ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Курманевич И.С. 1

---

1МБОУ г. Иркутска СОШ №80, 11 класс

Ободенко О.Н. 1

---

1МБОУ г. Ируктска СОШ №80

Работа в формате PDF

1.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Двигатель Стирлинга - тепловая машина, в которой рабочее тело в виде газа или жидкости движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения давления.

Актуальность: Двигатель Стирлинга может для подтверждения или опровержения гипотез и теорий, проверки учебного и дидактического материала на практике, для самостоятельного обучения, а также для применения в учебных заведениях в школьной программе по предмету "физика". В настоящее время этот тип двигателя – настоящая редкость. Со временем они вновь могут войти в нашу жизнь.На сегодняшний день они используются: в автомобильной технике, даже на космических станциях, в будущем они могут устанавливаться на мини ТЭЦ и их энергией можно будет питать целый город.

В наше время существует множество разных двигателей: от небольших и маломощных до гигантских генераторов с большим КПД. Все они также используются в самых различных областях. Конечно, двигатели наибольшей мощности используются на предприятиях. Обычно это электродвигатели или тепловые двигатели.

Тема весьма актуальна, ведь двигатель Стирлинга экологичен, а также употребляет любое топливо, что ценится в настоящее время.

Проблема: У двигателя Стирлинга источник тепла является внешним, по этой причине ему требуется некоторое время, чтобы отреагировать на изменения количества тепла, подаваемого на цилиндр - требуется время, чтобы тепло проходило через стенки цилиндра и нагревало газ внутри двигателя. Соответственно двигателю необходимо время для прогрева, чтобы выработать полезную работу, так как он не может быстро изменить свою выходную мощность.

Гипотеза: Двигатель Стирлинга можно создать в домашних условиях и использовать в учебных целях.

Цель проекта: Построить рабочую модель из отдельных деталей или готовых частей конструкции двигателя Стирлинга в домашних условиях.

Задачи:

1. Изучить материал по теме из различных источников

2. Детально рассмотреть принцип работы двигателя

3. Составить экономическую оценку

4. Сконструировать двигатель

5. Сделать выводы по данному типу двигателя

Назначение проекта: Проект может быть использован для широкого круга заинтересованных лиц, а также для более детального изучения по предмету «Физика».

История создания

Рис.1 Роберт Стирлинг

Патент на изобретение двигателя Стирлинга принадлежит шотландскому священнику Роберту Стирлингу (рис.1).

Роберт Стирлинг родился в Шотландии, в 1790 году. Еще во время учебы в университете молодой пастор проявил немалую склонность к инженерным наукам, и свободное время посвящал разработке «безопасного» двигателя. В то время паровые машины уже активно эксплуатировались, но обладали одной неприятной особенностью – из-за низкой прочности стали у них часто взрывались котлы.

Стирлинг искал решение данной проблемы. Поскольку выбор материалов для котлов оказался невелик, преподобный Роберт просто отказался от пара и придумал новый тип двигателя на воздухе, но главное – ввел в цикл работы двигателя регенерацию тепла.

19 сентября 1816 года Стирлинга назначают священником церкви Лэй-Кири в Килмарноке, а уже 21 сентября того же года в Эдинбурге (Шотландия) он патентует устройство называемое «экономайзер» или устройство для экономии тепла (английский патент №4081). Сегодня это устройство называется регенератор или теплообменник. Регенератор - сердце всех современных Стирлинг-машин. Позднее еще дважды: в 1827 и в 1840 годах Стирлинг патентует усовершенствованные образцы своей машины. Он упорно движется к цели – созданию «безопасного двигателя». И в 1845 году, не без помощи младшего брата Джеймса и друга - Томаса Мортона, Стирлинг достигает результата. Машина в 50 индикаторных лошадиных сил изготавливается на литейном заводе в Дании. Аппарат использовали на шахте для откачки воды. Он успешно проработал три года, но был разобран по причине частого выхода из строя. Дело было не в конструкции – она идеальна, и перекочевала в современные типы Стирлинг-машин без особых изменений. Проблему создавали материалы, не имеющие достаточной прочности. Металл рабочего цилиндра не выдерживал постоянного перепада температур и давления.

На склоне лет, Роберт Стирлинг в одном из своих писем 1876 года особо отмечал важность изобретения Генри Бессемера – получение высокопрочной стали. Стирлинг выражал надежду, что данная сталь откроет перспективы и его «машинам на воздухе». На протяжении всей жизни, в своей домашней мастерской Стирлинг конструировал и изготавливал модели тепловых машин.

Позднее, одну из этих моделей использовал лорд Кельвин для университетских лекций.

Несмотря на бурную изобретательскую деятельность, Роберт Стирлинг оставался пастором и продолжал вести службы. Умер изобретатель-священ ик 6 июня 1878 года в шотландском городке Галстон, в Восточном Айршире.
Каким образом Стирлингу удалось изобрести двигатель с максимально возможной термодинамической эффективностью – остается загадкой. Но, то, что этот неуемный шотландец за свои 88 лет сумел прожить две жизни – жизнь талантливого инженера-конструктор и священника - бесспорный факт.

Стирлинг опередил свое время более чем на сто лет. Его выдающееся изобретение послужило толчком к значительному усовершенствованию паровых машин, пережило многие технические новинки двигателестроения и возрождается заново в наши дни.

