Двигатель будущего

Высоцкий И.

студент гр. С-15 ГБПОУ СРМК

науч. рук. Лирцман С.К.,

преподаватель ГБПОУ СРМК, г. Ставрополь

Двигатель будущего

Содержание

2024 г.

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.

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

Данный тип двигателей изобретен в девятнадцатом веке не физиком и немехаником, а священником! История Стирлинг-машин невероятна. Они прошли стадию подъема, затем были забыты, однако пережили паровые двигатели, двигатели внутреннего сгорания и снова возродились в двадцатом веке. Сегодня над их созданием трудятся многие инженеры и любители. Стоит отметить, что универсальной методики расчета Стирлинг-машин не существует до сих пор, хотя с момента их изобретения прошло почти два века! Львиная доля технических решений и методик расчета при создании опытных образцов двигателей Стирлинга автоматически становится "ноу-хау" компаний-разработчиков и тщательно скрывается. Двигатели Стирлинга не встретишь в свободной продаже, как газонокосилки или автономные генераторы. При этом "Стирлинги" используются в качестве энергоустановок на космических спутниках, применяются как маршевые двигатели на современных подводных лодках Стирлинг-машины с одинаковым успехом можно "вмонтировать" и в триммер для стрижки газонов, и в марсоход. В конструкции двигателя нет клапанов, распределительных валов, отсутствует система зажигания в ее привычной форме, нет стартера! Некоторые конструкции обладают эффектом самозапуска. Для работы годится любой источник тепла: энергия солнца, навоз, сено, дрова, уголь, нефть, газ, ядерный реактор - подойдет все! И при данной "всеядности" коэффициент полезного действия "Стирлингов" не уступает показателям двигателей внутреннего сгорания. Но и это не все. Стирлинг-машины обратимы. Т.е. подводя тепловую энергию, получаем механическую, раскручивая маховик двигателя вырабатываем холод. В общем чудес и загадок вокруг стирлинг-машин полным-полно. Интересно, неправдали?

Поэтому в данном исследовательском проекте предлагаем изучить принцип работы одного из таких двигателей - Двигателя Стирлинга.

Предмет исследования является двигатель Стирлинга.

Цель работы: изучение модели двигателя Стирлинга и создания его в домашних условиях.

Задачи:

- Использовать информацию из источников, узнать о двигателе Стирлинга, его истории, строении.

- Отобрать нужную информацию и поместить в данный исследовательский проект.

- Разобраться в принципе работы двигателя.

- Узнать, можно ли сделать двигатель Стирлинга в домашних условиях.

- Придумать свою собственную модель двигателя Стирлинга, либо найти способы её создания в интернете.

- Создать двигатель в домашних условиях.

Методы исследования: изучение и анализ работы двигателя, создание рабочей модели, опыт.

Гипотеза: изучая работу двигателя Стирлинга, можем предположить, что возможно создать подобный двигатель в домашних условиях.

1. Теоретическое обоснование.

1.1. Историческая хроника.

Кто такой Роберт Стирлинг, изобретатель ли?

Роберт Стирлинг – шотландский священник, создатель двигателя Стирлинга. Увидев как трудно работать рабочим с тепловым двигателем, он решает улучшить строение данного двигателя, чтобы он стал более безопасным. До этого двигатели взрывались и могли нанести вред из-за горячего пара. 19 сентября 1816 года Стирлинга назначают священником церквиЛэй-Кирив Килмарноке, а уже 21 сентября того же года в Эдинбурге (Шотландия) он патентует устройство называемое «экономайзер» или устройство для экономии тепла. Сегодня это устройство называется регенератор или теплообменник. Регенератор – сердце всех современных Стирлинг-машин. 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 шате для откачки воды. Таким образом, обычный священник внес огромный вклад в развитие двигателестроения.

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-священник 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-конструктора и священника - бесспорный факт. Стирлин 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.

1. 1.2. Развитие двигателя Стирлинга.

