ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ГОРОДА МОСКВЫ  «ШКОЛА С УГЛУБЛЕННЫМ ИЗУЧЕНИЕМ АНГЛИЙСКОГО ЯЗЫКА № 000  ИМЕНИ ГЕНЕРАЛА Д. Ф. АЛЕКСЕЕВА»

124498, г. Москва, Зеленоград, ул. Березовая аллея, д. 8А

телефон 8 (499)735-45-31  e –mail: *****@***mos. ru  http://sch1353zg. mskobr. ru

ПРОЕКТ: Двигатель Стирлинга

  Автор проекта:

  ,

  учащийся 7а класса ГБОУ Школа № 000

  Руководители проекта:

  , 

  учитель физики ГБОУ Школа № 000

Зеленоград

2017

Оглавление

Введение  3 стр. Основная часть  Теоретическая часть  5 стр. Исторические сведения  Устройство и принцип работы двигателя Стирлинга Преимущества  и недостатки двигателя Стирлинга Практическая часть  9 стр. Сборка действующей модели двигателя Стирлинга Заключение  10 стр. Применение Выводы Список литературы  11 стр. 

Введение

Двигатели прочно вошли в жизнь человека. Они обеспечивают рост производства, сокращают расстояния. Благодаря двигателям человек получает энергию, свет, тепло.

В связи с тем, что запасы природных источников энергии ограничены, очень скоро встанет вопрос всеобщей экономии в энергетике. При таких обстоятельствах актуальным станет использования и преобразование в электрическую любой свободной энергии. Двигатель Стирлинга может оказаться очень хорошим средством производства электроэнергии в различных районах нашей огромной Страны, так как работать может на любом топливе, в том числе возобновляемом. Данный двигатель для своей работы может использовать геотермальную или солнечную энергию, даже биогаз из очистных сооружений. Способность производить электрическую энергию из возобновляемых ресурсов делает Двигатель Стирлинга машиной будущего «чистого мира».

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Поэтому изучение возможности  использования двигателей Стирлинга для работы стационарных энергетических систем считаю очень важным вопросом и актуальным на сегодняшний день. И я вижу, что эти двигатели вскоре найдут широкое свое применение в энергетике страны.

Цель проекта: разработка и изготовление модели двигателя Стирлинга, которую можно использовать на уроках физики, как наглядное пособие, так  и для проведения опытов, а в будущем для генерирования электроэнергии.

Задачи:

Исследовать материал по данной теме. Познакомиться с принципом работы двигателя Стирлинга. Создать действующую модель двигателя Стирлинга. Провести опыты, демонстрирующие работу двигателя Стирлинга.

Новизна работы - применение двигателя Стирлинга в качестве генерации электроэнергии для электроснабжения населения.

Основная часть Теоретическая часть Исторические сведения

Ромберт Стимрлинг (англ. Robert Stirling) (25 октября 1790, Клог Фарм, Шотландия — 6 июня 1878, Галстон, Шотландия) — шотландский священник, изобретатель двигателя Стирлинга[1].

Стирлинг родился в Клог Фарме недалеко от Метвена, Шотландия. Он был третьим ребёнком в семье, а всего детей было восемь. От отца он унаследовал интерес к конструированию техники, но изучал богословие и стал священником Шотландской Церкви в местечке Лайф Кирк в 1816 году.

В 1819 году Стирлинг вступил в брак с Джиной Рэнкин. У них было семеро детей, двое из них: Патрик Стирлинг и Джеймс Стирлинг стали инженерами по паровозостроению[1].

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[1].

Стирлинг придумал устройство, которое он назвал «эконом тепла» (сейчас такое устройство называют регенератором или теплообменником). Это устройство служит для повышения тепловой эффективности различных процессов. Стирлинг получил патент на двигатель с «экономом тепла» в 1816 году. Двигатель Стирлинга не может взорваться, потому что работает при более низком давлении, чем паровая машина, и не может причинить ожоги паром. В 1818 он построил первый практичный вариант своего двигателя и использовал его в насосе для откачки воды из карьера[1].

В дальнейшем Стирлинг вместе со своим братом Джеймсом получил ещё несколько патентов на усовершенствование воздушного двигателя. А в 1840 году Джеймс построил большой воздушный двигатель для привода всех механизмов в своей литейной компании[1].

Устройство и принцип работы двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга был запатентован шотландским 27 сентября 1816 года (английский патент № 000). 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»[1].

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. Регенератор может быть внешним по отношению к цилиндрам, а может быть размещён на поршне-вытеснителе в бета - и гамма-конфигурациях. В последнем случае размеры и вес машины оказываются меньше. Частично роль регенератора выполняет зазор между вытеснителем и стенками цилиндра (при длинном цилиндре надобность в таком устройстве вообще исчезает, но появляются значительные потери из-за вязкости газа). В альфа-стирлинге регенератор может быть только внешним. Он устанавливается последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня[1].

