Двигатель стирлинга из двс своими руками. Как сделать двигатель Стирлинга в домашних условиях? Последний шаг, создание топки

Всем привет! Сегодня я хочу представить вашему вниманию самодельный двигатель, который любую разницу температур преобразовывает в механическую работу:

Двигатель Стирлинга
— тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело 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. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Представляю вашему вниманию свой двигатель, сделанный по картинках из Интернета:

Увидев это чудо, у меня возникло желание его сделать)) Тем более на просторах Интернета оказалось много чертежей и конструкций двигателя. Скажу сразу: сделать- не трудно, но отрегулировать и добиться нормальной работы- немного проблематично. У меня он нормально заработал только с третьего раза (надеюсь вы так мучиться не будете)))).

Принцип работы двигателя стирлинга:

Все сделано из материалов, доступных каждому мозгочину:

Ну и как же без размеров)))

Каркас двигателя сделан из проволоки от скрепок. Все неподвижные соединения проволоки-паяные()

Вытеснитель (диск который перемещает воздух внутри двигателя) — из чертежной бумаги и склеен суперклеем (внутри он полый):

Чем меньше зазор между крышками и вытеснителем в верхнем и нижнем положении, тем больше кпд двигателя.

Шток вытеснителя- из вытяжной заклепки (изготовление: акуратно вытянуть внутреннюю часть и если надо- зачистить наждачной бумагой нулевкой; внешнюю часть приклеить к верхней «холодной» крышке шляпкой вовнутрь). Но у этого варианта есть недостаток- нет полной герметиности и есть небольшое трение, хотя капля моторного масла поможет от него избавиться.

Цилиндр поршня- горлышко от обыкновенной пластиковой бутылки:

Кожух поршня сделан из медицинской перчатки и закреплен нитью, которую после намотки нужно пропитать суперклеем для надежности. По центру кожуха приклеен диск из нескольких слоев картона, на котором закреплен шатун.

Коленвал- из тех же скрепок, что и весь каркас двигателя. угол между коленами поршня и вытеснителя- 90 градусов. Рабочий ход вытеснителя- 5мм; поршня- 8мм.

Маховик- состоит из двух CD дисков которые приклеены на картонный цилиндр и посажены на ось коленвала.

Итак, хватит нести всякий бред представляю вам видео работы двигателя
:

Трудности, которые у меня возникали, в основном были связаны с избыточним трением и отсутствием точных размеров конструкции. в первом случае капля моторного масла и центровка коленвала исправляла ситуацию, то во втором- приходилось полагаться на интуицию))) Но как видите все вышло(правда 3 раза полностью переделывал двигатель))))

Если у вас возникли вопросы- пишите в коментариях, разберемся)))

Спасибо за внимание)))

Двигатель Стирлинга, некогда известный, был надолго забыт из-за широкого распространения другого мотора (внутреннего сгорания). Но сегодня о нем слышно все больше. Может быть, у него есть шансы стать более популярным и найти свое место в новой модификации в современном мире?

История

Двигатель Стирлинга — это тепловая машина, которая была изобретена в начале девятнадцатого века. Автором, как понятно, был некий Стирлинг по имени Роберт, священник из Шотландии. Устройство представляет собой двигатель внешнего сгорания, где тело движется в замкнутой емкости, постоянно меняя свою температуру.

Из-за распространения другого вида мотора о нем почти забыли. Тем не менее, благодаря своим преимуществам, сегодня двигатель Стирлинга (своими руками многие любители сооружают его дома) снова возвращается.

Основное отличие от двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что энергия тепла приходит извне, а не вырабатывается в самом двигателе, как в ДВС.

Принцип работы

Можно представить замкнутый воздушный объем, заключенный в корпусе, имеющем мембрану, то есть поршень. При нагревании корпуса воздух расширяется и совершает работу, выгибая таким образом поршень. Затем происходит охлаждение, и он вгибается снова. В этом состоит цикл работы механизма.

Немудрено, что термоакустический двигатель Стирлинга своими руками многие изготавливают в домашних условиях. Инструментов и материалов для этого требуется самый минимум, который найдется в доме у каждого. Рассмотрим два разных способа, как легко его создать.

Материалы для работы

Чтобы сделать двигатель Стирлинга своими руками, понадобятся следующие материалы:

• жесть;
• спица из стали;
• трубка из латуни;
• ножовка;
• напильник;
• подставка из дерева;
• ножницы по металлу;
• детали крепежа;
• паяльник;
• пайка;
• припой;
• станок.

Это все. Остальное — дело нехитрой техники.

Как сделать

Из жести готовят топку и два цилиндра для базы, из которых будет состоять двигатель Стирлинга, своими руками изготовленный. Размеры подбирают самостоятельно, учитывая цели, для которых предназначено это устройство. Предположим, что мотор делается для демонстрации. Тогда развертка главного цилиндра составит от двадцати до двадцати пяти сантиметров, не более. Остальные части должны подстраиваться под него.

На верху цилиндра для передвижения поршня делают два выступа и отверстия диаметром от четырех до пяти миллиметров. Элементы выступят в роли подшипников для расположения кривошипного устройства.

Далее делают рабочее тело мотора (им станет обычная вода). К цилиндру, который сворачивают в трубу, припаивают кружочки из жести. В них проделывают отверстия и вставляют трубки из латуни от двадцати пяти до тридцати пяти сантиметров в длину и диаметром от четырех до пяти миллиметров. В конце проверяют, насколько герметичной стала камера, залив ее водой.

Далее приходит черед вытеснителя. Для изготовления берут заготовку из дерева. На станке добиваются, чтобы она обрела форму правильного цилиндра. Вытеснитель должен быть немногим меньше диаметра цилиндра. Оптимальную высоту подбирают уже после того, как двигатель Стирлинга своими руками будет сделан. Потому на данном этапе длина должна предполагать некоторый запас.

Спицу превращают в шток цилиндра. По центру деревянной емкости делают отверстие, подходящее под шток, вставляют его. В верхней части штока необходимо предусмотреть место для шатунного устройства.

Затем берут трубки из меди длиной четыре с половиной сантиметра и диаметром два с половиной сантиметра. Кружок из жести припаивают к цилиндру. По бокам на стенках делают отверстие для сообщения емкости с цилиндром.

Поршень также подгоняют на токарном станке под диаметр большого цилиндра изнутри. Наверху подсоединяют шток шарнирным способом.

Сборку заканчивают и настраивают механизм. Для этого поршень вставляют в цилиндр большего размера и соединяют последний с другим цилиндром меньшего размера.

На большом цилиндре сооружают кривошипно-шатунный механизм. Фиксируют часть двигателя при помощи паяльника. Основные части закрепляют на деревянном основании.

Цилиндр наполняют водой и под низ подставляют свечку. Двигатель Стирлинга, своими руками сделанный от начала и до конца, проверяют на работоспособность.

Второй способ: материалы

Двигатель можно сделать и другим способом. Для этого понадобятся следующие материалы:

• консервная банка;
• поролон;
• скрепки;
• диски;
• два болта.

Как сделать

Поролон очень часто используют, чтобы сделать дома простой не мощный двигатель Стирлинга своими руками. Из него готовят вытеснитель для мотора. Вырезают поролоновый круг. Диаметр должен быть немного меньше, чем у консервной банки, а высота — чуть более половины.

По центру крышки проделывают отверстие для будущего шатуна. Чтобы он ходил ровно, скрепку сворачивают в спиральку и паяют к крышке.

Поролоновый круг посередине пронизывают тонкой проволокой с винтом и фиксируют его сверху шайбой. Затем соединяют кусок скрепки пайкой.

Вытеснитель вталкивают в отверстие на крышке и соединяют банку с крышкой путем пайки для герметизации. На скрепке делают маленькую петлю, а в крышке — еще одно, более крупное отверстие.

Жестяной лист сворачивают в цилиндр и спаивают, а потом прикрепляют к банке настолько, чтобы щелей не осталось совсем.

Скрепку превращают в коленчатый вал. Разнос при этом должен быть ровно девяносто градусов. Колено над цилиндром делают слегка больше другого.

Остальные скрепки превращаются в стойки для вала. Делается мембрана следующим образом: цилиндр оборачивают в пленку из полиэтилена, продавливают и крепят ниткой.

Шатун изготавливается из скрепки, которую вставляют в кусок резины, и готовую деталь прикрепляют к мембране. Длина шатуна делается такой, чтобы в нижней валовой точке мембрана была втянутой в цилиндр, а в высшей — вытянута. Таким же образом делается и вторая деталь шатуна.

Затем один приклеивают к мембране, а другой — к вытеснителю.

Ножки для банки можно также сделать из скрепок и припаять. Для кривошипа используют CD-диск.

Вот и готов весь механизм. Осталось лишь под него подставить и зажечь свечку, а затем дать толчок через маховик.

Заключение

Таков низкотемпературный двигатель Стирлинга (своими руками сооруженный). Конечно, в промышленных масштабах такие приборы изготавливаются совсем другим способом. Однако принцип остается неизменным: происходит нагрев, а затем охлаждение воздушного объема. И это постоянно повторяется.

Напоследок посмотрите эти чертежи двигателя Стирлинга (своими руками его можно сделать без особых навыков). Может быть, вы уже загорелись идеей, и вам захочется сделать что-либо подобное?

Можно, конечно купить красивые заводские модели двигателей Стирлинга, как например, в этом китайском интернет-магазине. Однако, иногда хочется творить самому и сделать вещь, пусть даже из подручных средств. На нашем сайте уже есть несколько вариантов изготовления данных моторов, а в этой публикации ознакомьтесь с совсем простым вариантом изготовления в домашних условиях.

Посмотрите ниже 3 варианта для самостоятельного изготовления.

