Двигатель Стирлинга

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

У двигателя внутреннего сгорания есть альтернатива?

Мой проект начался именно с этого вопроса. Конечно, есть. Это внешний двигатель или Двигатель Стирлинга.

Двигатель Стирлинга в наше время не самое распространённое устройство, его увидеть в современном мире большая редкость, хотя используют его в некоторых сферах деятельности, таких как: в современных моделях подводных лодок, автомобильной технике, или даже на космических станциях. Когда запасы нефти будут заканчиваться, в будущем, за счёт своей практичности и высокого КПД двигатели смогут конкурировать с дизельными двигателями. Двигатели могут устанавливаться на мини ТЭЦ или их энергией можно будет питать целый город.

Основой современной цивилизации по праву можно считать двигатели. С их помощью обеспечивается рост производства. Благодаря этим установкам человек получает энергию, свет, тепло, информацию. Экономия в энергетике скоро станет неизбежной, так как природные ресурсы истощаются. В сочетании с подзаряжаемой теплоаккумулирующей системой Двигатель Стирлинга может оказаться главным в двигательных установках для автомобилей и вообще для транспорта при сложившихся обстоятельствах.

Можно отметить широкое применение двигателей Стирлинга в тепловых насосах и холодильных системах. Двигатель Стирлинга используется для стационарных энергетических систем в широком диапазоне мощностей.

Из всего выше сказанного возникает противоречие: идея есть - производства нет.

У двигателя Стирлинга так же есть ключевые характеристики, которые делают двигатели Стирлинга непрактичными для использования в легковых и грузовых автомобилях. У двигателя Стирлинга источник тепла является внешним, то соответственно 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, то есть для того, чтобы выработать полезную работу, так как он не может быстро изменить свою выходную мощность.

Эти недостатки и способствуют тому, что двигатель Стирлинга вряд ли заменит двигатель внутреннего сгорания в автомобилях. Тем не менее, гибридный автомобиль с двигателем Стирлинга может быть целесообразным.

В настоящее время западные фирмы, ведущие разработки в данной области, в основном опираются на теоретические и экспериментальные исследования своих научных подразделений, технических университетов или создают технопарки по разработки отдельных типов машин Стирлинга.

Но на промышленный выпуск данных устройств ни одна страна ещё не вышла.

Не до конца изучен вопрос, дорого, времязатратно. Тем ни менее экологичность двигателя обусловлена экологичностью источника тепла и возможностью обеспечить полноту сгорания топлива.

Проблема: так как разработка двигателя Стирлинга уделено недостаточно времени, экологичные «Стирлинги» сегодня не нашли широкого использования в жизнедеятельности человека.

Над данной проблемой учёные работают уже не один год.

В процессе работы по изучению материалов создания двигателя Стирлинга мною были изучены следующие документы: Научная статья «Двигатели Стирлинга - технологический прорыв в автономной энергетике XXI века». Автор: Н.Г. Кириллов, доктор технических наук, академик Академии военных наук, Заслуженный изобретатель РФ [1]. Научная статья «Стирлинг по-русски» Автор: доктор технических наук В. Нисковских (г. Екатеринбург) [2].

Вывод: к сожалению, на государственном уровне в России разработкой машин Стирлинга никто не занимается. Это связано с общим экономическим спадом, хотя до 1990 года исследования в этой области техники проводились в 15 организациях военно-промышленного комплекса. В настоящее время важно отметить отсутствие в России серийного производства конкурентоспособных энергетических установок мощностью от 1 до 50 кВт.

Разработку и производство данного устройства можно считать новой технологией, которая открывает широкие возможности для снабжения электроэнергией и теплом не газифицированных сельских районов, поселков, фермерских хозяйств, животноводческих ферм, птицефабрик и т.д. Она также поможет решить многие проблемы жилищно-коммунальных хозяйств городов.

Интересный факт! Однажды была продемонстрирована установка, которая функционировала на двадцати вариантах топлива. Без остановки двигателя во внешнюю камеру сгорания подавались бензин, дизельное топливо, метан, сырая нефть и растительное масло – силовой агрегат продолжал устойчиво работать.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Цель проекта: создание трёх моделей двигателя Стирлинга и апробация их работы в домашних условиях.

