам необходимо вдавить её примерно на 4 мм.Первое, что нужно сделать, это присоединить и сбалансировать вытеснитель. Я отрезал кусочек медной проволоки (около 30 мм), чтоб подсоединить проволоку, удерживающую вытеснитель, к одному из рычагов. Это нужно затем, чтоб нижняя клемма могла двигаться вверх-вниз и удерживать вытеснитель от ударов по верхней или нижней части сосуда. Когда вы присоедините вытеснитель, можно добавить противовес к маховику. Противовес должен тянуть рычаг, соединённый с вытеснителем, в горизонтальное положение – убедитесь, что это так. В моём случае противовес сделан из монетки.Толчковые стержни ввинчиваются во внешние ниппели. Установите рычаги в самое нижнее положение и закрепите стержни в ниппелях.

Шаг 16: Делаем топку.Для топки я взял жестяную баночку из-под сиропа, у которой есть окантовка на крышке и донышке. Вырежьте спереди отверстие в виде арки и просверлите 8 отверстий диаметров 8 мм для вентиляции.Вы также можете использовать любую жестяную банку, сопоставимую по диаметру с баночкой из-под колы. Главное – вырежьте в ней отверстие.

Шаг 17: Прикрепляем окантовку.Чтоб никто не порезался об острые края смотрового окошка, я сделал для него окантовку из оболочки электрического кабеля. Я разрезал её по центру, вынул провод и приклеил оболочку на края отверстия.

Шаг 18:Готово! Тестируем и ищем неисправности.Наконец вы можете испытать двигатель! Зажигаем свечу и пробуем! Надеемся, что он заработает с первого раза. Если нет – вот пара советов, которые могут помочь.

Не забудьте хорошенько смазать все движущиеся части – это поможет механизму двигаться более плавно. Утечки воздуха: Если вы подозреваете утечки воздуха, можно поместить всю конструкцию в горячую воду, и любая утечка тут же станет очевидной. Именно в горячую воду! Это важно, поскольку воздух внутри начнёт расширяться, и утечка скорее обнаружится.

Не забудьте потом тщательно просушить двигатель и откачать воду, иначе образующийся пар просто разорвёт баночку.Слишком много трения: достаточно ли свободно двигается механизм? Определённое сопротивление со стороны диафрагмы будет наблюдаться всегда, но если вы попытаетесь раскрутить маховик рукой, он должен свободно повернуться один-два раза.Двигатель чересчур герметичен: Если двигатель прекрасно герметичен, то воздух в неподвижном пространстве будет расширяться и мешать движению. Симптомом этого является выпуклость диафрагмы. Проблема решается так: подложите под край диафрагмы кусочек лески, это создаст небольшой люфт, и избыточного давления можно будет избежать. Со временем отверстие, через которое проходит проволока вытеснителя, расширится, и вы сможете убрать искусственный люфт. Если вы сделали такой люфт, не наполняйте промежуток между двух банок водой, потому что она начнёт просачиваться. Шаг 19 Добавляем кожух водяного охлаждения. Можно заставить свой двигатель работать лучше, добавив кожух охлаждения для увеличения разности температур. Для этого понадобится консервная банка диаметром немного больше, чем баночка из-под колы. Нарисовать круг на дне банки и вырезать его хозяйственными ножницами. Отполировать края отверстия. Поместить сосуд под давлением в подготовленную консервную банку и запечатать водостойким силиконовым герметиком. Приложение 3

При работе данного двигателя надо помнить о технике безопасности:

2.4. Техника безопасности:

  1. Нельзя оставлять без присмотра двигатель.

  2. Не эксплуатировать больше 30 минут.

  3. Не разбирать двигатель при работе.

  4. Не нажимать на алюминиевые банки.

  5. При эксплуатации двигателя подложить подложку.

Заключение.

В ходе данной проектной работы мной была изготовлена действующая мини модель двигателя Стирлинга, фото которой представлено в приложениях. Задачи, которые я ставил перед собой, при изготовлении данной работы выполнены.

Мной изучен большой объём теоретического материала по теме, я многое узнал из истории создания, о видах двигателей Стирлинга. Кроме того применил пошаговую инструкцию для изготовления работы по готовому чертежу. Данную инструкцию можно применять в дальнейшем для усовершенствования модели.

Разработанная действующая модель двигателя может применяться на уроках физики для демонстрации альтернативных способов получения энергии, для демонстрации перехода одного вида энергии в другой.

Литература и интернет-ресурсы:

  •  
    1.  
      1. Журнал «Техника молодежи» №1, 1966 год.

      2. Журнал «Техника молодежи» №10, 1979 год.

      3. Журнал «Двигатель» №4(52), 2007 год.

      4. Статья Кожанова Андрея «Двигатель Стирлинга», Декабрь 22, 2008 год.

  • 1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга

  • 2. http://super-texnolog.narod.ru/stirling1.htm

  • 3. http://www.stirlingmotors.ru/

Приложения

Приложение 1

Альфа-Стирлинг

Бета-стирлинг

с ромбическим

механизмом и регенератором

Гамма-Стирлинг

без регенератора

Приложение 2

Приложение 3