Творческий учебный проект по технологии Модель двигателя Стирлинга.

Тюменский муниципальный район

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

Боровская средняя общеобразовательная школа

Творческий учебный проект по технологии

Модель двигателя Стирлинга.

Руководитель: Дуванов А.Л.

Боровский, 2019

Содержание.

лист

1.Выбор и обоснование проекта ………………………………… 1

2.Осознание основной проблемы области ………………………2

3.Обоснование конкретной потребности ……………………….3

4.Историческая справка ……………………………………..… …4

5.Варианты конструкций …………………………..…………… .5

6.Конструкция изделия. Спецификация ……………………….. 6

7.Требования к изделию …………..……………………………… 7

8.Используемые материалы и оборудование ………………… …8

9.Технология изготовления ……………………………………… 9

10.Экономический расчет …………………………………………10-11

11.Экологическое обоснование ……………………………………12

12.Достоинства и недостатки конструкции ………………… …13

13. Вывод ……………………………………………………………13

Приложение

Выбор и обоснование проекта.

В течении продолжительного времени, я интересовался различными приборами, а также схемами механических и электроприборов. Наткнувшись на чертеж и описание прибора - Двигатель Стирлинга-

я был заинтересован в том, чтобы изучить его подробнее. Просмотрев несколько статей, и поняв? что представляет из себя данный прибор.

Я решил сделать его, попутно составив подробную документацию, и изучить дополнительный материал.

Двигатель Стирлинга представляет из себя машину, которая функционирует за счет совершения воздухом, внутри рабочей камеры, полезной работы. По своему устройству, машина является двигателем внешнего сгорания, то есть топливо сгорает не внутри рабочей камеры, а снаружи.

Осознание основной проблемы области.

Область двигателестроения- является одной из ведущих отраслей тяжелой промышленности в мире. Так как различные виды и классы двигателей применяются людьми повсеместно. Основными являются электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания. Рассмотрим преимущества и недостатки данных машин:

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС):

Преимущества-

1. Высокая дальность передвижения без дозаправки.

2. Относительно малый вес, возможность иметь запас топлива(топл.бак)

Недостатки-

1. Малый КПД.

2. Загрязнение окружающей среды.

3. Нет возможности рекуперации* энергии.

4. Обязательное наличие КПП.

Электродвигатель:

Преимущества-

1. Малый вес самого двигателя.

2. Нет необходимости в КПП.

3. КПД высокий.

4. Имеется возможность рекуперации энергии.

Недостатки-

1. Малая дальность движения без подзарядки.

2. Долгий процесс зарядки.

3. Малый срок службы батареи.

4. Вес батареи.

5. Быстрый износ двигателя, так как имеются истирающиеся компоненты.

Рассмотрев данные виды двигателей, можем придти к выводу, что у каждого вида есть как свои минусы так и свои плюсы. Рассмотрим третий тип двигателей, к которым и относится двигатель Стирлинга:

Двигатель внешнего сгорания:

Преимущества-

1. Возможность использования всех видов топлива.

2. Низкий уровень шума при работе.

3. Для работы двигателя кислород практически не нужен.

4. Экономичен в производстве.

Недостатки-

1. Мощность двигателя очень сильно зависит от габаритов установки.

Из всего этого можем сделать вывод: двигатель Стирлинга отличная альтернатива уже использующимся видам, у него есть свои недостатки, но в основном он не уступает своим конкурентам.

Обоснование конкретной потребности.

Целью данного проекта я ставлю изготовление макета данной тепловой машины, для проведения экспериментов с ней в области физики и технологии, а также для демонстрации отличной альтернативы уже использующихся машин. Затратив на изготовление минимум средств.

После изготовления и написания необходимой документации, мной будут проведены следующие эксперименты:

1. Измерение КПД получившегося изделия.

2. Подключение к двигателю в качестве нагрузки генератора, что позволит определить какое кол-во электроэнергии способен выдавать данный прибор.

3. Тест на износоустойчивость.

4. На уровень шума (с помощью шумомера)

5. Тест на автономность получившегося прибора.

Историческая справка.

А теперь немного о создателе данного изобретения.

Роберт Стирлинг- шотландский священник, запатентовал устройство, которое он назвал Двигатель Стирлинга, в 1816 году. Роберт с ранних лет имел тягу г техническому прогрессу, его интересовали книги, связанные с механикой, наукой, а также богословие. Изобретения Роберта широко применялось в эпоху паровых машин, так как намного превосходило паровые двигатели, которые очень часто взрывались от высоких давлений. Стирлинг сотрудничал с другим изобретателем — Томасом Мортоном, который предоставлял Стирлингу всё своё оборудование и инструменты для проведения опытов. Они оба интересовались астрономией. У Мортона Стирлинг научился шлифовать линзы, после чего изобрел ряд оптических приборов.

Варианты конструкции.

Двигатель Стирлинга бывает нескольких видов, рассмотрим их все:

α- Стирлинг.

Этот двигатель включает в себя два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень расположен в отдельном цилиндре. Холодный цилиндр расположен в "холодильнике", а горячий нагревается.

β- Стирлинг.

В одном цилиндре расположены оба поршня. С одной стороны цилиндр нагревается, с другой охлаждается.