Дмитрий Петраков по многочисленным просьбам отснял пошаговую инструкцию по сборке мощного, относительно своих габаритов и потребляемого количества тепла двигателя Стирлинга. В этой модели задействованы доступные каждому зрителю и распространённые материалы – обзавестись ими способен любой желающий. Все размеры, представленные в этом ролике, автор подбирал на основе многолетнего опыта работы со Стирлингами такой конструкции, и для данного, конкретного экземпляра они являются оптимальными.

В этой модели задействованы доступные каждому зрителю и распространённые материалы, благодаря чему обзавестись ими способен любой желающий. Все размеры, представленные в этом ролике, подбирал на основе многолетнего опыта работы со Стирлингами такой конструкции, и для данного, конкретного экземпляра они являются оптимальными.

C чувством, толком и расстановкой.

Мотор Стирлинга в работе с нагрузкой (водяная помпа).

Водяная помпа, собранная в качестве рабочего прототипа, предназначена для работы в паре с моторами Стирлинга. Особенность насоса заключается в небольших затратах энергии, требуемых для совершения им работы: такая конструкция задействует лишь небольшую часть динамического внутреннего рабочего объёма двигателя, и тем самым по минимуму влияет на его производительность.

Мотор Стирлинга из консервной банки

Для его изготовления вам понадобятся подручные материалы: банка из под консервов, небольшой кусок поролона, CD-диск, два болтика и скрепки.

Поролон – одни из самых распространенных материалов, которые используются при изготовлении моторов Стирлинга. Из него делается вытеснитель двигателя. Из куска нашего поролона вырезаем круг, диаметр его делаем на два миллиметров меньше внутреннего диаметра банки, а высоту немного больше ее половины.

В центре крышки просверливаем отверстие, в которое вставим потом шатун. Для ровного хода шатуна делаем из скрепки спиральку и припаиваем ее к крышке.

Поролоновый круг из поролона пронизываем посередине винтиком и застопориваем его шайбой сверху и снизу шайбой и гайкой. После этого присоединяем путем пайки отрезок скрепки, предварительно распрямив ее.

Теперь втыкаем вытеснитель в сделанное заранее отверстие в крышке и герметично пайкой соединяем крышку и банку. На конце скрепки делаем небольшую петельку, а в крышке просверливаем еще одно отверстие, но чуть-чуть больше, чем первое.

Из жести делаем цилиндр, используя пайку.

Присоединяем с помощью паяльника готовый цилиндр к банке, так, чтобы не осталось щелей в месте пайки.

Из скрепки изготавливаем коленвал. Разнос колен нужно сделать в 90 градусов. Колено, которое будет над цилиндром по высоте на 1-2 мм больше другого.

Из скрепок изготавливаем стойки под вал. Делаем мембрану. Для этого на цилиндр надеваем полиэтиленовую пленку, немного продавливаем ее внутрь и закрепляем на цилиндре ниткой.

Шатун который нужно будет приделать к мембране, изготавливаем из скрепки и вставляем его в обрезок резины. По длине шатун нужно сделать таким, чтобы в нижней мертвой точке вала мембрана была втянута внутрь цилиндра, а в высшей – напротив – вытянута. Второй шатун настраиваем так же.

Шатун с резиной приклеиваем к мембране, а другой присоединяем к вытеснителю.

Присоединяем паяльником ножки из скрепок к банке и на кривошип пристраиваем маховик. Например, можно использовать СД-диск.

Двигатель Стирлинга в домашних условиях сделан. Теперь осталось под банку подвести тепло – зажечь свечку. А через несколько секунд дать толчок маховику.

Как сделать простой двигатель Стирлинга (с фотографиями и видео)

www.newphysicist.com

Давайте сделаем двигатель Стирлинга.

Мотор Стирлинга – это тепловой двигатель, который работает за счет циклического сжатия и расширения воздуха или другого газа (рабочего тела) при различных температурах, так что происходит чистое преобразование тепловой энергии в механическую работу. Более конкретно, двигатель Стирлинга представляет собой двигатель с рекуперативным тепловым двигателем с замкнутым циклом с постоянно газообразным рабочим телом.

Двигатели Стирлинга имеют более высокий КПД по сравнению с паровыми двигателями и могут достигать 50% эффективности. Они также способны бесшумно работать и могут использовать практически любой источник тепла. Источник тепловой энергии генерируется вне двигателя Стирлинга, а не путем внутреннего сгорания, как в случае двигателей с циклом Отто или дизельным циклом.

Двигатели Стирлинга совместимы с альтернативными и возобновляемыми источниками энергии, поскольку
они могут становиться все более значительными по мере роста цен на традиционные виды топлива, а также в свете таких проблем, как истощение запасов нефти и изменение климата.

В этом проекте мы дадим вам простые инструкции по созданию очень простого двигателя

DIY Стирлинга с использованием пробирки и шприца

.

Как сделать простой движок Стирлинга – Видео

Компоненты и шаги, чтобы сделать моторчик Стирлинга

1. Кусок лиственных пород или фанеры

Это основа для вашего двигателя. Таким образом, он должен быть достаточно жестким, чтобы справляться с движениями двигателя. Затем сделайте три маленьких отверстия, как показано на рисунке. Вы также можете использовать фанеру, дерево и т.д.

2. Мраморные или стеклянные шарики

В двигателе Стирлинга эти шарики выполняют важную функцию. В этом проекте мрамор действует как вытеснитель горячего воздуха от теплой стороны пробирки к холодной стороне. Когда мрамор вытесняет горячий воздух, он остывает.

3. Палки и винты

Шпильки и винты используются для удержания пробирки в удобном положении для свободного перемещения в любом направлении без каких-либо перерывов.

4. Резиновые кусочки

Купите ластик и нарежьте его на следующие формы. Он используется для того, чтобы надежно удерживать пробирку и поддерживать ее герметичность. Не должно быть утечек в ротовой части пробирки. Если это так, проект не будет успешным.

5. Шприц

Шприц является одной из самых важных и движущихся частей в простом двигателе Стирлинга. Добавьте немного смазки внутрь шприца, чтобы поршень мог свободно перемещаться внутри цилиндра. Когда воздух расширяется внутри пробирки, он толкает поршень вниз. В результате цилиндр шприца перемещается вверх. В то же время мрамор катится к горячей стороне пробирки и вытесняет горячий воздух и заставляет его остывать (уменьшать объем).

6.
Пробирка Пробирка является наиболее важным и рабочим компонентом простого двигателя Стирлинга. Пробирка изготовлена ​​из стекла определенного типа (например, из боросиликатного стекла), обладающего высокой термостойкостью. Так что его можно нагревать до высоких температур.

Как работает двигатель Стирлинга?

Некоторые люди говорят, что двигатели Стирлинга просты. Если это правда, то так же, как и великие уравнения физики (например, E = mc2), они просты: на поверхности они просты, но богаче, сложнее и потенциально очень запутаны, пока вы их не осознаете. Я думаю, что безопаснее думать о двигателях Стирлинга как о сложных: многие очень плохие видео на YouTube показывают, как легко «объяснить» их очень неполным и неудовлетворительным образом.

На мой взгляд, вы не можете понять двигатель Стирлинга, просто создав его или наблюдая за тем, как он работает извне: вам нужно серьезно подумать о цикле шагов, через которые он проходит, что происходит с газом внутри, и как это отличается из того, что происходит в обычном паровом двигателе.

Все, что требуется для работы двигателя, – это наличие разницы температур между горячей и холодной частями газовой камеры. Были построены модели, которые могут работать только с разницей температуры 4 ° C, хотя заводские двигатели, вероятно, будут работать с разницей в несколько сотен градусов. Эти двигатели могут стать наиболее эффективной формой двигателя внутреннего сгорания.

Двигатели Стирлинга и концентрированная солнечная энергия

Двигатели Стирлинга обеспечивают аккуратный метод преобразования тепловой энергии в движение, которое может привести в движение генератор. Наиболее распространенная схема состоит в том, чтобы двигатель был в центре параболического зеркала. Зеркало будет установлено на устройство слежения, чтобы солнечные лучи фокусировались на двигателе.

* Двигатель Стирлинга как приемник

Возможно, вы играли с выпуклыми линзами в школьные годы. Сосредоточение солнечной энергии для сжигания листа бумаги или спички, я прав? Новые технологии развиваются день ото дня. Концентрированная солнечная тепловая энергия приобретает все большее внимание в эти дни.

Выше приведен короткий видеофильм о простом двигателе с пробиркой, использующим стеклянные шарики в качестве вытеснителя и стеклянный шприц в качестве силового поршня.

Этот простой двигатель Стирлинга был построен из материалов, которые доступны в большинстве школьных научных лабораторий и может быть использован для демонстрации простого теплового двигателя.

Диаграмма давление-объем за цикл

Процесс 1 → 2 Расширение рабочего газа на горячем конце пробирки, тепло передается газу, и газ расширяется, увеличивая объем и толкая поршень шприца вверх.

Процесс 2 → 3 По мере движения мрамора к горячему концу пробирки газ вытесняется из горячего конца пробирки на холодный конец, а по мере движения газа он отдает тепло стенке пробирки.

Процесс 3 → 4 Из рабочего газа отводится тепло, и объем уменьшается, поршень шприца движется вниз.

Процесс 4 → 1 Завершает цикл. Рабочий газ движется от холодного конца пробирки к горячему концу, поскольку мраморные шары вытесняют ее, получая тепло от стенки пробирки, когда она движется, тем самым увеличивая давление газа.

Двигатель Стирлинга, некогда известный, был надолго забыт из-за широкого распространения другого мотора (внутреннего сгорания). Но сегодня о нем слышно все больше. Может быть, у него есть шансы стать более популярным и найти свое место в новой модификации в современном мире?