2. Основная часть

2.1 Описание

В XIX веке инженеры хотели создать безопасную замену паровым двигателям, котлы которых из-за высоких давлений пара и неподходящих материалов для их постройки часто взрывались. Хороший вариант для замены появился с созданием двигателя Стирлинга, который, благодаря своей конструкции, 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. В ряде опытных образцов испытывались фреоны, двуокись азота, сжиженный пропан-бутан и вода. В последнем случае вода остаётся в жидком состоянии на всех участках термодинамического цикла. Особенностями «стирлинга» с жидким рабочим телом являются малые размеры, высокая удельная мощность и большие рабочие давления. Существует также «стирлинг» с двухфазным рабочим телом. Он тоже характеризуется высокой удельной мощностью, высоким рабочим давлением.

Двигатель Стирлинга является реверсивным. Если вращать вал внешней силой, то с одной стороны рабочего объема газ будет нагреваться, а с другой – охлаждаться.

2.2 Принцип работы

Что бы понять, как работает двигатель Стирлинга, разберёмся в устройстве и периодичности явлений агрегата. Механизм преобразует тепло, полученное от нагревателя, находящегося за пределами изделия в действие силы на тело. Весь процесс происходит благодаря температурному перепаду, в рабочем веществе, находящемся в закрытом контуре. Принцип действия (рис. 2) механизма базируется на расширении за счёт тепла. Непосредственно до расширения, вещество в замкнутом контуре нагревается. Соответственно, перед тем, как сжаться, вещество охлаждают. 

Рис.2 Ход работы двигателя

  Сам цилиндр (1) окутан водяной рубашкой (3), ко дну подается тепло. Поршень, совершающий работу (4) помещен в гильзу и уплотнён кольцами. Между поршнем и дном находится механизм вытеснения (2), имеющий значительные зазоры и свободно перемещающийся. Вещество, находящееся в замкнутом контуре, двигается по объёму камеры за счёт вытеснителя. Перемещение вещества ограничено двумя направлениями: дно поршня, дно цилиндра. Движение вытеснителя обеспечивает шток (5), который проходит через поршень и функционирует за счет эксцентрика с запаздыванием на 90° в сравнении с приводом поршня.

2.3 Циклы работы

Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз (рис.3) 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.

Нагрев и охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производятся регенератором. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое регенератором, одинаково. Полезная работа производится только за счёт изотерм, то есть зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.

Двигатели Стирлинга, работающие по другим циклам

Рис. 3 Диаграмма «давление-объем» идеализированного цикла Стирлинга

Цикл Стирлинга считается непременной принадлежностью именно двигателя Стирлинга. В то же время подробное изучение работы созданных на сегодняшний день конструкций показывает, что значительная часть из них имеет рабочий цикл, отличный от цикла Стирлинга. Например, α-стирлинг с поршнями разного диаметра имеет цикл, более похожий на цикл Эрикссона. β- и γ-конфигурации, имеющие достаточно большой диаметр штока у поршня-вытеснителя, также занимают некое промежуточное положение между циклами Стирлинга и Эрикссона.

При движении вытеснителя в β-конфигурации изменение состояния рабочего тела происходит не по изохоре, а по наклонной линии, промежуточной между изохорой и изобарой. При некотором отношении диаметра штока к общему диаметру вытеснителя можно получить изобару (это отношение зависит от рабочих температур). В этом случае поршень, который ранее был рабочим, играет лишь вспомогательную роль, а настоящим рабочим становится шток вытеснителя. Удельная мощность такого двигателя оказывается примерно в 2 раза большей, чем в привычных «стирлингах», ниже потери на трение, так как давление на поршень более равномерно. Схожая картина в α-стирлингах с разным диаметром поршней.

Двигатель с промежуточной диаграммой может иметь нагрузку, равномерно распределённую между поршнями, то есть между рабочим поршнем и штоком вытеснителя.

Важным преимуществом работы двигателя по циклу Эрикссона или близкому к нему является то, что изохора заменена на изобару или близкий к ней процесс. При расширении рабочего тела по изобаре не происходит никаких изменений давления, никакого теплообмена, кроме передачи тепла от регенератора рабочему телу. И этот нагрев тут же совершает полезную работу. При изобарном сжатии происходит отдача тепла охладителю.

В цикле Стирлинга при нагреве или охлаждении рабочего тела по изохоре происходят потери тепла, связанные с изотермическими процессами в нагревателе и охладителе.2.3 Конфигурация двигателей Стирлинга

α-Стирлинг (рис. 4) - 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.

β-Стирлинг (рис. 5) - цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и вытеснитель, разделяющий горячую и холодную 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.

γ-Стирлинг (рис. 6) - 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.

2.4 Преимущества и недостатки двигателя

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 случае преобразования в электричество солнечной энергии «стирлинги» иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.

• Экологичность - «стирлинг» не имеет выхлопа из цилиндров, а это значит, что уровень его шума гораздо меньше, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания. β-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. В ДВС полнота сгорания топлива зависит от соответствия химического состава топлива физическим параметрам ДВС. 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.