Роберт Стирлинг постоянно совершенствовал свой двигатель, работающий на подогретом воздухе. К 1908 г. двигатель Стирлинга был уже настолько усовершенствован, что по обе стороны Атлантического океана широко использовались регенератор и принцип двойного действия в нем. Обсуждение возможных областей применения и перспектив этого двигателя регулярно проводилось в известных журналах, таких, как «труды института инженеров-механиков». С середины XIX в. и до начала первой мировой войны воздушно-тепловые двигатели, как с разомкнутым, так и с замкнутым цикловимели значительный коммерческий успех, удовлетворяя технические потребности человечества в чрезвычайно широком диапазоне. От энергетических установок на судах до приводов швейных машин, насосов и агрегатов для подачи воздуха в церковные органы. Эта последняя область применения была, пожалуй, первым случаем, когда основанием для применения двигателя была бесшумность его работы.

Еще в 1908 г. была предложена солнечная установка для привода водяного насоса с помощью двигателя Стирлинга. Популярность водяных насосов подтверждалась наличием в фирменных каталогах рекомендаций, подписанных такими известными личностями, как король Эдуард VII. Но, несмотря на этот успех, к 20-м годам 19 века интерес к двигателям Стирлинга угас.

И вновь внимание совершенствованию двигателей Стирлинга начинает уделяться с 1937-1938 гг. фирма «Филипс» проявляет интерес к двигателям с замкнутым циклом, работающим на подогретом воздухе и предназначенным для электрогенераторов малой мощности.

А вот с 1948 по 1953 год внимание переключается на холодильные машины. Выясняется, что применение газов с малыми молекулярными массами улучшает рабочие характеристики.

В 1958 по 1962 годы было построено свыше 30 вариантов этого двигателя: подвесной мотор для судов, генератор для спутников, работающий на солнечной энергии, и компактный генератор ГПУ. Другие возможные области применения включали силовые установки для речных и каботажных морских судов, подводных лодок и железнодорожного транспорта.

1963-1968 гг. Усовершенствования процесса сгорания ромбического привода, теплообменников и систем регулирования позволили приступить к созданию более мощных двигателей, которые использовались на морских судах, автобусах.

1968-1978 гг. - это период интенсивных исследований, однако, без крупных достижений, продолжалось усовершенствование автомобильных двигателей, предназначенные для тяжелых грузовиков и автобусов.

С 1978 г. интерес к двигателям возросл примерно в 10 раз. Направление работ во всех областях в большей степени ориентировалось на создание промышленных образцов двигателей, поскольку почти все программы ориентированы на определенную область применения двигателя Стирлинга.

Большой интерес к нему в нынешнее время вызван из-за актуальности вопросов ухудшения экологической обстановки в мире. Сегодня остро стоят такие проблемы как: нехватка энергоресурсов, загрязнение окружающей среды и экономический кризис. На все эти проблемы может сильно, а главное в лучшую сторону, повлиять двигатель Стирлинга.

Двигатель Стирлинга на данный момент на столько востребован, что было создано новое направление в двигателестроении, стирлингостроение. На территории России используют также двигатели Стирлинга в подводных лодках, в космических спутниках и даже в холодильниках, создаются микро-ТЭС на основе данного двигателя, для районов где слишком дорого, либо же невозможно подавать электричество. Тепловые насосы на базе ДС работают подобно кондиционерам. Правда, они используются не для охлаждения помещений или воды, а для нагрева.

Китайцы же только что предъявили миру рабочую установку, которая в ходе демонстрации своих возможностей выдала 102 КВт мощности при температуре источника тепла 530 градусов Цельсия. Впервые генератор такого типа преодолел порог в 100 КВт. При этом размеры двигателя достаточно скромные — его длина всего около дву метров.

1. Принцип действия.

Двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ). Это машина, которая работает по замкнутому термодинамическому циклу. Из термодинамики известно, что давление, температура и объём газа взаимосвязаны по закону:

Свойство газов при нагревании увеличивать объем, а при охлаждении уменьшать его лежит в основе работы двигателя Стирлинга. Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Температурное изменение объёмов в двигателе Стирлинга преобразуется в работу. При этом: отсутствуют клапаны, в рабочем пространстве нет масла, среднее значение давления газа достаточно высокое, тепло передается через стенки цилиндра или теплообменник.

Рабочий цикл двигателя Стирлинга beta-типа:

Имеются три типа соединения цилиндров.

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, 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.

1. Сравнительные характеристики.

У данного двигателя много преимуществ, но все они покрываются существенными недостатками.

Преимущества:

1. «Всеядность»: может работать почти от любых перепадов температур (даже от солнца).