История

Двигатель Стирлинга — это тепловая машина, которая была изобретена в начале девятнадцатого века. Автором, как понятно, был некий Стирлинг по имени Роберт, священник из Шотландии. Устройство представляет собой двигатель внешнего сгорания, где тело движется в замкнутой емкости, постоянно меняя свою температуру.

Из-за распространения другого вида мотора о нем почти забыли. Тем не менее, благодаря своим преимуществам, сегодня двигатель Стирлинга (своими руками многие любители сооружают его дома) снова возвращается.

Основное отличие от двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что энергия тепла приходит извне, а не вырабатывается в самом двигателе, как в ДВС.

Принцип работы

Можно представить замкнутый воздушный объем, заключенный в корпусе, имеющем мембрану, то есть поршень. При нагревании корпуса воздух расширяется и совершает работу, выгибая таким образом поршень. Затем происходит охлаждение, и он вгибается снова. В этом состоит цикл работы механизма.

Немудрено, что термоакустический двигатель Стирлинга своими руками многие изготавливают в домашних условиях. Инструментов и материалов для этого требуется самый минимум, который найдется в доме у каждого. Рассмотрим два разных способа, как легко его создать.

Материалы для работы

Чтобы сделать двигатель Стирлинга своими руками, понадобятся следующие материалы:

• жесть;
• спица из стали;
• трубка из латуни;
• ножовка;
• напильник;
• подставка из дерева;
• ножницы по металлу;
• детали крепежа;
• паяльник;
• пайка;
• припой;
• станок.

Это все. Остальное — дело нехитрой техники.

Как сделать

Из жести готовят топку и два цилиндра для базы, из которых будет состоять двигатель Стирлинга, своими руками изготовленный. Размеры подбирают самостоятельно, учитывая цели, для которых предназначено это устройство. Предположим, что мотор делается для демонстрации. Тогда развертка главного цилиндра составит от двадцати до двадцати пяти сантиметров, не более. Остальные части должны подстраиваться под него.

На верху цилиндра для передвижения поршня делают два выступа и отверстия диаметром от четырех до пяти миллиметров. Элементы выступят в роли подшипников для расположения кривошипного устройства.

Далее делают рабочее тело мотора (им станет обычная вода). К цилиндру, который сворачивают в трубу, припаивают кружочки из жести. В них проделывают отверстия и вставляют трубки из латуни от двадцати пяти до тридцати пяти сантиметров в длину и диаметром от четырех до пяти миллиметров. В конце проверяют, насколько герметичной стала камера, залив ее водой.

Далее приходит черед вытеснителя. Для изготовления берут заготовку из дерева. На станке добиваются, чтобы она обрела форму правильного цилиндра. Вытеснитель должен быть немногим меньше диаметра цилиндра. Оптимальную высоту подбирают уже после того, как двигатель Стирлинга своими руками будет сделан. Потому на данном этапе длина должна предполагать некоторый запас.

Спицу превращают в шток цилиндра. По центру деревянной емкости делают отверстие, подходящее под шток, вставляют его. В верхней части штока необходимо предусмотреть место для шатунного устройства.

Затем берут трубки из меди длиной четыре с половиной сантиметра и диаметром два с половиной сантиметра. Кружок из жести припаивают к цилиндру. По бокам на стенках делают отверстие для сообщения емкости с цилиндром.

Поршень также подгоняют на токарном станке под диаметр большого цилиндра изнутри. Наверху подсоединяют шток шарнирным способом.

Сборку заканчивают и настраивают механизм. Для этого поршень вставляют в цилиндр большего размера и соединяют последний с другим цилиндром меньшего размера.

На большом цилиндре сооружают кривошипно-шатунный механизм. Фиксируют часть двигателя при помощи паяльника. Основные части закрепляют на деревянном основании.

Цилиндр наполняют водой и под низ подставляют свечку. Двигатель Стирлинга, своими руками сделанный от начала и до конца, проверяют на работоспособность.

Второй способ: материалы

Двигатель можно сделать и другим способом. Для этого понадобятся следующие материалы:

• консервная банка;
• поролон;
• скрепки;
• диски;
• два болта.

Как сделать

Поролон очень часто используют, чтобы сделать дома простой не мощный двигатель Стирлинга своими руками. Из него готовят вытеснитель для мотора. Вырезают поролоновый круг. Диаметр должен быть немного меньше, чем у консервной банки, а высота — чуть более половины.

По центру крышки проделывают отверстие для будущего шатуна. Чтобы он ходил ровно, скрепку сворачивают в спиральку и паяют к крышке.

Поролоновый круг посередине пронизывают тонкой проволокой с винтом и фиксируют его сверху шайбой. Затем соединяют кусок скрепки пайкой.

Вытеснитель вталкивают в отверстие на крышке и соединяют банку с крышкой путем пайки для герметизации. На скрепке делают маленькую петлю, а в крышке — еще одно, более крупное отверстие.

Жестяной лист сворачивают в цилиндр и спаивают, а потом прикрепляют к банке настолько, чтобы щелей не осталось совсем.

Скрепку превращают в коленчатый вал. Разнос при этом должен быть ровно девяносто градусов. Колено над цилиндром делают слегка больше другого.

Остальные скрепки превращаются в стойки для вала. Делается мембрана следующим образом: цилиндр оборачивают в пленку из полиэтилена, продавливают и крепят ниткой.

Шатун изготавливается из скрепки, которую вставляют в кусок резины, и готовую деталь прикрепляют к мембране. Длина шатуна делается такой, чтобы в нижней валовой точке мембрана была втянутой в цилиндр, а в высшей — вытянута. Таким же образом делается и вторая деталь шатуна.

Затем один приклеивают к мембране, а другой — к вытеснителю.

Ножки для банки можно также сделать из скрепок и припаять. Для кривошипа используют CD-диск.

Вот и готов весь механизм. Осталось лишь под него подставить и зажечь свечку, а затем дать толчок через маховик.

Заключение

Таков низкотемпературный двигатель Стирлинга (своими руками сооруженный). Конечно, в промышленных масштабах такие приборы изготавливаются совсем другим способом. Однако принцип остается неизменным: происходит нагрев, а затем охлаждение воздушного объема. И это постоянно повторяется.

Напоследок посмотрите эти чертежи двигателя Стирлинга (своими руками его можно сделать без особых навыков). Может быть, вы уже загорелись идеей, и вам захочется сделать что-либо подобное?

Вытеснил остальные виды силовых установок, однако, работы, направленные на отказ от использования этих агрегатов, наводят на мысль о скорой смене лидирующих позиций.

С начала технического прогресса, когда использование моторов, сжигающих горючее внутри, только начиналось, не было очевидным их превосходство. Паровая машина, как конкурент, содержит в себе массу преимуществ: наряду с тяговыми параметрами, бесшумная, всеядная, легко управляется и настраивается. Но лёгкость, надёжность и экономичность позволили двигателю внутреннего сгорания взять вверх над паром.

Сегодня во главе угла стоят вопросы экологии, экономичности и безопасности. Это заставляет инженеров бросать силы на серийные агрегаты, работающие за счёт возобновляемых источников топлива. В 16 году девятнадцатого века Роберт Стирлинг зарегистрировал двигатель, работающий от внешних источников тепла. Инженеры считают, что этот агрегат способен сменить современного лидера. Двигатель Стирлинга сочетает экономичность, надёжность, работает тихо, на любом топливе, это делает изделие игроком на автомобильном рынке.

Роберт Стирлинг (1790-1878 года жизни):

История двигателя Стирлинга

Изначально, установку разрабатывали с целью заменить машину, работающую за счёт пара. Котлы паровых механизмов взрывались, при превышении допустимых норм давлением. С этой точки зрения Стирлинг намного безопасней, функционирует, используя температурный перепад.

Принцип работы двигателя Стирлинга в поочередной подаче или отборе тепла у вещества, над которым совершается работа. Само вещество заключено в объём закрытого типа. Роль рабочего вещества выполняют газы, либо жидкости. Встречаются вещества, выполняющие роль двух компонентов, газ преобразовывается в жидкость и наоборот. Жидкопоршневой мотор Стирлинга обладает: небольшими габаритами, мощный, вырабатывает большое давление.

Уменьшение и увеличение объёма газа при охлаждении либо нагреве соответственно, подтверждается законом термодинамики, согласно которого все составляющие: степень нагрева, величина занимаемого пространства веществом, сила, действующая на единицу площади, связаны и описываются формулой:

P*V=n*R*T

• P – сила действия газа в двигателе на единицу площади;
• V – количественная величина, занимаемая газом в пространстве двигателя;
• n – молярное количество газа в двигателе;
• R – постоянная газа;
• T – степень нагрева газа в двигателе К,

Модель двигателя Стирлинга:

За счёт неприхотливости установок, двигатели подразделяются: твердотопливные, жидкое горючее, солнечная энергия, химическая реакция и другие виды нагрева.

Цикл

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга, использует одноимённую совокупность явлений. Эффект от протекающего действия в механизме высок. Благодаря этому есть возможность сконструировать двигатель с неплохими характеристиками в рамках нормальных габаритов.

Необходимо учитывать, что в конструкции механизма предусмотрен нагреватель, холодильник и регенератор, устройство, отвода тепла от вещества и возвращения тепла, в нужный момент.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «температура-объём»):

Идеальные круговые явления:

• 1-2 Изменение линейных размеров вещества с постоянной температурой;
• 2-3 Отвод теплоты от вещества к теплообменнику, пространство, занимаемое веществом постоянно;
• 3-4 Принудительное сокращение пространства, занимаемого веществом, температура постоянна, тепло отводится охладителю;
• 4-1 Принудительное увеличение температуры вещества, занимаемое пространство постоянно, тепло подводится от теплообменника.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «давление-объём»):

Из расчёта (моль) вещества:

Подводимое тепло:

Получаемое охладителем тепло:

Теплообменник получает тепло (процесс 2-3), теплообменник отдаёт тепло (процесс 4-1):

R – Универсальная постоянная газа;

СV – способность идеального газа удерживать тепло при неизменной величине занимаемого пространства.