Задачи проекта:

Проанализировать материал на тему история создания двигателя Стирлинга.

Используя информационные источники провести анализ моделей двигателя Стирлинга.

Подобрать подходящий проект модели двигателя.

Создать действующую модель двигателя Стирлинга в домашних условиях.

В процессе работы были использованы следующие методы:

Метод сбора информации: анализ научной литературы на тему история создания и принцип действия Двигателя Стирлинга.

Метод обработки и анализа моделей двигателя Стирлинга.

Экспериментальный метод: подбор модели Двигателя Стирлинга; сборка, запуск и тестирование готовой модели Двигателя Стирлинга.

Наблюдение.

Объект исследования: перспективность внешнего двигателя.

Предмет исследования: модель двигателя Стирлинга.

Я решил разобраться с данной проблемой, создав свою модель двигателя Стирлинга.

По моему мнению, изучение возможности использования двигателя Стирлинга для работы стационарных энергетических систем и в производстве, является крайне важным вопросом в сфере энергоснабжения.

Гипотезой моей работы явилось предположение, что я изготовлю в домашних условиях действующую модель двигателя Стирлинга.

ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА [3]

Изучив материал по данной теме, я узнал, что двигатель Стирлинга был запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 год (английский патент № 4081 1819). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление узла, который он назвал «эконом».

В современной научной литературе этот узел называется «регенератор». Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. Чаще всего регенератор представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходя через наполнитель в одну сторону, отдаёт тепло регенератору, а при движении в другую сторону отбирает его. Он устанавливается последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.

Двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ) [4]. Это машина, которая работает по замкнутому термодинамическому циклу. Из термодинамики известно, что давление, температура и объём газа взаимосвязаны по закону: PV=nRT

РАБОЧИЙ ЦИКЛ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ [5]

Современная схема классификации и идентификации двигателей Стирлинга включает следующие три признака, которые мною взяты за основу систематизации существующих и будущих форм двигателей:

а) режим работы;

б) способ соединения цилиндров;

в) способ соединения поршней.

Имеются три типа соединения цилиндров.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Поиск, отбор и анализ информационных источников, в том числе и цифровых ресурсов [6], занял определенное количество времени, в итоге я решил собрать три модели двигателя Стирлинга.

1 МОДЕЛЬ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

Данная модель двигателя была собрана из подручных материалов, в частности две жестяные банки, поршень для холодного цилиндра из эпоксидки, для горячего из губки, коленчатый вал и шатуны собраны из скрепок.

Составные части модели двигателя Стирлинга:

Маховик

Арматура двигателя удерживающая коленчатый вал и маховик

Шатун

Шатун

Цилиндр с горячим телом

Топливный отсек

Коленчатый вал

Цилиндр с холодным телом

Вывод: данная модель двигателя Стирлинга запустилась в работу, но вырабатывала, на мой взгляд, не достаточное количество энергии, по причине несовершенства конструкции и примененных материалов. Основными причинами могут быть: большого трения при вращении и большая потеря тепла.

2 МОДЕЛЬ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр весь холодный. В нем перемещается рабочий поршень. Второй цилиндр с одной стороны нагретый, а с другой – холодный, и предназначен для передвижения вытеснителя. Регенератор для перекачки охлажденного газа может являться общим для двух цилиндров, либо может быть включен в устройство вытеснителя.

Вывод: данная модель двигателя Стирлинга заработала, но через несколько минут вышла из строя по причине несовершенства конструкции и примененных материалов.

Недостатки модели, следующие: для обеспечения герметичности цилиндров использован силиконовый герметик который расплавился от контакта с горячим концом цилиндра. Вторым слабым местом оказался шатунный механизм со стороны большого цилиндра и отверстие большого цилиндра, в которое входит шток шатунного механизма: это самая сложная часть конструкции и она время от времени заедала, что приводило к перегреву воздуха.

3 МОДЕЛЬ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

Данная модель двигателя была собрана из готовых деталей, выполненных на заводе.