• Малая шумность - такое качество очень важно на подводных лодках. Такие недостатки как высокий удельный вес и большая рассеиваемая теплота там менее важны, поскольку двигатель в общей массе подводной лодки имеет небольшой процент, а теплота передаётся теплообменником через прочный корпус, не требуя радиаторов и вентиляторов. Таким образом, двигатель Стирлинга получил на подводных лодках широкое распространение.

Недостатки:

• Громоздкость и материалоёмкость - основной недостаток поршневых двигателей внешнего сгорания. 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. Двигатель Стирлинга всю теплоту отдаёт в систему охлаждения (не имеет выхода горячих газов), и требует по сравнению с обычным автомобильным двигателем удвоенного по производительности радиатора.

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

• 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.

• 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.

• 2.5 Сферы применения двигателя Стирлинга

Менее ста лет назад двигатели внутреннего сгорания пытались завоевать свое законное место в конкурентной борьбе среди прочих имеющихся машин и движущихся механизмов. При этом в те времена превосходство бензинового двигателя не являлось столь очевидным. Существующие машины на паровых двигателях отличались бесшумностью, великолепными для того времени характеристиками мощности, простотой обслуживания, возможностью использования различного вида топлива. В дальнейшей борьбе за рынок двигатели внутреннего сгорания благодаря своей экономичности, надежности и простоте взяли верх.

Двигатель Стирлинга можно использовать во всех областях, где требуется преобразование тепловой энергии в механическую. В самом деле, почти нельзя назвать ни одной сколько-нибудь серьёзной области потенциального применения двигателя Стирлинга, в которой уже не было бы предпринято попытки его использования или по крайней мере такая возможность не изучалась. При этом нельзя выделить каких-то необычных областей применения, поскольку во всех случаях имеются альтернативные источники механической энергии аналогичного назначения. По рабочим характеристикам или приспособленности альтернативные установки могут уступать двигателю Стирлинга, однако нет оснований утверждать, что двигатель Стирлинга – это единственно подходящий источник механической энергии для данной области применения, хотя было бы трудно, например, представить паровую турбину или дизельный двигатель в качестве привода искусственного сердца. Развитие двигателей Стирлинга, как и других источников механической энергии, стимулировалось, как правило, техническими и социально-экономическими требованиями времени. Так, например, о возможности использования двигателя Стирлинга на автомобиле особенно не задумывались до 1962г., когда общество начало испытывать беспокойство по поводу загрязнения окружающей среды, и только в 70- годах, в условиях энергетического кризиса, влияние которого ощущается еще и сейчас, в программы совершенствования автомобильных двигателей Стирлинга начали вкладывать значительные средства.

Первоначально предполагавшееся фирмой «Филипс» применение двигателей Стирлинга в качестве составной части портативных электрогенераторов не состоялось из-за быстрого совершенствования других устройств, предназначенных для той же цели, однако в настоящее время под воздействием экономических факторов эта область применения вновь привлекает внимание. Области применения, в которых двигатель Стирлинга использовался в XIX веке и был в конечном счете вытеснен, теперь изучаются вновь. Поэтому нецелесообразно перечислять отдельные случаи применения двигателя Стирлинга в хронологической последовательности.

2.5.1. Автомобильные двигатели

Новейший усовершенствованный двигатель Стирлинга- продукт совместных усилий многих областей техники. Исследовательская лаборатория фирмы «Филипс», вероятно, единственная в мире, объединяющая передовую технологию с дальновидностью руководства, что позволяет ей длительное время проводить исследования по двигателям Стирлинга в широком масштабе. Ежегодно только в этой фирме в разработке двигателей внутреннего сгорания участвуют тысячи инженеров. То что фирма «Филипс» в относительно короткое время и с относительно малым штатом смогла создать двигатели Стирлинга с высокими характеристиками(рис.7), представляется для других фирм невероятным; принимая все это во внимание, было рискованно пытаться предвидеть будущее развитие.
Рис.7 Автомобильный двигатель Стирлинга

Сомнительно, чтобы двигатель Стирлинга, если исходить только из экономических показателей, мог бы когда-нибудь составить конкуренцию дизелю в любых уже установившихся областях применения. Однако сейчас вопрос об использовании двигателей уже поднимается на основании только одних технико-экономических показателей. Социальные аспекты техники становятся все более важными; это особенно видно из того, что общество уделяет пристальное внимание проблеме загрязнения воздуха выхлопными газами автомобильных двигателей. Известно, что интерес к этому вопросу особенно высок в США, где наиболее велика мощность автомобильных двигателей. В то же время фирма «Филипс» уже убедительно продемонстрировала значительное уменьшение шума и загрязнения воздуха при применении двигателей Стирлинга для автомобилей. Возможно, что под действием общественности будут приняты более жесткие стандарты, контролирующие загрязнение воздуха, а от дизелей и бензиновых двигателей внутреннего сгорания потребуют таких норм по уменьшению вредных составляющих в выхлопных газах, что двигатели фирмы «Филипс» будут конкурентоспособны. Вероятность такой ситуации вполне реальна, и, без сомнения, это и есть основание для фирмы «Филипс» и ее субподрядчиков обратить особое внимание на разработку автомобильных двигателей мощностью 73,5 кВт (100 л.с.) и 147 кВт (200 л.с.). Последующие несколько лет должны быть переломными в этом вопросе, но к 1980 г. двигатели Стирлинга на грузовиках могут быть уже не новостью.