За счёт применения регенератора, часть теплоты остается, в качестве энергии механизма, не меняющейся за проходящие круговые явления. Холодильник получает меньше тепла, таким образом, теплообменник экономит тепло нагревателя. Это увеличивает эффективность установки.

КПД кругового явления:

ɳ =

Примечательно, что без теплообменника совокупность процессов Стирлинга осуществима, но его эффективность будет значительно ниже. Прохождение совокупности процессов задом наперёд ведёт к описанию охлаждающего механизма. В этом случае наличие регенератора, обязательное условие, поскольку при прохождении (3-2) невозможно нагреть вещество от охладителя, температура которого значительно ниже. Так же невозможно отдать тепло нагревателю (1-4), температура которого выше.

Принцип работы двигателя

Что бы понять, как работает двигатель Стирлинга, разберёмся в устройстве и периодичности явлений агрегата. Механизм преобразует тепло, полученное от нагревателя, находящегося за пределами изделия в действие силы на тело. Весь процесс происходит благодаря температурному перепаду, в рабочем веществе, находящемся в закрытом контуре.

Принцип действия механизма базируется на расширении за счёт тепла. Непосредственно до расширения, вещество в замкнутом контуре нагревается. Соответственно, перед тем, как сжаться, вещество охлаждают. Сам цилиндр (1) окутан водяной рубашкой (3), ко дну подается тепло. Поршень, совершающий работу (4) помещен в гильзу и уплотнён кольцами. Между поршнем и дном находится механизм вытеснения (2), имеющий значительные зазоры и свободно перемещающийся. Вещество, находящееся в замкнутом контуре, двигается по объёму камеры за счёт вытеснителя. Перемещение вещества ограничено двумя направлениями: дно поршня, дно цилиндра. Движение вытеснителя обеспечивает шток (5), который проходит через поршень и функционирует за счет эксцентрика с запаздыванием на 90° в сравнении с приводом поршня.

• Позиция «A»:

Поршень расположен в крайнем нижнем положении, вещество охлаждается за счет стенок.

• Позиция «B»:

Вытеснитель занимает верхнее положение, перемещаясь, пропускает вещество через торцевые щели ко дну, сам охлаждается. Поршень стоит неподвижно.

• Позиция «C»:

Вещество получает тепло, под действием тепла увеличивается в объёме и поднимает расширитель с поршнем вверх. Совершается работа, после чего вытеснитель опускается на дно, выталкивая вещество и охлаждаясь.

• Позиция «D»:

Поршень опускается вниз, сжимает охлаждённое вещество, выполняется полезная работа. Маховик служит в конструкции аккумулятором энергии.

Рассмотренная модель без регенератора, поэтому КПД механизма не велико. Тепло вещества после совершения работы отводится в охлаждающую жидкость, используя стенки. Температура не успевает снижаться на нужную величину, поэтому время охлаждения продлевается, скорость мотора маленькая.

Виды двигателей

Конструктивно, есть несколько вариантов, использующих принцип Стирлинга, основными видами считаются:

Конструкция применяет два разных поршня, помещенных в различные контуры. Первый контур используется для нагрева, второй контур применяется для охлаждения. Соответственно, каждому поршню принадлежит свой регенератор (горячий и холодный). Устройство обладает хорошим соотношением мощности к объёму. Недостаток в том, что температура горячего регенератора создает конструктивные сложности.

• Двигатель «β – Стирлинг»:

Конструкция использует один замкнутый контур, с разными температурами на концах (холодный, горячий). В полости расположен поршень с вытеснителем. Вытеснитель делит пространство на холодную и горячую зону. Обмен холодом и теплом происходит путём перекачивания вещества через теплообменник. Конструктивно, теплообменник выполняется в двух вариантах: внешний, совмещённый с вытеснителем.

• Двигатель «γ – Стирлинг»:

Поршневой механизм предусматривает применение двух замкнутых контуров: холодного и с вытеснителем. Мощность снимается с холодного поршня. Поршень с вытеснителем с одной стороны горячий, с другой стороны холодный. Теплообменник располагается как внутри, так и снаружи конструкции.

Некоторые силовые установки не похожи на основные виды двигателей:

• Роторный двигатель Стирлинга.

Конструктивно изобретение с двумя роторами на валу. Деталь совершает вращательные движения в замкнутом пространстве цилиндрической формы. Заложен синергетический подход реализации цикла. Корпус содержит радиальные прорези. В углубления вставлены лопасти с определённым профилем. Пластины надеты на ротор и могут двигаться вдоль оси при вращении механизма. Все детали создают меняющиеся объёмы с выполняющимися в них явлениями. Объёмы различных роторов связаны при помощи каналов. Расположение каналов имеют сдвиг в 90° друг к другу. Сдвиг роторов относительно друг друга составляет 180°.

• Термоакустический двигатель Стирлинга.

Двигатель использует акустический резонанс для проведения процессов. Принцип основан на перемещении вещества между горячей и холодной полостью. Схема уменьшает количество движущихся деталей, сложность в снятии полученной мощности и поддержании резонанса. Конструкция относится к свободнопоршневому виду мотора.

Двигатель Стирлинга своими руками

Сегодня довольно часто в интернет магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого двигателя. Конструктивно и технологично механизмы довольно просты, при желании двигатель Стирлинга легко сконструировать своими руками из подручных средств. В интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчёты и прочая информация на эту тему.

Низкотемпературный двигатель Стирлинга:

• Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, для выполнения которого понадобится консервная банка, мягкая полиуретановая пена, диск, болты и канцелярские скрепки. Все эти материалы легко найти дома, осталось выполнение следующих действий:
• Возьмите мягкую полиуретановую пену, вырежьте на два миллиметра меньшим диаметром от внутреннего диаметра консервной банки круг. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки. Поролон играет роль вытеснителя в двигателе;
• Возьмите крышку банки, в средине проделайте дырку, диаметр два миллиметра. Припаяйте к отверстию полый шток, который будет выполнять, роль направляющей для шатуна двигателя;
• Возьмите круг, вырезанный из пены, вставьте в средину круга винтик и застопорите с двух сторон. К шайбе припаяйте предварительно выпрямленную скрепку;
• В двух сантиметрах от центра просверлите дырочку, диаметром три миллиметра, проденьте вытеснитель через центральное отверстие крышки, припаяйте крышку к банке;
• Сделайте из жести небольшой цилиндр, диаметром полтора сантиметра, припаяйте его к крышке банки таким образом, что бы боковое отверстие крышки оказалось чётко по центру внутри цилиндра двигателя;
• Сделайте коленчатый вал двигателя из скрепки. Расчёт выполняется таким образом, что бы разнос колен был 90°;
• Изготовьте стойку под коленчатый вал двигателя. Из полиэтиленовой плёнки сделайте упругую перепонку, наденьте плёнку на цилиндр, продавите её, зафиксируйте;

• Самостоятельно изготовьте шатун двигателя, один конец выпрямленного изделия выгнете в форме кружка, второй конец вставьте в кусочек ластика. Длина подгоняется таким образом, что бы в крайней нижней точке вала перепонка была втянута, в крайней верхней точке, перепонка максимально вытянута. Настройте другой шатун по такому же принципу;
• Шатун двигателя с резиновым наконечником приклейте к перепонке. Шатун без резинового наконечника закрепите на вытеснителе;
• Наденьте на кривошипный механизм двигателя маховик из диска. К банке приделайте ножки, чтобы не держать изделие в руках. Высота ножек позволяет разместить под банкой свечку.

После того, как удалось сделать двигатель Стирлинга дома, мотор запускают. Для этого под банку помещают зажженную свечку, а после того, как банка прогрелась, дают толчок маховику.

Рассмотренный вариант установки можно быстро собрать у себя дома, как наглядное пособие. Если задаться целью и желанием сделать двигатель Стирлинга максимально приближённый к заводским аналогам, в свободном доступе есть чертежи всех деталей. Пошаговое выполнение каждого узла позволит создать работающий макет ни чем не хуже коммерческих версий.

Преимущества

Для двигателя Стирлинга характерны такие плюсы:

• Для работы двигателя необходим температурный перепад, какое топливо вызывает нагрев не важно;
• Нет необходимости использовать навесное и вспомогательное оборудование, конструкция двигателя простая и надёжная;
• Ресурс двигателя, благодаря особенностям конструкции, составляет 100000 часов работы;
• Работа двигателя не создаёт постороннего шума, поскольку отсутствует детонация;
• Процесс работы двигателя не сопровождается выбросом отработанных веществ;
• Работа двигателя сопровождается минимальной вибрацией;
• Процессы в цилиндрах установки экологически безвредны. Использование правильного источника тепла позволяет сделать двигатель «чистым».

Недостатки

К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

• Трудно наладить серийное производство, поскольку конструктивно двигатель требует использования большого количества материалов;
• Высокий вес и большие габариты двигателя, поскольку для эффективного охлаждения надо применять большой радиатор;
• Для повышения эффективности двигатель форсируют, применяя в качестве рабочего тела сложные вещества (водород, гелий), что делает эксплуатацию агрегата опасным;
• Высокотемпературная стойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняет процесс изготовления двигателя. Значительные потери тепла в теплообменнике снижают эффективность агрегата, а применение специфических материалов делают изготовление двигателя дорогим;
• Для регулировки и перехода двигателя с режима на режим надо применять специальные устройства управления.

Использование

Двигатель Стирлинга нашел свою нишу и активно применяется там, где габариты и всеядность важный критерий:

• Двигатель Стирлинг-электрогенератор.

Механизм преобразования тепла в электрическую энергию. Часто встречаются изделия, используемые в качестве портативных туристических генераторов, установки по использованию солнечной энергии.

