XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Двигатель Стирлинга
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
В наши дни запасы традиционного топлива (нефть, газ) сокращаются, все основные не возобновляемые энергоресурсы рано или поздно будут исчерпаны. Так, по данным разных источников, при существующем уровне добычи и потреблении топлива, доказанных запасов нефти хватит на 35 года, а природного газа – на 50 лет. Как результат, газ, бензин, дизельное топливо дорожает. Производство топливных материалов сопровождается выбросом соединений тяжелых металлов, серы, азота, углекислого газа, хлора, диоксидов. Они вызывают у человека болезни дыхательной системы. Загрязненная вода, используемая в технологических процессах производства, после очистных сооружений попадает в естественные водоемы. Вода периодически насыщается вредными веществами, что приводит к ухудшению ее качества. Это все наносит грандиозный урон экологии. Поэтому применение альтернативных источников энергии – не только перспективно, а единственно возможный способ выживания человечества и вопрос об использовании нетрадиционных источников энергии является одним из самых важных в современном мире.
Цель исследования: Изучить назначение, устройство и принцип действия двигателя Стирлинга и создать его модель.
Объект исследования: двигатель Стирлинга.
Цель:
1.Изучить историю создания двигателя.
2. Изучить разновидности двигателей Стирлинга.
3. Собрать двигатель Стирлинга.
4. Сделать выводы по проведенной работе
Кто такой Роберт Стирлинг
Роберт Стирлинг родился в Клог Фарме 25 октября 1790 года, недалеко от Метвена, Шотландия. Он был третьим ребёнком в семье, а всего детей было восемь. От отца Роберт унаследовал интерес к конструированию техники, но изучал богословие и стал священником Шотландской Церкви в местечке Лайф Кирк в 1816 году. Роберт Стирлинг был весьма обеспокоен травматизмом рабочих, работающих в его приходе с паровыми двигателями. Эти двигатели часто взрывались из-за низкого качества металла, из которого они изготавливались. Более прочного материала в те годы не существовало. Стирлинг решил усовершенствовать конструкцию теплового двигателя, сделав его более безопасным. Двигатель Стирлинга был впервые запатентован 27 сентября 1816
Двигатель Стирлинга: конструкция и принцип работы
Двигатель Стирлинга выполняет преобразование тепловой энергии, получаемой из внешнего источника, в механическое движение благодаря изменению температуры жидкости, циркулирующей в закрытом объеме.
Существует множество разновидностей двигателей Стирлинга, но обычно в его состав входит вытеснительный и рабочий поршни, а также маховик.
Принцип работы двигателя Стирлинга состоит из 4-х этапов.
Первый этап. Происходит нагрев воздуха в основании цилиндра. Разогретый внутри его воздух создает давление, которое заставляет рабочий поршень двигаться вверх.
Второй этап. Приведенный в действие маховик с помощью толкающей штанги двигает вытеснительный поршень вниз, который в свою очередь выдавливает разогретый воздух вверх в охлаждающую камеру.
Третий этап. В камере воздух остывает и сжимается, давая возможность рабочему поршню опуститься вниз.
Четвертый этап. Цикл возобновляется.
1-Цилиндр
2-Область нагрева
3-Горячий теплообменник
4-Область охлаждения
5-Холодный теплообменник
6-Рабочий поршень
7-Вытеснительный поршень
8-Маховик
Преимущества и недостатки двигателя Стирлинга
Преимущества: двигатель Стирлинга способен функционировать на разном топливе, для него важно наличие перепада температуры и не имеет значение, каким топливом он вызван.
Конструкция двигателя чрезвычайно проста. Ей не требуются дополнительных систем и не нужен стартер, поскольку двигатель запускается самостоятельно. Особенности конструкции обеспечивают длительную эксплуатацию: больше 100 тысяч часов постоянной работы.
Двигатели Стирлинга экономичны и малошумные, что впоследствии было использовано при создании двигателей для подводных лодок.
В цилиндрах мотора не возникают процессы, оказывающие вредное воздействие на природную среду. При подборе оптимального источника тепла мотор Стирлинга может стать экологически чистым устройством.
Недостатки: Высокотемпературная стойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняет процесс изготовления двигателя. Значительные потери тепла в теплообменнике снижают эффективность двигателя, а применение специфических материалов делают изготовление двигателя дорогим.
Высокий вес и большие габариты двигателя, поскольку для эффективного охлаждения надо применять большой радиатор.
Для того чтобы двигатель Стирлинга мог конкурировать с новыми двигателями внутреннего сгорания, необходимо использование водорода или гелия, что делает эксплуатацию такого двигателя опасным.