2.5.2. Криогенные газовые машины

Рис.8 Криогенная газовая машина

Интерес фирмы «Филипс» к криогенным машинам, работающим по обратному циклу Стирлинга, проявился случайно и был побочным успехом при разработке двигателей на ранней стадии их развития. Семейство криогенных машин фирмы «Филипс» разрабатывалось под руководством Кёллера, и теперь они занимают ведущее место в любом каталоге малых и средних криогенных установок(рис.8).

Эти машины привели к развитию и соответствующего криогенного оборудования. Типы криогенных газовых машин, предлагаемых покупателю фирмой «Филипс», охватывают широкий диапазон от миниатюрных машин с холодопроизводительностью в доли ватта до больших промышленных агрегатов с холодопроизводительностью в несколько киловатт.

С появлением сверхпроводящих материалов, работающих при более высоких температурах, и возрастающем использовании инфракрасной техники, вероятно, появятся разнообразные возможности для применения небольших криогенных машин. Для этих целей потребуются меньшие по габаритам, более дешевые и более надежные машины, чем существуют в настоящее время.

Одним из наиболее перспективных направлений использования криогенных газовых машин Стирлинга, является создание гаражных заправочных пунктов по получению сжиженного природного газа, сжиженного биометана и сжиженного шахтного метана, расположенных непосредственно у пользователей. Производительность гаражных пунктов, созданных на основе отечественных и зарубежных КГМ Стирлинга, колеблется в пределах от 10 до 700 кг/ч криогенного продукта. Сжиженные метано-содержащие газы являются наиболее перспективными моторными топливами, альтернативными традиционным нефтяным топливам.

2.5.3. Рефрижераторные установки

Рис.9 Рефрижераторная установка

Машины Стирлинга могут обеспечить охлаждение на любом температурном уровне в диапазоне от температуры окружающей среды до уровня, близкого к абсолютному нулю. Они с успехом работают в криогенных рефрижераторных установках(рис.9) при температурах, меньших 100 К. При более высоких температурах они практически неизвестны, хотя, собственно, нет никаких технических оснований не применять их для охлаждения при температурах, близких к температуре окружающей среды.

В 1959 г. Финкельштейном и Полянски было проведено равнение характеристик двухцилиндровой машины Стирлинга и обычной холодильной машины. Они определили, что производительность машины Стирлинга при температуре более 230К ниже, чем обычной, но она увеличивается по мере понижения температуры. Были исследованы возможности передвижных систем охлаждения с циклом Стирлинга. Основываясь на установке, работающей по схеме Рини с приводом от косой шайбы можно предположить значительную экономию в массе и габаритах без снижения характеристик по сравнению с обычными парокомпрессионными машинами. По-видимому, установки такого типа представляются перспективными для систем кондиционирования воздуха на железнодорожном транспорте, автомобильном, а также для систем охлаждения на военно-транспортных машинах и военно-морских судах.

2.5.4. Электрогенераторы малой мощности

Существует много областей применения для электрогенераторов малой мощности(рис.10), способных работать автономно в отдаленных районах в течение длительного времени. Уровень их мощности колеблется от 5 Вт до 5 кВт, но особый интерес представляет диапазон от 200 до 500 Вт. Такие электрогенераторы требуются для многих целей, но в основном для снабжения электроэнергией систем навигации, таких как маяки и буи, автоматические метеостанции, а также для телеметрии и станций усиления связи. Они могут быть использованы под водой как для гражданских, так и для военных целей, в горах, в недоступных районах Арктики и в аварийных навигационных ситуациях. В качестве местного топлива для стирлинг-генераторов может использоваться торф, измельченный уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности. Для большинства областей применения главным критерием является надежность. Практических ограничений по массе, габаритам и частоте вращения для таких энергоустановок нет. Так же не важны режимы пуска и останова, поскольку в большинстве случаев имеется возможность подключения системы аккумуляторных батарей для отвода избыточной мощности (например, ночью), в то время как электрогенератор продолжает вырабатывать постоянную мощность в устойчиво режиме.

Рис.10 Электрогенератор использующий двигатель Стирлинга

Регулирование и контроль за работой двигателя не являются серьезной проблемой. В большинстве случаев предпочтительней (и легче) регулировать электрические параметры системы, чем параметры самого двигателя.

2.5.5. Двигатели для морских судов

Использование двигателей Стирлинга для морских судов(рис.11) заслуживает внимания, поскольку легкодоступный источник охлаждения позволяет решить одну из главных трудностей, имеющуюся у автомобильных двигателей Стирлинга. Это обстоятельство было отмечено фирмой «Филипс» на ранних стадиях разработок, и одним из первых практических применений двигателя стал крейсерский катер «Иоганн де Вит», на котором была продемонстрирована работоспособность двигателя.

Будущие возможные области применения двигателей Стирлинга фирмы «Филипс» мощностью около нескольких сотен киловатт как для военных, так и для гражданских целей намечаются всякий раз, когда используемые сейчас дизели становятся непригодными по уровню шума, вибрации и загрязнения воздуха. Вероятно, для очень больших мощностей могут быть разработаны двигатели Стирлинга с характеристиками современных судовых дизелей. Однако производство таких двигателей маловероятно по причине большой стоимости их разработок и способности дизелестроительных фирм удовлетворять в настоящее время сравнительно небольшой спрос на эти двигатели.