• Двигатель, как насос (электрика).

Двигатель применяют для установки в контур отопительных систем, экономя на электрической энергии.

• Двигатель, как насос (обогреватель).

В странах с тёплым климатом двигатель используют как обогреватель для помещений.

Двигатель Стирлинга на подводной лодке:

• Двигатель, как насос (охладитель).

Практически все холодильники в своей конструкции применяют тепловые насосы, устанавливая двигатель Стирлинга, экономятся ресурсы.

• Двигатель, как насос, создающий сверхнизкие степени нагрева.

Устройство применяют в качестве холодильника. Для этого процесс запускают в обратную сторону. Агрегаты сжижают газ, охлаждают измерительные элементы в точных механизмах.

• Двигатель для подводной техники.

Подводные корабли Швеции и Японии работают благодаря двигателю.

Двигатель Стирлинга в качестве солнечной установки:

• Двигатель, как аккумулятор энергии.

Топливо в таких агрегатах, расплавы соли, двигатель применяют, как источник энергии. Мотор по запасу энергии опережает химические элементы.

• Солнечный двигатель.

Преобразуют энергию солнца в электричество. Вещество в данном случае, водород или гелий. Двигатель ставится в фокусе максимальной концентрации энергии солнца, созданного при помощи параболической антенны.

Сравнительный анализ применения двигателя Стирлинга и дизельного генератора для системы электротеплоснабжения объектов в Арктических районах России



Развитие Арктической зоны Российской Федерации в наше время является одним из первостепенных вопросов. Согласно стратегии государственной программы основным направлением объявляется разработка и внедрение новых научных технологий. Климатические условия Арктических районов крайне неблагоприятны для строительства и жизни. Природа Арктики очень хрупка и чувствительна к внешнему вмешательству. Теплогенераторы, применяемые ранее, уже не отвечают новым критериям и поставленным задачам по экологичности. Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой рабочее тело: газ или жидкость, движется в замкнутом объеме. Двигатель имеет преимущества: многотопливность, т. е. возможность работы практически от любого источника теплоты; высокий ресурс и длительный межремонтный период. Таким образом, двигатель Стирлинга является наиболее перспективным для применения в типовых тепловых генераторах в Арктической зоне Российской Федерации.

Ключевые слова: теплоноситель, теплогенератор, двигатель Стирлинга, экологичность.

В связи с утверждением государственной Программы Российской Федерации «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года» [1], проблема инженерной деятельности в этих районах на данный момент является одной из первостепенных.

Согласно Программе на период до 2020 года приоритетными направлениями являются:

 комплексное социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации;

 развитие науки и технологий;

 создание современной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры;

 обеспечение экологической безопасности;

 международное сотрудничество в Арктике.

Таким образом, одним из важнейших параметров является применение новых усовершенствованных технологий, которые позволят получать максимально возможный КПД энергетических установок при минимальном вреде для экологии.

Климатические условия Арктических районов и их влияние на строительство

Тип климата, характерный для Арктического географического пояса и части Субарктики формируется не только в связи с низкими температурами высоких широт, сильным светоотражением снежно-ледяного покрова длительной полярной ночью, но и в связи с отражением тепла в светлое время от снега и льда.

Годовая сумма атмосферных осадков 100–200 мм. В зонах перехода к субарктическому климату развивается циклоническая деятельность, и атмосферные осадки увеличиваются до 400 мм в год [2].

Полярные день и ночь обусловливают крайне неравномерное поступление солнечной радиации в течение года. Радиационный баланс в южных районах Арктики положительный, составляет 420–630 Мдж/(м²·год).

Суровый Арктический климат обусловливает низкую температуру океанических вод. В области распространения дрейфующих льдов в течение всего года температура поверхностного слоя вод (толщиной 100–200 м) близка к минус 2°С [3].

Любая строительная и хозяйственная деятельность в районах вечной мерзлоты сопряжена с большими трудностями. Мерзлотные процессы разрушают сооружения и транспортные пути. Поэтому основные грузы приходится поставлять в холодное время года по зимним дорогам или по водному пути. Любые здания сооружают на сваях, которые при недостаточном заглублении, выталкиваются грунтом и приводят к разрушению здания. Мерзлота сохраняет органические и неорганические вещества и препятствует их разложению. Данный фактор существенно усложняет захоронение промышленных и бытовых отходов. Из-за низких температур медленно происходит самоочищение вод, задерживается восстановление тундровой флоры. В связи с осваиванием труднодоступных Арктических регионов, требуется строительство нефтедобывающих, угольных, газовых и других строительных объектов [4].

Теплогенераторы: внедрение новых технологий

В Арктической зоне сконцентрирована добыча 91 % природного газа и 80 % газа промышленных категорий. Кроме того, на шельфе Баренцева моря разведано одиннадцать месторождений, в том числе четыре нефтяных. В Сибири сосредоточены богатые запасы практически всех ценных металлов: золота, серебра, никеля, молибдена и цинка [5]. Однако на многих разведанных месторождениях добыча не ведется из-за труднодоступности и высокой стоимости разработок. Любая добывающая промышленность требует больших затрат электроэнергии и тепла. На сегодняшний момент в основном для этих целей применяют дизельные генераторы.

Основные технические характеристики дизельных энергоустановок [6]:

 мощность одной установки: 0,10–5,00 МВт;

 напряжение: 0,4–13 кВ;

 срок службы двигателя: 150–300 тыс.ч.;

 КПД (без утилизации теплоты): 0,39–0,47;

 КПД (с утилизацией теплоты): 0,70–0,80;

 диапазон рабочих режимов: 10–110 % от номинальной мощности;

 моторесурс до текущего ремонта: 10–60 тыс. ч.;

 моторесурс до капитального ремонта: 60–100 тыс.ч.;

 затраты на ремонт: 5–20 % от стоимости;

 стоимость установленной мощности: 90–200 $ / кВт;

 уровень шума: не более 88 дБ;

 вредные выбросы (концентрация в отработавших газах, приведенная к 5 % О2):

NO_x: 3400 мг/м3;

СО: 170 мг/м3.

Принцип работы одного цикла дизельного генератора представлен на Рисунке 1.

Рис. 1. Принцип работы дизельного генератора

В настоящий момент основной задачей становится переход на новый технологический уровень, связанный с энергосбережением, экологией и сокращением доли использования традиционных энергоресурсов [7]. В рамках решения этих задач, наиболее перспективным путем является разработка и внедрение двигателей Стирлинга (ДС). В его современных типах заложены новые технические решения, позволяющие снизить их стоимость (применение менее дорогостоящих материалов, а также новые варианты теплоносителей) [8].

ДС — тепловая машина, в которой рабочее тело, движется в замкнутом контуре.

Основные технические характеристики двигателя:

Мощность, вырабатываемая ДС, почти прямо пропорциональна среднему давлению цикла. Поэтому, чтобы получить высокие значения абсолютной и удельной мощности, давление в двигателе должно составлять 10–20 Мпа. КПД ДС может достигать 65–70 % КПД цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. ДС по своей природе обладает низким уровнем шума. По сравнению с сопоставимым дизельным двигателем уровень шума ДС ниже на 18 дБ [9].

Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла (Рис.2). 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 [10].

Рис. 2. Принцип действия двигателя Стирлинга

Преимущества двигателя Стирлинга перед дизельным генератором

Преимущества можно распределить по категориям, освещая основные моменты.

Конструкция, обслуживание и ремонт. Конструкция дизельного генератора сложная, с множеством компонентов и узлов. Работы по техническому обслуживанию следует проводить квалифицированному персоналу с соответствующим оборудованием практически регулярно. Моторесурсы до текущего и капитального ремонтов не велики. ДС отличается тем, что не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Отсутствие многих склонных к износу узлов позволяет обеспечить небывалый для других двигателей запас работоспособности [11,12].

Экономичность. Дизель генераторы отличаются экономичностью в отношении расхода топлива и пожаробезопасности. Для утилизации некоторых видов теплоты, особенно при небольшой разнице температур, ДС часто оказывается самым эффективным видом двигателя. Например, в случае преобразования в электричество солнечной энергии ДС иногда дает больший КПД (21,5 %) [13].

Экологичность. ДС не имеет выброса рабочего тела, а значит уровень его шума гораздо меньше, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания. Бета-Стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, имеет предельно низкий уровень вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм) [14]. Сам по себе ДС не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена, прежде всего, экологичностью источника теплоты [15]. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания. В ДВС полнота сгорания топлива зависит от соответствия химического состава топлива физическим параметрам ДВС. Например, бензин или дизельное топливо всегда сгорают в цилиндрах не полностью, тогда как спирт или сжиженный газ сгорают в ДВС полностью [16].

Источник теплоты. Дизельный генератор работает на дизельном топливе, которое мало того, что является неэкологичным, сопутствует выбросу в атмосферу вредных веществ. ДС может работать от почти любого источника теплоты: например, между разными слоями воды в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя [17]. В качестве местного топлива в Арктических районах для Стирлинг-генераторов может использоваться торф, измельченный уголь и др. В настоящее время в Российской Федерации ежегодно пропадает до 60 млрд. м³ попутного газа, который выходит вместе с нефтью [18]. Собирать его сложно и дорого, использовать в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания нельзя из-за постоянно меняющегося фракционного состава. Однако этот газ может быть приемлемым топливом для энергетических установок с ДС [19].

Таким образом, отпадет необходимость завозить топливо с материка, и не будет наноситься ущерб природе, поскольку минимизируются вредные выбросы. Из данного пункта вытекает преимущество — снижение или исключение затрат на поставки топлива.

Поставка. Поставка ресурсов в районы Крайнего Севера осуществляется водным транспортом или в холодное время года по зимнему пути, в редких случаях воздушным способом. Все виды транспорта являются весьма дорогостоящими. Однако ДС может работать на местном топливе или попутном газе от нефтепромышленности, что в разы снижает стоимость поставок [20].