Трудно наладить серийное производство, поскольку конструктивно двигатель требует использования большого количества материалов.
Разновидности двигателя Стирлинга
1.1
2.1
Существуют различные варианты устройства силовых агрегатов, действующих по принципу Стирлинга.
А
1.1-Холодный поршень
1.2-Горячий поршень
2.1-Цилиндр с холодным поршнем
2.2-Цилиндр с горячим поршнем
3.1-Холодный теплообменник
3.2-Горячий теплообменник
3.1
льфа:
3.2
1.2
2.2
Э
2.1
тот двигатель включает в себя два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень расположен в отдельном цилиндре. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике.
1-Рабочая камера
2.1-Область охлаждения
2.2-Область нагрева
3.1-Рабочий поршень
3.2-Вытеснительный поршень
1
Бета:
3.1
3.2
2.2
В конструкцию входит одна рабочая камера. Она одновременно подвергается нагреву и охлаждению. Нагреву подвергается один край рабочей камеры, охлаждению – второй. Под действием изменения давления воздуха или газа находящегося в рабочей камере перемещается поршень.
Первый цилиндр
Второй цилиндр
2.1-Рабочий поршень
2.2-Вытеснительный поршень
3-Ренегератор
Гамма:
3
2.2
2.1
1.1
1.2
Отличием конструкции являются два рабочих цилиндра отдельно стоящие друг от друга. Есть поршень и «вытеснитель», но при этом – один холодный цилиндр (там движется поршень, с которого снимется мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (здесь движется вытеснитель). Регенератор соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром.
Области применения двигателя Стирлинга
Области применения двигателя Стирлинга варьируются от механической тяги до систем отопления и охлаждения и выработки электроэнергии.
В наши дни двигатели Стирлинга переживают второе рождение во много благодаря их уникальным экологическим характеристикам.
Одно из перспективных направлений современной энергетики использование двигателя Стирлинга в когенерационных установках (это установка, которая вырабатывает два вида энергии одновременно – обычно электрическую и тепловую энергию). Это позволяет одновременно обеспечивать электроэнергией и теплом небольшие районы.
Мало шумность двигателя Стирлинга еще в 60-е годы привлекла внимание разработчиков подводных лодок в ряде стран. В результате в 1988 году шведская субмарина класса «Никкен» была оснащена воздух независимыми двигателем Стирлинга.
Двигатель Стирлинга находит свое применение и в солнечной энергетике. Они могут использоваться для преобразования солнечной энергии в электричество, позволяя использовать ее в бытовых целях или для питания электронных устройств.
Машины Стирлинга могут обеспечить охлаждение на любом температурном уровне в диапазоне от температуры окружающей среды до уровня, близкого к абсолютному нулю. Что может быть полезно в сохранении или замораживании скоропортящихся продуктов и приготовлении льда.
Практическая часть. Создание двигателя Стирлинга
Выбор материалов
1.Кусок фанеры
2.Банка из-под горошка
3.Банка
4.Шланги
5.Стальная вата.
6.Спицы
7.Консервные банки
8.Пластиковая карта.
9.Банки из-под горшка.
10.Банка из-под ананасов.
11.Крышки от бутылки.
12.Балон от освежителя воздуха.
13.Воздушый шарик.
14.Крышка от молочной продукции.
15.Вязальна спица.
16.CD диски.
17.Герметик.
18.Супер клей.
19.Электроды.
Выбор инструмента
1.Шуруповерт.
2.Ножовка.
3.Пласкогубцы.
4.Паяльник.
5.Нож.
6.Отвертка.
7.Натфили.
8.Ножницы.
9.Пинцет.
Описание конструкции
1.Подставка.
Подставка выполнена из фанеры ошкуренной наждачной бумагой.
2.Концентратор тепла.
Концентратор тепла сделан из банки из-под горошка.
3.Водяная рубашка.
Водяная рубашка сделала из банки из-под ананасов.
4.Вытеснительный цилиндр.
Вытеснительный цилиндр сделан из банки из-под газировки
5.Вытеснительный поршень.
Вытеснительный поршень сделан из вязальной спицы, двух крышек с отверстиями, стальной ваты намотанной вокруг вязальной спицы а также электродов, закрепляющих крышки от жестяных банок.
6.Заглушка вытеснительного цилиндра.
Заглушка вытеснительного цилиндра выполнена из обрезанной банки из-под газировки, в которой проделаны 2 отверстия под трубки и 1 для спицы поршня, который закрепляет втулка из пластиковой карты.
7.Крепление для рабочего цилиндра.
Крепление для рабочего цилиндра сделано из банки из-под газировки в котором проделано 2 рабочих отверстия и два отверстия для крепления коленчатого вала.