2. Конструкция очень проста и не требует никаких дополнительных механизмов. Двигатель запускается самостоятельно.

3. Двигатель может обеспечить непрерывную работу в сотни тысяч часов.

4. Даёт больший КПД (до 95%), чем тепловые машины на пару.

5. Экологичен: не имеет выхлопа из цилиндров.

Недостатки:

1. За счёт увеличения производительности радиаторов, последует и увеличение механизма в размерах.

2. Материалоёмкость. Требуются дорогие термостойкие сплавы и цветные металлы и высокотехнологическое оборудование.

3. Применение высокого давления.

Поиск, отбор и анализ информационных источников, в том числе и цифровых ресурсов (приложение), занял определенное количество времени, в итоге мы решили собрать классическую модель двигателя гамма – стирлинга.

1. Сборка модели двигателя. Фотоотчёт.

Творческий процесс работы по сборке двигателя и отладке его запуска.

• Подборка модели для сборки.

• Подборка приборов и материалов

• Создание действующей модели двигателя Стирлинга.

Вывод.

Во - первых, новое - это хорошо забытое старое - двигатель с внешним подводом теплоты сегодня может завоевать позиции на рынке автомобилестроения.

Во - вторых, мы сравнили ДВПТ, ДВС, ДИЗЕЛЯ, обнаружив при этом принципиальные отличия:

различия между ДВПТ и ДВС: не нужны топливо и окислитель, а сразу источник тепла - любой и не надо клапанов впуска и выпуска, так как рабочее тело постоянно находится в полостях двигателя.

В - третьих, в настоящее время значительно расширилась область использования двигателей: это не только автомобильные двигатели, но и криогенные газовые машины, рефрижераторные установки, электрогенераторы малой мощности, двигатели для морских судов, подводные энергетические системы, солнечные энергетические установки. Двигатель практически не шумит и позволяет исключает появление горючих газов.

В – четвертых, получилось создать собственную модель, хотя и основы её конструкции были позаимствованы из интернета. Также объяснили все этапы создания двигателя, и теперь каждый, кто ознакомился с данным исследовательским проектом, может сделать собственную модель двигателя Стирлинга. Данный двигатель можно применить в кабинете физики, чтобы дети могли наглядно увидеть принцип работы двигателя. Также к данному двигателю можно подключить какие-то простые механизмы, например насос. Так мы доказали, что модель Стирлинга действительно можно сделать дома и служить она может не только учебной, но и рабочей моделью. Выдвинутая нами гипотеза подтверждена, цель достигнут

Литература.

1. Г.В. Смирнов Двигатели внешнего сгорания Издательство «Знание» Москва 1967.

2. Двигатель Стирлинга- журнал «Аква- Терм» №3 (67) 2012 [Электронный ресурс]. URL: http://www.aqua-therm.ru/articles/articles_247.html

3. Н. Кириллов, И. Затеев Двигатель Стирлинга. История, перспективы- журнал “Альтернативный киловатт” [Электронный ресурс]. URL: http://www.akw-mag.ru/content/view/54/35/

4. Втормет Винница [Электронный ресурс]. URL: http://www.vtormet.vn.ua/info/engine/stirling.html

5. Модели самолётов, авиамодели, чертежи авиамоделей, авиамоделирование [Электронный ресурс]. URL: http://dvigatel- stirlinga.masteraero.ru/dvigatel_stirlinga_2.php

6. Двигатель Стирлинга из мусора-«Steampunker» [Электронный ресурс]. URL: http://steampunker.ru/blog/foreign_workshop/2154.html

7. Сайт СтирлингМашины [Электронный ресурс] URL: http://stirlingmotors.ru/

8. Шариковый двигатель Стирлинга [Электронный ресурс] URL: www.nmri.go.jp/eng/khirata/stirling/testtube01/index.html

9. Форум Стирлинг для начинающих [Электронный ресурс] URL :http://stirlingengine.ukrainianforum.net/t63p15-topic

10. Двигатель Стирлинга. Эксепимент [Электронный ресурс] URL:http://youtu.be/WTmmvs3uIv0

11. Творческая группа “Алхимик” [Электронный ресурс] URL: http://cnhufa.ru/?p=1113 http://ru.wikipedia.org/wiki

12. Двигатель Стирлинга [Электронный ресурс] URL: http://ru.wikipedia.org/wiki

8