Рис.11 Схема четырехцилиндрового двигателя Стирлинга для морских судов

С другой стороны, вероятно, имеется и потребность в двигателях малой мощности (от 5 кВт и выше) для получения электроэнергии и применения их во вспомогательных силовых установках, а также на небольших судах. В этих областях применения бесшумная и надежная работа в сочетании с легкостью эксплуатации, возможно, будет более предпочтительна, чем удельная стоимость, эффективный КПД и удельная мощность

Такие двигатели могут привлечь внимание многих владельцев небольших судов.

2.5.6. Подводные энергетические системы

Двигатели Стирлинга могут быть применимы для различных подводных энергетических систем(рис.12), где требуется либо электрическая, либо механическая энергия для периодического или непрерывного режима работы.

Системы с двигателем Стирлинга с радиоизотопным источником теплоты имеют более высокий общий КПД. преобразования, чем конкурирующие термоэлектрические системы. Двигатели с неизотопным источником теплоты выгодны с точки зрения их универсальности для любого способа подвода тепловой энергии и способности работать бесшумно без клапанов и периодических выхлопов. В системах с подводом теплоты от сжигания топлива продукты сгорания могут быть сконденсированы в бортовом хранилище и необходимость их выброса наружу отпадает. Это позволяет сконструировать замкнутые системы, способные работать на большой глубине и не оставлять «выхлопного следа».
Рис.12 Двигатель в подводной лодке

Большая работа по усовершенствованию двигателей Стирлинга с аккумулированием теплоты для подводного применения была проделана в фирме «Дженерал моторс». Экспериментальные работы с четырехцилиндровым двигателем Стирлинга для подводных силовых систем с использованием в качестве окислителя перекиси водорода ведутся в фирме «Юнайтед Стирлинг».

2.5.7. Солнечные энергетические установки

Рис.13 Солнечные батареи основанные на принципе работы двигателя Стирлинга

Существует неограниченный рынок для небольших двигателей, работающих на солнечной энергии(рис.13) (для использования в тропических странах) и служащих приводом водяных насосов и электрогенераторов малой мощности, заряжающих аккумуляторы для освещения в ночное время. Эта область применения двигателей Стирлинга не нова; пример одного из первых двигателей, работавшего на солнечной энергии приводится в XIX веке.

По всей вероятности, основная трудность в поставке на рынок таких двигателей заключена в их цене. В дополнению к двигателю необходимо иметь солнечный коллектор и концентратор, которые соответственно собирают солнечное излучение с большой площади и концентрируют ее на очень малую. Сфокусированный поток энергии очень велик, поэтому достигаются высокие температуры, необходимые для работы теплового двигателя. Формы коллекторов могут быть самыми разнообразными, но наиболее известной является, вероятно, параболоид (форма прожектора или рефлектора передней фары автомобиля).

2.5.8. Механический привод в аппаратах «искусственное сердце»

В 60-е годы искусственное сердце становится предметом внимания инженеров. Аппараты «искусственное сердце»(рис.14) могут быть двух типов:

1) устройства, временно заменяющие функции здорового сердца;

2) устройства, постоянно выполняющие функции здорового сердца.

Рис.14 Привод для искусственного сердца

Двигатель Стирлинга может быть использован в будущих аппаратах искусственного сердца как механизм, преобразующий тепловую энергию изотопного топлива в механическую энергию.

Искусственное сердце может быть спроектировано так, чтобы использовать электрическую сеть (или блок аккумуляторов) для питания электродвигателя, служащего приводом кровяного насоса. В настоящее время это невозможно, поскольку нет способов передачи через кожу электроэнергии. Решением вопроса является полностью имплантированный в тело пациента механизм с запасом изотопного топлива, обеспечивающего достаточный ресурс работы (от 3-х до 5-ти лет). Такое механическое устройство должно иметь блок, преобразующий теплоту, выделяемую изотопом, в механическую работу, используемую для привода насоса при перекачивании крови. В качестве механического преобразователя теплоты может быть применен двигатель Стирлинга.

2.5.9. Универсальные энергетические системы

Универсальные энергетические системы представляют собой механические агрегаты, которые, будучи снабжены топливом, воздухом и водой, могут обеспечить все энергетические потребности, включая кондиционирование воздуха, выработку электроэнергии, получение горячей и холодной воды. Для таких установок, применяемых в служебных помещениях, гостиницах, жилых домах, складах и крупных торговых центрах, обычно требуется первичный двигатель мощностью 37-370 кВт (50-500 л.с.).

Ряд универсальных энергетических систем уже действует. В большинстве из них используется либо газообразное, либо жидкое топливо, а для преобразования выделившейся при сгорании части химической энергии в механическую применяется двигатель какого-либо типа. Отводимая с выхлопными газами от двигателя теплота может быть использована для отопления здания, получения пара низкого давления, для кухонь и прачечных, а также как источник теплоты в холодильной установке абсорбционного цикла, которая охлаждает воду или соляной рассол для кондиционера воздуха.

