Двигатель Стерлинга
Автор: Пигалина Юлия Валентиновна
Организация: МБОУ «Школа №169»
Населенный пункт: г.Нижний Новгород
Автор: Клюев Николай Станиславович
Организация: МБОУ «Школа №169»
Населенный пункт: г.Нижний Новгород
Введение.
В наше время, существует большое количество двигателей, их возможности растут и с каждым годом видов становится всё больше.
Их история идёт с давних времён: живая сила, водяное колесо, ветряные мельницы, паровые двигатели, двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели. Некоторые изних уходят в прошлое по разным причинам. Основная из них: изобретение нового, более мощного механизма.
В работе я рассматриваю двигатель, изобретённый относительно давно, по сей день активно эксплуатируется – Двигатель Стирлинга. Поэтому тема моей работы актуальна.
Цель работы -рассказать о двигателе, истории его изобретения, принципе работы, так как в данный момент многие о таком виде двигателя не знают, но его принцип применяется сегодня. Например: в производстве энергетических установок«TODEM», «ToshibaCorp», «MitsubishiElectricCorp», которые производят фирмы разных стран, таких как Германия («BoschGroup»), Италия(«MerloniTermosanitariGroup»), Япония («Rinnai»), США(«Infinia»), и другие. В последние 15-20 лет в мире начала формироваться новая перспективная отрасль машиностроения – стирлингостроение.
Как пример: в 2005 году впервые в мире в Китае был создан экспериментальный энергетический модуль (рисунок № 1) мощностью 250 кВт с 5 двигателями Стирлинга, работающими на биогазе из городских твердых бытовых отходов (ТБО). Испытания прошли успешно.
Рисунок № 1
В своей работе я попытаюсь сделать свой прототип, и сравнить его с покупным изделием.
2 История создания
Говоря об истории создания, начнём с изобретателя:Роберт Стирлинг (рисунок № 2) – шотландский священник 19 века, который был обеспокоен травматизмом рабочих-прихожан при работе с паровыми двигателями.
Рисунок № 2
Вышесказанные машины часто взрывались из-за того, что материалом, из которого машины сделаны был чугун, а также они не выдерживали огромного давления пара в механизме. Не смотря на большие научные достижения того времени, на тот момент ещё не было более прочных материалов для изготовления. Священник обладал техническими знаниями, поэтому решил усовершенствовать конструкцию теплового двигателя. В 1818 году Стирлингом был разработан первый рабочий прототип. Он усовершенствовал систему, добавив в неё очиститель, в технической литературе называвшийся теплообменником. Благодаря этому сильно возросла производительность мотора благодаря удержанию его в тепле. Эта модель для того времени была признана самой прочной, поскольку никогда не взрывалась. Впоследствии аналог использовался для откачки воды из карьеров.
3 Принцип работы
Для понятия принципа работы разберемся в его строении. В нашем случае будет описан тип «бета», наиболее простой и подходящий для описания работыпревращения тепловой энергии в механическую. Состоит он из вытиснительного и рабочего поршней, маховика (рисунок №3). Основана же работа двигателя на разнице температур и давления газа (воздуха).Цикл работы происходит в 4 этапа (рисунок № 4).
- Внешний источник тепла нагревает газ (воздух) в правой части теплообменного цилиндра. Расширяющийся газ(воздух) толкает рабочий поршень влево (вытиснительный поршень неплотно прилегает к стенкам).
- Маховик толкает вытиснительный поршень вправо, тем самым перемещая разогретый газ(воздух) из правой части в охлаждающую камеру.
- Газ(воздух) остывает и сжимается, рабочий поршень перемещаетсявправо.
- Вытиснительный поршень движется влево, тем самым перемещая охлаждённый газ (воздух) в правую часть. И цикл повторяется.
Рисунок № 3
Рисунок № 4
Вместо обыкновенного воздуха, в рабочую часть машины мог помещаться такой газ как водород или гелий.
Работа двигателя, зачастую, представлена кручением маховика, что и будет рассмотрено в данной работе.
К плюсам можно отнести простоту его производства, требование для работы только легкогорючих ресурсов и простота в обслуживании.
Из минусов можно выделить крайне малую мощность по сравнению с остальными видами двигателей и его малую компактность.
4 Практическая часть
Итак, попробуем разобрать самодельный и покупной виды двигателей.
Разница глобальна, так как самодельный был сделан из подручных средств, а покупной был сделан на заводе с помощью точной техники. Вдобавок, я не отталкивался от расчёта по формулам и не имею практику создания подобных механизмов.
Подготовительная часть работы состоит из приобретения теплообменного цилиндра (в моём случае стеклянной пробирки), изготовления рабочего и вытиснительных поршней, подбор маховика и других креплений, а также сборки модели двигателя.
Я попытался сделать двигатель Стирлинга. У меня получилась большая конструкция (видеоролик № 1)
Видеоролик № 1
Итогом можно заметить, что двигатель у меня не запустился.
Из тех ошибок, которые я допустил, я заметил следующие:
-слишком длинный шпиль для поршня,
- слишком тяжёлая конструкция поршня,
- ненадёжное крепление вала,
- просачивание нагретого воздуха через поршень,
- слишком длинный ход поршня для используемого объема воздуха.
Исходя из этих недостатков, можно понять, что двигатель мне запустить не удалось.
Покупной же вариант не имеет таких недостатков, и поэтому работает корректно. Надёжность конструкции, лёгкость поршня, отсутствие просачивания воздуха из конструкции позволяют ему нормально работать(видеоролик № 2).
Видеоролик № 2
5. Заключение
В итоге можно сказать, что создание двигателя Стирлинга, которое произошло ещё в позапрошлом веке, сегодня не ограничивается обычной демонстрацией превращения тепловой энергии в механическую, ипринцип его используетсядо сих пор. Необходимо отметить, что ознакомление с теорией является обязательным условием перед началом создания проекта и проведения опыта.
Механизм – двигатель Стирлинга – важная ветвь в эволюции двигателей, его теория имеет в современном мире большое значение, что подтверждается современным развитием технологий встирлингостроении.
Я продемонстрировал опыт создания таких механизмов – за счёт нагрева воздуха в колбе и изменения давления при его дальнейшем охлаждении поршень был приведён в возвратно-поступательное движение, в следствие чего маховику придано вращательное действие.
Модификация двигателей Стирлинга под биотопливо: торф, отходы сельского хозяйства, лесоперерабатывающей промышленности открывает новые возможности для снабжения электроэнергией и теплом не газифицированных сельских районов, поселков, фермерских хозяйств, а также решить многие проблемы ЖКХ городов.
6. Список используемых источников
1. Н.Г. Кириллов, доктор технических наук, академик Академии военных наук, Заслуженный изобретатель РФ «Двигатели Стирлинга - технологический прорыв в автономной энергетике XXI века»// Деловой, научно-технический журнал «Современное машиностроение» («Sovmash.com»).2022. www.sowmash.com
2. Справочник автолюбителя «Ремонт и тюнинг»Справочник автолюбителя «Ремонт и тюнинг» https://farcopb.ru/dvigatel/stirlinga-shema.html
3. Википедия www.ru.m.wikipedia.org