γ-Стирлинг.

Состоит из двух цилиндров, один полностью холодный, другой нагрет с одной стороны, охлажден с другой.

Рассмотрев варианты, и обдумав конструкцию двигателя я пришел к выводу, что для меня будет лучшим выборов α- Стирлинг, так как удовлетворяет моим конструктивным требованиям.

Требования к изделию.

Мое изделие должно отвечать поставленным мною требованиям, быть относительно простым в изготовление, и малозатратным в экономическом плане. Для этого я изучил список возможных материалов, а также попробовал изготовить тестовый образец, с применением различных технологий.

Для изготовления изделия нужно точно рассчитать размеры и габариты каждой детали так, чтобы в общей конструкции они занимали свое строго отведенное место. Так как у меня опыта в изготовлении таких машин не было, я взял за основу материал найденный в интернете.

Материалы которые хорошо подходят для изготовления моего изделия:

1. Древесина, именно фанера.

2. Тонколистовой металл, именно жесть.

3. Сталь, для изготовления коленвала.

4. Пластик.

5. В качестве герметизирующего компонента- жаростойкий силиконовый герметик на основе уксуса.

Габариты и форма.

Я выбрал α тип двигателя, который по своей конструкции довольно компактен и практичен. Для себя я установил, что готовое изделие не должно быть слишком большим и громоздким, должно помещаться на моем рабочем столе,с учетом дополнительных приборов, и иметь лаконичный внешний вид.

Технология изготовления.

Технология изготовления представлена в приложении .

Экономический расчет.

Итого: 595 руб.

Для получения более точных результатов расчетов, проведем дополнительные расходы:

Затраты на электроэнергию, рассчитываются по формуле:E= Р∙Т ∙С,

где E- затраченная энергия,P- мощность эл. прибора,T- время проведенное за работой,C- стоимость 1кВт эл. энергии.

E= 0.35 кВт * 0.08 ч. * 2.78 кВт/ч = 0.07 руб.

Дальше определим себестоимость изделия по формуле:

C= M+ E+ЗП+ О+ А

Где М- расходы на материалы, Е- расходы на электроэнергию, ЗП- расходы на заработную плату, О- отчисления на налоги, А- прочие расходы.

Рассчитаем ЗП:

ЗП= Осн.+ Доп.

Осн- основная зарплата.

Доп- дополнительная зарплата (премия)

Осн.=100% * М.

Осн= 595 руб.

Доп.= 10% от Осн.

Доп= 595 * 0.1= 59.5 руб.

ЗП= 595+59.5=654.5 руб.

О= 20% * ЗП = 654.5 * 0.2=130.9 руб.

А=20% * (М+Е+ЗП+О)= 0.2 * (595+0.07+654.5+130.9)= 276 руб.

С=595+0.07+654.5+130.9 +276= 1656 руб.

Определим цену изделия:

Ц= С+ П+ НДС

П- прибыль.

НДС- налог на добавленную стоимость.

П= 20% * С= 0.2 * 1656= 331 руб.

НДС= 20% * (С+ П)= 0.2 * (1656+ 331)= 397 руб.

Ц= 1656+ 331+ 397= 2384 руб.

Вывод: стоимость моделей сходных по характеристикам с моей, в магазинах начинается от 5000 руб., так что считаю одну из поставленных целей выполненной- двигатель получился недорогой по затратам, и для своей стоимости, он обладает достаточной для моих нужд мощностью.

Экологическое обоснование.

Двигатель Стирлинга использует в качестве рабочего тела обычный воздух,

а материалы, из которых он изготовлен, являются вредными лишь при их изготовлении. Топливо необходимое для работы данного двигателя подходит любое, так что безопасность окружающей среды будет зависеть от выбора именно его. Я в своем проекте, в качестве топлива использую спирт, вредных выделений после его сгорания не будет. Все отходы после обработки материалов были утилизированы соответствующим способом.

При изготовлении модели двигателя Стирлинга, я использовал фанеру, которая состоит из слоев шпона натурального дерева, склеенных между собой, окружающей среде фанера вреда не наносит.

Металл, используемый мной, также не наносит вред окружающей среде, т.к. не выделяет вредных веществ, а отходы, образовывающиеся при работе, были отправлены на переработку.

Пластик- материал, который нуждается в правильной утилизации, так что все пластиковые отходы были утилизированы, и отправлены на переработку.

Силиконовый герметик я использовал на основе уксуса, при его застывании уксус испаряется, не нанося вред окружающей среде. Сам силикон для окружающей среды безвреден.

Достоинства и недостатки изделия.

После проведения работы над данным изделием, мною были выделены следующие недостатки и достоинства:

Достоинства "+":

1. Невысокая стоимость изготовления.

2. Эргономичность и прочность конструкции.

Недостатки "-":

1. Кропотливость и трудность изготовления некоторых узлов модели.

2. Использование несовершенных материалов, привело к достижению не максимального КПД данной модели.

Вывод о проделанной работе.

В качестве вывода, могу заметить, что изделие получилось достойное, удовлетворяющее поставленные мною требования. В дальнейшем планируется модернизация и доработка данной конструкции и поддержание ее в работоспособном варианте.