Выводы

Арктические районы Российской Федерации вышли на новый виток развития, приобретя важное стратегическое значение. За последние 20 лет в данном регионе было обнаружено более 20 крупных месторождений нефти и газа, что делает организацию строительства всей необходимой инфраструктуры для освоения природными ресурсами одной из первостепенных проблем.

Используемые в данный момент теплогенераторы уже не отвечают новым критериям экологической эффективности в системе охраны окружающей среды. Одной из основных задач при освоении данного региона является охрана окружающей среды и предотвращение создания в нем экологически неблагоприятных районов. Именно поэтому разработкой и созданием более экологичных двигателей Стирлинга занимаются во многих странах мира. В плане экологичности доказано серьезное преимущество двигателя Стирлинга перед дизельным генератором. По сравнению с последними они имеют лучшие показатели по токсичности и уровню шума, могут работать практически с любым источником теплоты и т. д. Универсальность двигателя Стирлинга в отношении источника теплоты, в сочетании с высоким КПД позволяет рассчитывать на широкое распространение теплового двигателя этого типа в будущем.

Литература:

1 Постановление Правительства Российской Федерации от 21 апреля 2014 г. № 366 Москва // Интернет-портал «Российской Газеты». URL: http://rg.ru/2014/04/24/arktika-site-dok.html (дата обращения: 11.04.2016).

2 Арктический климат // Федеральный портал Protown. ru. URL: http://protown.ru/information/hide/4328.html (дата обращения: 11.04.2016).

3 Географический атлас России. ПКО»Картография».-М.1998

4 Крайний Север России // География России. URL: http://geographyofrussia.com/krajnij-sever-rossii/ (дата обращения: 11.04.2016).

5 Агалаков С. Е., Беляев С. Ю., Борисова Л. С. и др. Особенности геологического строения и разработки уникальных залежей газа крайнего севера Западной Сибири. — Новосибирск: СО РАН, 2004. — 141 с.

6 Кашкаров А. П. Современные био-, бензо-, и дизель-генераторы и другие полезные конструкции. — Москва: ДМК-Пресс, 2011. — 142с.

7 Двигатель Стирлинга. Кукис В. С., Романов В. А., Петриченко М. Р., Куколев М. И., Дворцов В. С. патент на полезную модель RUS 126372 27.02.2012

8 Кукис В. С., Куколев М. И., Костин А. И., Дворцов В. С., Ноздрин Г. А., Абакшин А. Ю. Перспективы улучшения характеристик двигателей Стирлинга // Двигателестроение. — 2012. — № 3. — С. 3–6.

9 Ридер Г. , Хупер Ч. Двигатели Стирлинга. — Москва: Мир, 1986. — 464с.

10 Уокер Г. Двигатели Стирлинга. — Москва: Машиностроение, 1985. — 401с.

11 Энергоустановка с двигателем Стирлинга. Кукис В. С., Петриченко М. Р., Куколев М. И., Дворцов В. С., Романов А. В. патент на полезную модель RUS 151039 16.06.2014

12 Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга. Москва: Энергия, 1978. — 152 с.

13 Бреусов В. П., Куколев М. И. Серийное производство двигателей Стирлинга // Академия Энергетики. — 2010. — № 3. — С. 58–61.

14 Круглов М. Г., Даниличев В. Н., Ефимов С. И. и др. Двигатели Стирлинга. Москва: Машиностроение, 1997. — 150 с.

15 Бреусов В. П., Куколев М. И. Проектная разработка и технология изготовления двигателей с внешним подводом теплоты, работающих на биогазе // Двигателестроение. — 2009. — № 2. — С. 45–46.

16 Мышинский, Э.Л., Рыжков-Дудонов М. А. Судовые двигатели внешнего сгорания. Ленинград: Судостроение, 1976. — 76с.

17 Куколев М. И., Кукис В. С., Вильдяева С. Н. Обобщенная методика оценки режимов работы теплового накопителя // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. — 2013. — № 2. — С. 169–172.

18 Бреусов В. П., Куколев М. И., Яковлева С. Н., Абакшин А. Ю. Двигатели с внешним подводом теплоты // Двигателестроение. — 2009. — № 3. — С. 41–44.

19 Бреусов В. П., Куколев М. И., Вильдяева С. Н., Абакшин А. Ю. Двигатели с внешним подводом теплоты (продолжение) // Двигателестроение. —2009. —№ 4. —С. 41–45.

20 Бреусов В. П., Куколев М. И. Некоторые разработки двигателей Стирлинга за рубежом // Академия Энергетики. — 2010. — № 5. — С. 72–76.

Основные термины (генерируются автоматически): Российская Федерация, дизельный генератор, Арктическая зона, двигатель, источник теплоты, рабочее тело, уровень шума, внутреннее сгорание, окружающая среда, район.

Двигатель Стирлинга | Образовательная социальная сеть

Слайд 1

Двигатель Стирлинга Работу выполнил: Ученик 9В класса, МАОУ СОШ №27, Жариков Андрей Руководитель: Учитель физики Ивлюшина Ирина Анатольевна

Слайд 2

Цель работы : Провести сравнительную характеристику с другими двигателями Выделить области применения Классифицировать виды Стирлингов Сделать выводы о перспективах их использования

Слайд 3

Задача Выяснить , перспективно ли развитие Двигателя Стирлинга.

Слайд 4

Двигатель Стирлинга — это машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу, в которой циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема. Двигатель Стирлинга Схема и принцип действия двигателя Стирлинга: 1 — цилиндр; 2 — охлаждающая рубашка; 3 — рабочий поршень; 4 — вытеснитель; 5 — шток вытеснителя .

Слайд 5

Двигатель Стирлинга — это не паровой двигатель, но конечно на первый взгляд сходство есть. Главное отличие от паровой машины, в том, что в двигателе не используется пар. В нем нет золотников, парового котла, свечей, нет газораспределительного механизма . Чтобы началась работа, вам потребуется любой источник тепла, будь то солнце, сено, нефть, газ, дрова или ядерный реактор, подойдет все. И даже при подобной всеядности, КПД Стирлинга ни на шаг не уступает показаниям двигателя внутреннего сгорания. И это не последний плюс, Стирлинг двигатели – обратимы. То есть когда подводится тепловая энергия, получается механическая, раскручивается маховик двигателя и вырабатывается холод.

Слайд 6

Как рабочее тело в двигателе Стирлинга используется газ ,а не пар, как в паровых двигателях. Для роботы таких двигателей необходима разница температур . Принцип работы заключается в следующем, часть энергии двигателя расходуется на перемещение газа из зоны нагрева в зону охлаждения, при этом давление газа в системе изменяется и приводит в движение рабочий цилиндр.

Слайд 7

Типы соединения цилиндров: 1) альфа; 2) бета; 3) гамма. Классификация

Слайд 8

Преимущества «Всеядность» двигателя Простота конструкции Экономичность Экологичность

Слайд 9

Недостатки Громоздкость и материалоёмкость Тепло подводится не к рабочему телу Для быстрого изменения мощности двигателя используются способы, отличные от применяемых в двигателях внутреннего сгорания: изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем.

Слайд 10

Автомобильный двигатель Стирлинга Преимущества двигателя Стирлинга основываются прежде всего на непрерывном процессе горения, и эти преимущества следующие: 1.Малые уровни выброса вредных веществ. 2.Экономия топлива. 3. Низкий уровень шума. Эти преимущества делают двигатель Стирлинга весьма привлекательным, но необходимо проделать еще большую исследовательскую работу для надежности некоторых деталей, например, уплотнений жидкости. Когда стоимость и надежность двигателя станут такими же, как и у обычных двигателей, ожидается широкое распространение двигателей такого типа.

Слайд 11

Существует много областей применения для электрогенераторов малой мощности, способных работать автономно в отдаленных районах в течение длительного времени. Уровень их мощности колеблется от 5 Вт до 5 кВт, но особенный Интерес представляет диапазон от 200 до 500 Вт. Такие электрогенераторы требуются для многих целей, но в основном для снабжения электроэнергией систем навигации, таких как маяки и буи, автоматические метеостанции, а также для телеметрии и станций усиления связи. Электрогенераторы малой мощности с двигателем Стирлинга В качестве местного топлива для C тирлинг-генераторов может использоваться торф, измельченный уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности. Электрогенератор мощностью 200 Вт с двигателем Стирлинга воздушного охлаждения. Электрогенератор мощностью 700 Вт с двигателем Стирлинга.

Слайд 12

Использование двигателей Стирлинга для морских судов заслуживает внимания, поскольку легкодоступный источник охлаждения позволяет решить одну из главных трудностей, имеющуюся у автомобильных двигателей Стирлинга. Двигатели для морских судов Будущие возможные области применения двигателей Стирлинга фирмы «Филипс» мощностью около нескольких сотен киловатт как для военных, так и для гражданских целей намечаются всякий раз, когда используемые сейчас дизели становятся непригодными по уровню шума, вибрации и загрязнения воздуха. Однако производство таких двигателей маловероятно по причине большой стоимости их разработок и способности дизелестроительных фирм удовлетворять в настоящее время сравнительно небольшой спрос на эти двигатели.

Слайд 13

Солнечные Стирлинги были разработаны компанией Stirling Energy Systems , а учёные из лаборатории Сандия помогают их совершенствовать. Сам двигатель — замкнутая система, заполненная водородом, который и циркулирует в ней, нагреваясь и охлаждаясь. Изменение в его давлении двигает поршни, которые вращают вал, связанный с электрогенератором . Солнечные энергетические установки Каждая установка работает автоматически. Без вмешательства оператора или даже присутствия человека. Она запускается каждое утро на рассвете и работает в течение дня, отслеживая солнце и переходя «ко сну» на закате.