В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин[1].

Теоретических основ работы двигателя Стирлинга — цикл Стирлинга — не существовало до тех пор, пока не появились работы Сади Карно. Карно разработал и опубликовал в 1825 году общую теорию работы тепловых двигателей — Цикл Карно, из которой цикл Стирлинга строится аналогичным образом[2].

Двимгатель Стимрлинга — тепловая машина, в которой рабочее тело, в виде газа или жидкости, движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла[2].

Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу. Нагрев и охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производится рекуператором. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое рекуператором, одинаково. Полезная работа производится только за счёт изотерм, т. е. зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно[2].

где: a — вытеснительный поршень; b — рабочий поршень; с — маховик; d — огонь (область нагревания); e — область охлаждения.

Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам). Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру. Воздух остывает и сжимается, поршень опускается вниз. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется. В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При сдвиге 0 машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение) и не вырабатывает её[2].

2.1.2. Преимущества  и недостатки двигателя Стирлинга

Любая модель двигателя Стирлинга имеет много плюсов[3]:

    КПД при современном проектировании может доходить до семидесяти процентов. В двигателе нет системы высоковольтного зажигания, распределительного вала и клапанов. Его не нужно будет регулировать в течение всего срока эксплуатации. В двигателях Стирлинга нет того взрыва, как в ДВС, который сильно нагружает коленвал, подшипники и шатуны. Благодаря простоте прибора его можно эксплуатировать в течение длительного времени. Он может работать как на дровах, так и с ядерным и любым другим видом топлива. Сгорание происходит вне мотора.

Недостатки[2]:

    Главным минусом конструкции является ее материалоемкость. Рабочее тело нужно охлаждать, из-за чего габариты существенно увеличиваются. Для получения равных с ДВС характеристик необходимо использовать высокое давление. К рабочему телу тепло подводят через стенки теплообменников, у которых ограниченная теплопроводность. Чтобы изменить мощность двигателя, изменяют объем буферной емкости, среднее давление рабочего тела, фазного угла между вытеснителем и поршнем.

Выводы: Явные преимущества, которые имеет поршневой и роторный двигатель Стирлинга, заключающиеся в большом ресурсе работы, применении разного топлива, бесшумности и малой токсичности, делают его очень перспективным на фоне мотора внутреннего сгорания.



Практическая часть Сборка действующей модели двигателя Стирлинга

Используемые материалы:

крышки (жестяные) – 0 руб., скрепки (упаковка) - 45 руб, резиновая перчатка – 0 руб., шприц – 20 руб., картон плотный – 0 руб., фольга – 0 руб., эпоксидный клей  - 130 руб., DVD диск – 0 руб., клей момент быстросохнущий – 0 руб., термоклей – 0 руб., трубка из картона – 0 руб.

Итого – 195 руб.

.

Используемы в работе инструменты: пассатижи, баночка и проволочка для смеси клея (эпоксидного), ножницы, нож.



Заключение Применение

Результатом работы стала готовая действующая мини-модель двигателя Стирлинга.

Данную модель двигателя при доработке можно применить в качестве привода генератора постоянного тока, способного работать даже от солнечной энергии (путём нагрева с помощью зеркальной системы). А также ее можно использовать на уроках физики, как наглядное пособие, так  и для проведения опытов.

Выводы

Преимущества данной модели двигателя Стирлинга:

1.        Работает от любого источника тепла, имеющего температуру более 60˚С.

2.        Малошумная.

3.        Выполняет экологические задачи.

4.        Позволяет провести доработки для возможного выполнения функции генерации электроэнергии.

Собранная модель двигателя Стирлинга  является простым и очень дешевым устройством. Собранную модель можно использовать как наглядное пособие на уроках физики, что вызывает интерес обучающихся, повышает их познавательную активность, делает обучение наглядным, понятным, интересным.  В будущем данная модель двигателя сможет генерировать электроэнергию, которую можно будет использовать в различных областях.



Список литературы Сайт https://ru. wikipedia. org/wiki/Стирлинг,_Роберт Сайт http://tm. spbstu. ru/Двигатель_Стирлинга(Двигатель_внешнего_сгорания) Сайт http://fb. ru/article/222893/dvigatel-stirlinga-printsip-rabotyi-nizkotemperaturnyiy-dvigatel-stirlinga-foto , Физика. 7 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений - М.: Дрофа,2016. , Физика. 8 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений - М.: Дрофа,2014.