В настоящее время в универсальных энергетических системах используются газотурбинные или поршневые двигатели внутреннего сгорания. Газовые турбины отличаются хорошей надежностью, но имеют очень низкую эффективность, особенно при частичной нагрузке. Поршневые газовые двигатели имеют лучшие характеристики, но недостаточно надежны, а поэтому велики их эксплуатационные расходы. Ввиду этого может оказаться, что бесшумные, эффективные двигатели Стирлинга, способные работать на различных видах топлива, найдут непосредственное применение в универсальных энергетических системах.

Однако к вопросу о применении универсальных энергетических систем должен быть более осторожный подход. По более поздним представлениям такие системы мало оправданны в высокоразвитых странах, где имеются дешевые и надежные источники электроэнергии, но они, вероятно, могут быть использованы в менее обжитых районах, таких, как отдаленные мотели, охотничьи и лыжные базы, полярные исследовательские станции и нефтедобывающие установки в пустыне.

Рис. 15 Схема устройства двигателя Стирлинга

Мотор Стирлинга (рис. 15) чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой, при этом эффективность прочих видов тепловых агрегатов существенно ниже при аналогичных условиях. Очень часто подобные агрегаты применяются в питании насосного оборудования, холодильных камер, подводных лодок, батарей, аккумулирующих энергию.

Одним из перспективных направлений области использования двигателей Стирлинга являются солнечные электростанции, поскольку данный агрегат может удачно применяться для того, чтобы преобразовывать энергию солнечных лучей в электрическую. Для осуществления этого процесса двигатель помещается в фокус зеркала, аккумулирующего солнечные лучи, что обеспечивает перманентное освещение области, требующей нагрева. Это позволяет сфокусировать солнечную энергию на малой площади. Топливом для двигателя в данном случае служит гелий или водород.

2.6 Рабочие характеристики и особенности конструкции

1.Мощность, вырабатываемая двигателем Стирлинга, как показывает практика, почти прямо пропорциональна среднему давлению цикла. Поэтому, чтобы получить высокие значения абсолютной и удельной мощности, давление в двигателе должно составлять 10-20 МПа. Такие высокие значения давления создают специфические проблемы при проектировании двигателей. Особую трудность представляет решение проблем, связанных с

- герметизацией рабочего тела;

- напряжениями в теплообменнике;

- нагрузками на подшипники и детали механизма привода.

Поскольку величина давления влияет на развиваемую мощность, управление изменением давления позволяет регулировать крутящий момент двигателя.

Также присутствуют важные аспекты при самостоятельном создании подобного двигателя :

• • Стенки цилиндра, где ходит вытеснитель, должны быть сделаны так, чтобы не проводить тепло.

  • Один край цилиндра – холодный, другой- горячий. Чем больше разница температур – тем выше эффективность работы.

  • Между стенками цилиндра и вытеснителем должен быть зазор (3 мм достаточно), чтобы было куда воздуху просачиваться с холодной камеры в горячую.

  • Не должно быть утечек воздуха (свести их к минимуму). Это одно из основных причин, которые не дают двигателю работать.

  • Убрать все трение по максимуму. Важно у0использовать силиконовую смазку – она дает очень хороший результат.

2. КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70% КПД цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. КПД двигателя почти не зависит от скорости двигателя при условии, что температура в трубках нагревателя не изменяется во всем диапазоне рабочих режимов двигателя и температура в холодильнике не возрастает. Температуру в трубках нагревателя следует поддерживать на возможно более высоком уровне. При повышении температуры охлаждающей жидкости на один градус КПД двигателя падает на 0,5%. Вследствие непрерывного воздействия высоких температур для обеспечения длительного срока службы требуются высококачественные сплавы.

3. Нерабочие объемы в двигателе Стирлинга теоретически могут быть сведены к нулю, однако на практике они достигают 50% внутреннего объема, занимаемого газом. Такая величина мертвого объема необходима для размещения теплообменника и обеспечения достаточной площади поверхности теплообмена. Мертвый объем снижает выходную мощность двигателя; влияние же его величины на КПД двигателя неоднозначно и зависит от местоположения этого объема. Изменением мертвого объема при работе двигателя можно регулировать вырабатываемую мощность.

4. С увеличением рабочего объема возрастает выходная мощность двигателя при условии, что давление и температура постоянны. Не существует никакой эмпирической зависимости, связывающей рабочий объем и выходную мощность. Заданный рабочий объем обеспечивается при отношении диаметра цилиндра к ходу поршня, близком к 2, что дает оптимальное соотношение между потерями на теплопередачу и на трение в уплотнениях.

5. С ростом скорости двигателя потери на сопротивление газа приобретают решающее значение, поскольку они пропорциональны квадрату скорости. Для уменьшения этих потерь в качестве рабочего тела используют газы с малой молекулярной массой, такие, как гелий и водород.

6. Для обеспечения стабильности выходной мощности изменения объема полости расширения должны опережать изменения объема полости сжатия. Для получения оптимальной выходной мощности это опережение должно соответствовать фазовому углу 90.

7. Выбор рабочего тела зависит исключительно от конкретного назначения двигателя, поскольку один и тот же КПД можно получить безотносительно к рабочему телу при условии, что конструкция двигателя оптимальна по отношению к выбранному рабочему телу. Однако для получения более высоких удельных мощностей требуются более легкие газы.