Эта модель двигателя Стирлинга прошла тест – испытание, не только заработала, но и с её помощью я смог запитать лампочку, которая горела достаточно ярко.

Рис.6 Модель двигателя Стирлинга

Составные части модели двигателя Стирлинга:

Маховик

Электромотор в роли генератора для съема мощности

«Холодный» цилиндр

«Горячий» цилиндр

Подставка под конструкцию двигателя

Место для нагревателя

Потребитель электричества (Лампочка)

Вывод: Данная модель двигателя Стирлинга работает.

Рекомендации по работе с данной моделью: необходимо смазывать ходовые части конструкции для уменьшения трения, пламя горелки должно быть достаточным для того, чтобы двигатель как можно быстрее завёлся и работал продолжительное время.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследуемой работы были получены следующие результаты:

Выяснил, во - первых, на автомобильном рынке двигатель с внешним подводом теплоты сегодня может стать очень популярным, во - вторых, двигатель Стирлинга можно отнести к наиболее экологичным установкам, в - третьих, в настоящее время двигатель Стирлинга стали широко использовать, не только как автомобильные двигатели, но и в качестве криогенных газовых машин, в качестве рефрижераторных установок, а так же как электрогенераторы малой мощности, двигатели для морских судов, подводные энергетические системы, солнечные энергетические установки. Двигатель Стирлинга бесшумный и у него нет выбросов горючих газов.

Выяснил, что существует три основных модели двигателя Стирлинга, которые широко применяются, что обусловлено их компактностью, как преобразователя тепловой энергии, простотой установки, высокой эффективностью в сравнении с другими тепловыми двигателями, широким использованием для превращения в электроэнергию любой теплоты.

Убедился, что на двигатели Стирлинга возлагают большие надежды по созданию солнечных электроустановок. Важным моментом является и то, что Стирлинги выгодно применять для охлаждения датчиков в сверхточных приборах. С помощью двигателя можно запасать энергию, используя в качестве источника тепла теплоаккумуляторы на расплавах солей, может использоваться для преобразования солнечной энергии в электрическую. Преимущества: «Всеядность двигателя», простота конструкции, увеличенный ресурс, экономичность, бесшумность, экологичность.

В процессе анализа имеющейся информации по данной теме, разработал наиболее оптимальный проект модели двигателя, таких проектов получилось три. В ходе работы реализовал каждый из проектов и опробовал их в процессе работы.

Гипотезой моей работы явилось предположение, что я изготовлю в домашних условиях действующую модель двигателя Стирлинга. В ходе работы над проектом моя гипотеза подтвердилась.

Мною сделаны следующие выводы: 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.

Перспективы: в будущем я планирую усовершенствовать свои модели двигателей Стрилинга и довести их до рабочего состояния в каждой из конфигураций, а также применить их для питания потребителей электрической энергии.

Результаты данной работы можно использовать на уроках и внеурочных занятиях физики.

ЛИТЕРАТУРА

«Двигатели Стирлинга - технологический прорыв в автономной энергетике XXI века». Автор: Н.Г. Кириллов, доктор технических наук, академик Академии военных наук, Заслуженный изобретатель РФ.

«Стирлинг по-русски» Автор: доктор технических наук В. Нисковских (г. Екатеринбург).

Двигатель Стирлинга [Электронный ресурс] URL: https://ruwikiorg.ru/wiki/

Роторно–лопастные машины с внешним подводом теплоты [Электронный ресурс] URL: https://www.sites.google.com/site/deltat2011/rldvp/project-definition

Сайт Стирлинг Машины [Электронный ресурс] URL: http://stirlingmotors.ru/

Н. Кириллов, И. Затеев Двигатель Стирлинга. История, перспективы - журнал «Альтернативный киловатт»

Международный научно – исследовательский журнал [Электронный ресурс] URL: https://research-journal.org/technical/mnogotoplivnaya-elektrostanciya-sverxmaloj-moshhnosti-s-teplovym-dvigatelem-vneshnego-sgoraniya-sposobnaya-effektivno-rabotat-v-usloviyax-selskoj-mestno