8.Рабочийпоршень.
Рабочий поршень сделан из обрезанной банки из-под освежителя воздуха, а в качестве мембраны рабочего поршня выбран воздушный шарик.
9. Коленвал.
Колен вал выполнен из толстой вязальной спицы согнутой в определенны местах, держатели кален вала сделаны из крышечек из-под бутылок
10.Маховик.
Маховик сделан из склеенных между собой CD дисков.
Технологическая карта изготовления двигателя Стирлинга.
1Шаг делаем подставку.
Подставку мы сделали из куска фанеры, разделив его на 5 разных частей.
В верхней и задней части подставки выполнены отверстия в 35мм под концентратор тепла, также в верней части выполнено отверстие диаметром 70мм под вытеснительный поршень.
2 Шаг делаем концентратор тепла .
Концентратор тепла мы сделали из банки, из-под горошка обрезав донышко и сделав отверстие под выхлопную трубу. Выхлопная труба состоит из обрезанной жестяной банки, концы которой соединены вместе.
3 Шаг вытеснительный цилиндр.
Вытеснительный цилиндр состоит из 3 частей
1.Часть цилиндр
Для него мы обрезали банку из-под газировки.
2 Часть вытеснительный поршень
Вытеснительный поршень находится в цилиндре. Для того чтобы сделать поршень из жестяных банок мы вырезали крышки 55мм для ограничителей, ограничители мы закрепили клеммами на вязальную спицу оставив между ограничителями 40мм, и между ограничителями намотали стальную вату.
3Часть заглушка цилиндра
Заглушку выполнили из обрезанной банки, в дне которой проделаны 2 отверстия под шланги и 1 под спицу поршня. Для герметизации поршня мы сделали втулку из пластиковой карты. Шланги и втулку мы приклеили на герметик.
4Шаг водяная рубашка
Водяная рубашка сделана из банки из-под ананасов, в дне которой выполнено отверстие под цилиндр. Ее мы прикрепили на цилиндр герметикам.
5Шаг верхняя часть
Её мф сделали из банки из-под газировки просверлив 2 отверстия диаметром 15мм в верхней части и одно диаметром 55мм посередине, крепеж мы приклеили к цилиндру.
6 Шаг рабочий поршень
Для рабочего поршня мы обрезали баллон для освежителя воздуха и прикрепили к крепежу для колен вала на холодную сварку. Для мембраны мы обрезали шарик, и к нему приклеили крышку от молочной продукции.
7Шаг колен вал
Его мы сделали из толстой спицы согнутой в определенных местах, прикрепив его спицей к вытеснительному поршню и к мембране рабочего поршня. К держателю колен вала мы прикрепили его с помощью крышек от бутылки.
8Шаг маховик
Для его создания мы склеили между собой CD диски и прикрепили на колен вал.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Работая над этим проектом, я изучил теоретический материал, из которого узнал, устройство и принцип действия двигателя Стирлинга, историю его создания, назначение, а так же насколько он может быть востребован.
В настоящее время двигатели Стирлинга – не очень распространены. Но, мне кажется, в ближайшее время они найдут своё применение. На сегодняшний день двигатели Стирлинга уже используются во многих отраслях деятельности человека. В будущем они могут устанавливаться на мини ТЭЦ, а когда запасы нефти будут заканчиваться, из-за своей практичности и высокой работоспособности они смогут конкурировать с дизельными двигателями.
В ходе выполнения работы была изготовлена действующая модель двигателя Стирлинга из подручных материалов. Машина прошла тест – испытание, с её помощью смогли запитать лампочку, которая горела достаточно ярко.
По итогам испытания сделал вывод:
-
Двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур.
-
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.
-
Двигатель не имеет выхлопа из цилиндров, а это значит, что уровень его шума гораздо меньше, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Моя модель двигателя может применяться на уроках физики для изучения и демонстрации альтернативных способов получения энергии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
-
Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе. – М.: Мир, 1987. – 224 с.
-
Уокер Д. Двигатели Стирлинга. – М.: Машиностроение, 1985. – 408 с.
-
Новое покрытие // В мире науки. – 1987. – № 7. – С. 85-86.
-
На старте — двигатель внешнего сгорания // В мире науки. – 1989. – № 3. – С. 13-14.
-
Камен Д. Чистая энергетика // В мире науки. – 2007. – № 1. – С. 58-67.
-
Уолкер Дж. «Домашний» вариант двигателя Стирлинга из подручных материалов // В мире науки. – 1990. – № 3. – С. 76-80.
-
Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 1. Механика. Молекулярная физика. – М., Наука, 1986. – 432 с.