Слайд 14

Двигатель Стирлинга Двигатель внутреннего сгорания 1)Двигатель обладает простотой конструкции и не требует дополнительных систем и навесного оборудования (ГРМ, стартер, коробка передач). 1)Обязательное наличие КПП,ГРМ 2)Высокая дальность передвижения на одной заправке 2)Особенности устройства гарантируют длительный эксплуатационный ресурс: более ста тысяч часов непрерывной работы. 3)В цилиндрах двигателя не происходят процессы, которые могут оказать негативное воздействие на окружающую среду. 3)Высокое загрязнение окружающей среды 4)Материалоемкость конструкции. Охлаждение рабочего тела требует наличия радиаторов большого объема, что существенно увеличивает размеры и металлоемкость изготовления установки. 4)Простая конструкция 5)КПД 28-30% 5)КПД до 43,5%

Слайд 15

Как загрязняют планету автомобили с двигателями внутреннего сгорания? Количество токсичных компонентов (в г), образующееся при сгорании 1 кг топлива Загрязняющее вещество Бензин Дизельное топливо Оксид углерода 465 21 Углеводороды 23 4 Оксиды азота 15 18 Диоксид серы 2 8 Альдегиды 1 1 Сажа 1 5 Свинец 0,5 0 Всего 507,5 57

Слайд 16

Токсичные компоненты Содержание токсичных компонентов» мг/(л. с. с.) Двигатель Стирлинга Газовая турбина Дизель CO C χ H γ NO χ 0,1 —0,3 0,003—0,006 0 ,7 —0,02 2,0-3,6 0,036 0 ,7 —2 ,0 0,2 — 5,0 0 ,6 — 12,0 0 ,4 — 2,0 Сравнительная таблица

Слайд 17

Вывод Проведенные мной исследования показали , что двигатель Стирлинга имеет большие шансы на развитие. Из-за своей экологичности ,долгосрочности, способности работать на различных видах топлива и применения в различных сферах, а также если двигатель Стирлинга заменит двигатель внутреннего сгорания, то выбросы в атмосферу токсичных веществ уменьшатся в разы. Тем самым предотвратив множество заболеваний. Если мы хотим сохранить планету и быть здоровыми ,то должны развивать альтернативные источники энергии, в том числе и двигатель Стирлинга, который не плохо бы подошел для решения такой серьезной проблемы , как загрязнение окружающей среды.

Слайд 18

Спасибо за внимание!

Слайд 19

Список используемой литературы: http://renewable.com.ua/heat-machines/3-dvigatel-stirlinga.html http://stroy-technics.ru/article/avtomobilnyi-dvigatel-stirlinga http://www.perewosim.ru/auto/engine157.htm https://www.drive2.ru/c/2895880/ https://domolov.ru/moshhnyj-generator-700-vt-na-dvigatele-stirlinga.html http://www.bestreferat.ru/referat-83153.html http://www.membrana.ru/particle/2860

Низкотемпературный перепад — двигатели Стирлинга

Понимание LTD двигателей Стирлинга и их применения

Анимация первого в мире низкотемпературного разностного двигателя Стирлинга. Построен Иво Колином в 1983 году.

Двигатели, которые могут работать на теплой воде или льдине, могут быть трудны для понимания.

Что такое низкотемпературный двигатель Стирлинга?

Разность низких температур Двигатели Стирлинга — это двигатели Стирлинга, которые могут работать на источниках тепла, которые холоднее кипящей воды.

Некоторые модели работают при температуре менее 1 градуса Цельсия.

Краткое изложение этой статьи

Двигатель Стирлинга Eco Power от American Stirling

В статье ниже я расскажу вам историю этих двигателей. Я также подробно объясню, как они работают и почему они иногда подвергаются давлению.

В этой статье будет рассказано об их сегодняшнем использовании в производстве электроэнергии и показано видео о низкотемпературном разностном двигателе мощностью 1500 Вт, которое вы, вероятно, пропустили.

Вы узнаете, на чем должно быть сосредоточено ваше основное внимание при проектировании, если вы решите спроектировать его. Есть несколько дополнительных советов «как построить», которые могут вам понравиться.

Нажмите на любую из ссылок ниже, чтобы перейти к этому разделу:

1. История – Иво Колин
2. Ulta Low Temperary Difference — Джеймс Сенфт
3. Двигатели, работающие на горячей воде
4. Производство электроэнергии
5. Наддув
6. Стоимость за ватт
7. Рекомендации по изготовлению своими руками
8. Моя история о разнице в низких температурах

История – Иво Колин

Первый низкотемпературный двигатель Стирлинга Иво Колина

Чертеж одного из первых низкотемпературных двигателей Иво Колина.

В 1983 году Иво Колин, профессор инженерии Загребского университета в Хорватии, построил первый низкотемпературный двигатель Стирлинга, который работал на источнике тепла, температура которого ниже температуры кипящей воды¹.

Он работал при разнице температур в 15 градусов по Цельсию и представляет собой двигатель, представленный анимацией в верхней части этой страницы.

Важное изобретение

Это было замечательное и важное изобретение, потому что впервые в мировой истории кто-то построил двигатель, который работал бы на источнике тепла холоднее кипящей воды.

Такие фундаментальные инновации, как у профессора Колина, встречаются редко.

Почти никто не заметил

В 1984 году Хорватия была частью Восточной Европы, где доминировал Советский Союз. Доктор Колин не мог стать предпринимателем и продавать свои двигатели, даже если бы захотел.

Д-р Колин смог опубликовать свои выводы в технических журналах на русском и английском языках.

К сожалению, мало кто узнал о его изобретении, кроме технических журналов, в которых он его опубликовал.

Диаграмма PV для идеализированного цикла Стирлинга.

Диаграмма Стирлинга PV, типичная для реального двигателя. Обратите внимание на закругленные углы.

Разность сверхнизких температур – Джеймс Сенфт

Профессор Джеймс Сенфт

Академические журналы пишутся для научных читателей. К счастью, одним из этих академических читателей был профессор физики Висконсинского университета в Ривер-Фолс, доктор Джеймс Сенфт.

Доктор Сенфт понял важность изобретения доктора Колина и решил улучшить и упростить двигатель Колина.

Но у Сенфта был доступ к лучшим инструментам, чем у Колина.

У Зенфта была механическая мастерская, и он умел управлять токарным станком. Колин собирал свои двигатели на кухонном столе, используя только основные ручные инструменты.

Механический КПД важен

Если вы посмотрите на анимацию первого двигателя доктора Колина в верхней части этой страницы, вы заметите, что вытеснитель (на этой анимации зеленый) останавливается и останавливается в левом и правом крайних положениях. своего путешествия.

Это был и остается способ сделать двигатель более термодинамически эффективным.

Двигатель с вытеснителем, который останавливается в крайних точках хода (с использованием подобного механизма или, возможно, с использованием кулачков), будет иметь термодинамический цикл, больше похожий на идеальный цикл с почти острыми углами.

Это важно понимать, но это может не иметь значения при практической конструкции двигателя.

Simplifications by Senft

Доктор Сенфт понял, что механическая эффективность так же важна, как и термодинамическая эффективность¹.

Доктор Сенфт упростил построенные им двигатели, внеся следующие усовершенствования.

1. Маховик перемещен над буйком
2. Буек круглый
3. Устранен механизм времени задержки на обоих концах хода смещения.
4. Снижение трения за счет вертикального подвешивания всех компонентов
5. Шарикоподшипники с низким коэффициентом трения б/у.
6. Используется графитовый поршень с низким коэффициентом трения в прецизионном стеклянном цилиндре.

Д-р Джеймс Сенфт разработал первые низкотемпературные двигатели, которые выглядели так.

Это был двигатель, очень похожий на этот.

Хотите построить свой собственный?

Если вы заинтересованы в создании упрощенной версии этого двигателя, нажмите на следующую ссылку и прокрутите страницу вниз — Двигатели Стирлинга для кофейных чашек.

Двигатели, работающие на горячей воде

Когда вы видите двигатель Стирлинга, работающий на горячей воде, по крайней мере, это выглядит так, как будто горячая вода может быть топливом, особенно если вода слишком горячая, чтобы в нее можно было засунуть палец.

Но двигатели Стирлинга можно даже заставить работать на воде, которая просто нагревается от ваших теплых рук.

Именно разница температур заставляет тепло течь через двигатель, попеременно расширяя и сжимая газ внутри двигателя, что заставляет двигатель работать.

Все двигатели Стирлинга работают одинаково

На этом изображении показан зазор между пенопластовым вытеснителем и краем двигателя LTD.

В конце концов, низкотемпературные двигатели Стирлинга работают так же, как и все остальные двигатели Стирлинга.

Они работают, попеременно расширяя и сжимая газ (обычно воздух) и сохраняя некоторое количество тепла от одного цикла к другому в чем-то, что работает как регенератор.

Двигатели Стирлинга не должны иметь внутри детали с надписью «регенератор», чтобы иметь что-то, что работает точно так же.

Воздух, обтекающий вытеснитель, может действовать как регенератор в двигателях, которые не имеют специально изготовленного регенератора степень С¹.

При правильном двигателе источником тепла может служить что угодно, от теплой руки до теплой попки ребенка, при условии, что холодная сторона двигателя немного холоднее.

Двигатели, производящие энергию

Можно построить низкотемпературные двигатели Стирлинга, которые будут производить некоторую мощность.

Было несколько двигателей Стирлинга с низкотемпературным перепадом, которые работали, и было построено несколько двигателей Стирлинга этого класса в небольших объемах.

Эти двигатели достаточно большие для той мощности, которую они выдают, но если вы сделаете паузу, чтобы вспомнить, что топливо является бесплатным источником тепла, большие двигатели могут стать хорошим выбором для некоторых применений.