8. Двигатель Стирлинга по своей природе обладает низким уровнем шума. Механический и аэродинамический шумы этого двигателя существенно ниже, чем у его конкурентов. Однако, чем выше давление цикла, тем выше шум, вызываемый работой двигателя. По сравнению с сопоставимым дизельным двигателем уровень аэродинамического шума двигателя Стирлинга ниже на 18 дБ. Основным источником шума современных двигателей Стирлинга являются синхронизирующие зубчатые колеса и нагнетатель воздуха.

9. В двигателях Стирлинга можно использовать источники энергии, не производящие никаких загрязняющих атмосферу выбросов. Даже при использовании природных топлив присущей этим двигателям устойчивый процесс горения позволяет значительно понизить уровень концентрации токсичных веществ, выбрасываемых в атмосферу, по сравнению с уровнями концентрации таких веществ, выбрасываемых другими двигателями, при условии, что предусмотрены специальные меры для снижения температуры ниже порога образования окислов азота. Автомобильный двигатель Стирлинга является в настоящее время единственной энергосиловой установкой, удовлетворяющей жестким стандартным по допустимым уровням содержания токсичных веществ в автомобильных выбросах.

10. Доля энергии цикла, которая отводится через холодильник, в двигателе Стирлинга на 60-250% выше, чем в обычных поршневых двигателях. Чтобы справиться с такой тепловой нагрузкой, необходимы радиаторы больших размеров. В тех случаях, когда установка предназначена для использования всех видов вырабатываемой энергии, это может дать двигателю Стирлинга дополнительные преимущества.

11. Энергосиловая установка автомобиля с двигателем Стирлинга имеет большие перспективы с точки зрения устранения выбросов, загрязняющих окружающую среду, уменьшения расхода топлива и соответственно снижения затрат на эксплуатацию.

2.7 Ход работы

Наша работа началась с поисков нужных элементов для сборки. Самой проблематичной частью поиска компонентов являлся поиск подставки для двигателя, так как многие не подходили под поставленные задачи и выбранные заранее компоненты.

Для сборки рабочей модели нам понадобились следующие элементы:

• Крепежные элементы (рис.16);

• Генератор с зажимом (рис.17);

• Головная стойка (рис.18);

• Колба в металлическом корпусе (рис.19);

• Стеклянная колба (рис.20);

• Канцелярская резинка ;

• Поршень (рис.21);

• Удерживающая стойка (рис.22);

• Передаточные колеса №1 и №2 (рис.23,24);

• Подставка для двигателя (рис.25);

Рис.22 Удерживающая стойка	Рис.23 Передаточное колесо №1	Рис.24 Передаточное колесо №2

• Светодиод (рис.26);

• Спиртовка с фитилем (рис.27).

После того как мы закупили все нужные для сборки двигателя конструкционные детали мы приступили к сборке.

П
 

Рис.28 Первый этап сборки

ервым этапом стала установка поршней в колбы, а также установка передаточных колес. (рис.28).В данном этапе сборки необходимо было найти лучшее соотношение между нахождением колб относительно друг от друга. Во многих инструкциях и дидактических материалах сказано, что максимальное КПД достигается за счёт параллельного расположения колб. Но в ходе наших экспериментов и проверок, было выявлено то, что возможно получить больше КПД при разном расположении колб. Например-колбу для нагревания спиртовкой, следует опустить чуть ниже. А вторую колбу следует приподнять чуть повыше относительно первой колбы.

С
 

Рис.29 Установка генератора

ледующим действием мы установили генератор на специально отведенное место в подставке для двигателя. (рис.29).

Генератор необходимо было надёжно закрепить, так как он является неотъемлемой частью конструкции и без него двигатель являлся бы ничем иным, кроме как моделью. исключительно для демонстрации работоспособности. Также для передачи энергии от двигателя к генератору, было принято решение использовать обычную канцелярскую резинку.

Перед установкой двигателя на подставку необходимо проверить и закрепить все утягивающие винты и болты.

Одним из последних действий перед запуском двигателя и является калибровка передаточных колёс и нахождение поршней между ними. Данный пункт сборки двигателя являлся одним из самых трудоёмких и кропотливых. Методом проб и ошибок было найдено идеальное соотношение между нахождением передаточных колёс и поршней для достижения максимального КПД.

И
 

Рис.30 Установка двигателя

завершающим действием в сборке стала установка двигателя на подставку (рис.30).

П
 

Рис.31 Готовая модель двигателя

осле всех вышеперечисленных пунктов оставалось самое простое - заправить спиртовку горючим, поднести её к колбе, дать время для прогрева конструкции и появления разности температур между двумя колбами. Финальным шагом являлось запустить двигатель, путём передачи небольшого импульса на большее передаточное колесо .После всех выполненных действий мы получили полностью рабочую модель двигателя (рис.31), которая через генератор преобразовывает выработанную энергию .После запуска, мы удостоверились в его работоспособности, и принялись к подключению светодиода к генератору.

Наконец, после долгой и мучительной сборки, мы имеем рабочую модель двигателя Стирлинга с генератором электроэнергии. Цель достигнута.

2.8 Экономическая оценка

(Некоторые запчасти идут в комплекте с перечисленными выше, например - утягивающие болты. В связи с этим, их стоимость не учитывалась в финальном подсчёте).

3. Выводы

Гипотеза нашего проекта заключавшаяся в утверждении, что двигатель Стирлинга можно создать в домашних условиях, оказалась верной.

Цель проекта – построить рабочую модель двигателя из отдельных деталей или готовых частей конструкции в домашних условиях, была нами достигнута.

Для достижения цели проекта нами были решены, поставленные задачи:

1. проанализирована литература по принципу работы и устройству двигателя Стирлинга;

2. детально рассмотрен принцип работы двигателя;

3. сконструирован двигатель Стирлинга;

4. составлена экономическая оценка;

5. сделаны выводы.

На основании сделанных выводов можно сказать, что назначение проекта подтвердилось. Проект может быть использован для широко заинтересованного круга лиц, а также для более детального изучения типов двигателей по предмету «Физика».

При использовании рабочей модели двигателя Стирлинга важно учитывать все составляющие компоненты работы прибора, использовать детали для сборки, выполненные на профессиональных станках, не забывать про смазочные материалы, которые уменьшают трение в процессе работы двигателя.

Собранная нами экспериментальная установка успешно прошла испытания и готова к использованию на уроках физики. Модели, сделанные своими руками, развивают инженерное мышление обучающихся. В связи с этим, нашу установку можно использовать как макет, по которому ребята могут изучать строение и принцип работы двигателя внешнего сгорания.

Возрождение интереса к двигателям Стирлинга обычно ассоциируется с деятельностью фирмы Philips. Работы по конструированию двигателей Стирлинга небольшой мощности начались на Philips в середине 30-х годов ХХ века. Целью работ было создание небольшого с низким уровнем шума электрического генератора с тепловым приводом для питания радиоаппаратуры в тех районах мира, где отсутствовали регулярные источники электроснабжения. В 1958 году компания General Motors заключила лицензионное соглашение с фирмой Philips, и их сотрудничество продолжалось до 1970 года. Разработки были связаны с использованием Стирлингов для космических и подводных энергетических установок, автомобилей и судов, а также для систем стационарного энергоснабжения. Шведская фирма United Stirling, сосредоточившая вначале свои работы в основном на двигателях для транспортных средств большой грузоподъемности, расширила свои интересы в области двигателей и для легковых машин

Исследования двигателей Стирлинга для солнечных, космических и подводных энергетических установок, а также разработка базовых лабораторных и опытных двигателей в настоящее время широко проводятся в Германии, США, Канаде, Франции им особенно в Японии. Результатом заинтересованности общественности вопросами борьбы с шумом и загрязнением воздуха вместе с такой важной проблемой, как сохранение природных источников энергии, явился повышенный интерес к двигателям Стирлинга.

В настоящее время, будущее двигателей Стирлинга представляется более перспективным. В обзорах по различным двигательным установкам для транспорта и стационарных энергетических установок двигатель Стирлинга рассматривают как обладающий возможностями для дальнейшей разработки.

Низкий уровень шума, малая токсичность выхлопа, возможность работы на различном топливе, большой ресурс, сравнимые с ДВС размеры и масса, хорошие характеристики в режимах частичной нагрузки (что особенно важно для городского транспорта) и благоприятные характеристики крутящего момента – все эти параметры дают возможность бросить вызов двигателю внутреннего сгорания. Однако, двигатели с искровым зажиганием и дизели с их большим разнообразием конструкций будут являться еще достаточно сильными конкурентами до тех пор, пока высококачественное очищенное топливо остается доступным при его относительном избытке на рынке.

Также нельзя сбрасывать со счетов и тот факт, что ДВС за всю свою долгую историю развития приобрели огромное число различных модификаций и усовершенствуются до сих пор, доходя порой до почти «идеальных» двигателей. Благодаря этому качеству они и занимают лидирующие позиции в среде своих возможных конкурентов. Не малую роль играют также и наши привычки: вы предпочтете купить автомобиль именно с ДВС, а не с другим каким-либо двигателем, пусть даже этот двигатель и будет работать на воздухе.

Но по мере истощения природных источников энергии стремление к всеобщей экономии в энергетике станет неизбежным. Естественно, что при таких обстоятельствах двигатель Стирлинга в сочетании с подзаряжаемой теплоаккумулирующей системой может оказаться доминирующим в двигательных установках для автомобилей и вообще для транспорта.

Можно с уверенностью гарантировать использование двигателей Стирлинга для стационарных энергетических систем в широком диапазоне мощностей. Очевидно, что эти двигатели найдут более широкое применение в тепловых насосах и холодильных системах.

ЛИТЕРАТУРА

• econet.ru , https://econet.ru/articles/148660-elektrostantsii-na-dvigatele-stirlinga-prostota-ekonomichnost-i-ekologicheskaya-bezopasnost

• wikipedia.org , https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга

• autohis.ru , https://autohis.ru/stirling.php

• sovmash.com , https://www.sovmash.com/node/98

• Уокер Г. “Машины, работающие по циклу Стирлинга”, Оксфорд, Университет Калгари, 1978 год, 152 стр.

• Г. Ридер, Ч. Хупер “Двигатели Стирлинга”, Москва, Мир, 1986 год, 464 стр.

• Э.Л.Мышинский, М.А.Рыжков-Дудонов “Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания”, Судостроение, Ленинград, 1976 год, 76 стр.