  Японский двигатель Ecoboy мощностью 100 Вт

Двигатель Ecoboy мощностью 100 Вт, произведенный в Японии, был разработан как двигатель, производящий энергию.

Диаметр около 1 метра, мощность около 100 Вт.

Двигатели Sun Orbit

Немецкая компания Sun Orbit построила ряд низкотемпературных разностных двигателей, производящих энергию, называемых импульсными двигателями Sun.

Как и Ecoboy, они, как правило, довольно большие для своей мощности, но при правильном применении и с правильным источником бесплатного топлива они также могут быть практичными.

Герметизация

Разность низких температур Двигатели Стирлинга могут подвергаться герметизации, как и любой другой двигатель Стирлинга.

Это должно быть безопасно до тех пор, пока двигатель не смазывается маслом внутри двигателя.

Стоимость на ватт

Лучший показатель качества

Одна из самых больших проблем с двигателями Стирлинга, разработанными в прошлом, заключается в том, что инженеры сосредоточились на достижении эффективности.

Они построили их с целью достижения максимальной термодинамической эффективности.

При использовании бесплатного топлива — не беспокойтесь об эффективности

Это не имеет смысла, когда топливо бесплатно, например, при работе от солнечных или геотермальных источников тепла.

Двигатели Стирлинга должны быть спроектированы так, чтобы иметь низкую стоимость ватта, когда двигатель доставляется покупателю и выполняет то, что он хочет.

Цена за ватт – это то, что ценит клиент.

Повышение термодинамической эффективности двигателя Стирлинга на 5% может очень легко удвоить закупочную цену двигателя.

Советы по самоделке

Я настоятельно рекомендую собрать свой собственный

Если вы решите построить свой собственный низкотемпературный двигатель Стирлинга, вы, вероятно, будете рады, что сделали это.

Очень интересно увидеть, как двигатель, который вы построили, работает в первый раз, и вы получите гораздо лучшее представление о том, как работают двигатели Стирлинга.

Ваши улучшения не всегда будут работать

Построив один двигатель, вы, естественно, захотите попробовать улучшить следующий двигатель.

Но вы обнаружите, что некоторые вещи, которые вы считали улучшениями, на самом деле ухудшают работу двигателя или вообще не работают.

Правила проектирования двигателя Стирлинга неочевидны

Надлежащие правила проектирования двигателя Стирлинга не очевидны сразу.

Это пропорции. И когда вы меняете одну функцию движка, другие функции должны будут измениться, чтобы воспользоваться преимуществами нового улучшения.

Например, любое улучшение, которое вы делаете в обогреве или охлаждении, потребует регулировки степени сжатия двигателя, чтобы воспользоваться вашим улучшением.

Примеры двигателей Стирлинга с низкотемпературным перепадом

Моя история о низкотемпературном перепаде

Первый раз, когда я увидел работу двигателя с низкотемпературным перепадом

Двигатель Стирлинга MM-4, работающий на «невозможном» источнике топлива – льде пломбир.

Первый двигатель Стирлинга, который я когда-либо видел работающим, был низкотемпературным. Двигатель Стирлинга работал на небольшом контейнере с кубиками льда.

Я не мог этого понять

В комнате было около 80 градусов по Фаренгейту (26 градусов по Цельсию), и не было очевидного источника топлива.

Это было до того, как я пошел на первый урок физики.

Как двигатель может работать на льду?

Теперь я знаю, что двигатели Стирлинга не работают на льду. Невозможно сделать тот, который работает на льду.

Но их, безусловно, можно заставить выглядеть так, будто они бегут по льду.

Двигатели, холодные с обеих сторон, не запускаются

Когда кажется, что двигатель Стирлинга работает на льду, на самом деле он использует температуру помещения в качестве источника тепла и использует лед в качестве радиатора.

Если бы обе стороны двигателя Стирлинга имели одинаковую температуру (любую температуру, горячую или холодную), он бы не работал.

Трудно полностью понять эту концепцию, если вы не держали ее в руках.

Пожалуйста, оставьте свои комментарии

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, найдите время, чтобы оставить комментарий ниже.

Не стесняйтесь ссылаться на любые низкотемпературные двигатели Стирлинга, которые вам особенно нравятся.

Возможно, мы сможем включить ваши предложения в следующую редакцию этой страницы.

Комментарии модерируются, поэтому нам может потребоваться некоторое время, чтобы ваш комментарий появился, но мы получим его онлайн.

¹Senft, JR. (2007). Механический КПД тепловых двигателей. Кембридж, Великобритания:   Издательство Кембриджского университета.

Выяснение двигателя Стирлинга – SCI-184

-ЦЕЛЬ

Эксперимент должен показать людям, как работает двигатель Стирлинга. Покажите, как разница температур играет главную роль в выработке энергии двигателем. И как можно увеличить выход энергии.

Это будет показано при тестировании:

— Во-первых, только с чашкой для горячей воды на дне двигателя Стирлинга.
Здесь мы можем видеть, как при использовании горячей воды в качестве источника тепла и комнатной температуры в качестве «холодного» источника двигатель может работать.

-Затем  с горячей водой в качестве источника тепла под двигателем и 3 кубиками льда сверху.
Здесь мы увидим, как, добавив сверху 3 кубика льда, число оборотов увеличится.

АППАРАТЫ

1. Двигатель Стирлинга –

— Для нашего эксперимента мы использовали обычный двигатель вытеснительного типа.

— Вместо двух поршней, один из которых постоянно нагревается, а другой постоянно охлаждается, двигатель вытеснительного типа имеет один поршень и вытеснитель.

2.Strobelight –

— Мы использовали Strobelight для измерения числа оборотов, создаваемых двигателем.

3. Чашка 325 мл

— В которую мы заливали горячую воду, чтобы позже поставить двигатель сверху.

4. Термометр (от -10°C до 100°C)

-Для записи различных температур горячей воды и льда

9017 Секундомер

— Что мы использовали для: сохранения времени измерения оборотов, остановки двигателя и т. д.

-ПРОЦЕДУРА

Таким образом, для этой процедуры мы провели два набора испытаний:

— Первый раз на дне двигателя Stirling с горячей водой.
Здесь мы можем видеть, как при использовании горячей воды в качестве источника тепла и комнатной температуры в качестве «холодного» источника двигатель может работать.

-Затем мы проводим второе испытание, используя горячую воду в качестве источника тепла под двигателем и кубики льда сверху.
Здесь мы увидим, как, добавив сверху 3 кубика льда, число оборотов увеличится.

Из этого набора испытаний мы получили два типа результатов:

— Из первого набора испытаний мы можем сделать вывод, что с течением времени и температурой воды уменьшается замедление оборотов. Создается меньше энергии.

— Из второго набора испытаний видно, что первое измерение числа оборотов в минуту довольно близко к первому набору испытаний. Но с добавлением кубиков льда 2-е и 3-е измерения числа оборотов в минуту во второй серии испытаний выше, чем в первой серии.

Пошаговые инструкции:

– Налейте 1 стакан кипятка.

— Опустите термометр в воду и подождите, пока термометр не покажет 80 градусов по Цельсию. Как только температура достигнет 80 градусов по Цельсию, поместите двигатель Стирлинга в чашку с горячей водой.

— Оставьте на одну минуту.

– Затем поместите три кубика льда на верхнюю часть двигателя Стирлинга, убедившись, что они не мешают вращению колеса.

— Дайте двигателю поработать одну минуту, через одну минуту коснитесь колеса двигателя, чтобы он начал двигаться.

– Когда колесо начнет двигаться, попробуйте с помощью стробоскопа сопоставить вращения колеса со вспышками стробоскопа.
Это делается следующим образом: когда свет мигает, вы должны каждый раз видеть черную спицу колеса в одном и том же месте. Чтобы сделать это еще проще, нужно сопоставить звук вспышки лампочки с тиканьем двигателя Стирлинга.

– Запишите число оборотов в минуту в таблице ниже.

-Подождите две с половиной минуты.

-Проведите еще одно измерение с помощью стробоскопа, запишите число оборотов в минуту в таблице ниже.

-Подождите еще две с половиной минуты.

— Проведите еще одно измерение с помощью стробоскопа и запишите число оборотов в минуту в таблице ниже.

— Снимите двигатель с бака для горячей воды и дайте ему остыть.

– Возьмите 1 стакан кипятка и 3 кубика льда.

Окуните термометр в воду и подождите, пока термометр не покажет 80 градусов по Цельсию. Как только температура достигнет 80 градусов по Цельсию, поставьте двигатель Стирлинга на чашку с горячей водой.

Оставьте на одну минуту.

– Через одну минуту коснитесь колеса двигателя, чтобы он начал движение.

– Когда колесо начнет двигаться, попробуйте с помощью стробоскопа сопоставить вращения колеса со вспышками стробоскопа.
Это делается следующим образом: когда свет мигает, вы должны каждый раз видеть черную спицу колеса в одном и том же месте. Чтобы сделать это еще проще, нужно сопоставить звук вспышки лампочки с тиканьем двигателя Стирлинга.

— Запишите число оборотов в минуту в таблице ниже.

-Затем поместите три кубика льда на верхнюю часть двигателя Стирлинга, убедившись, что они не мешают вращению колеса.

-Подождите две с половиной минуты.

-Проведите еще одно измерение с помощью стробоскопа, запишите число оборотов в минуту в таблице ниже.

-Подождите еще две с половиной минуты.

— Проведите еще одно измерение с помощью стробоскопа и запишите число оборотов в минуту в таблице ниже.

– АНАЛИЗ

 Из этих результатов мы ясно видим:
-Как двигатель Стирлинга создает энергию.
(Когда источник тепла нагревает газ и создается давление внутри двигателя, заставляющее поршни работать)

Но также, если мы уделим больше внимания деталям, мы также можем увидеть:
-Как, добавляя кубики льда в верхнюю часть оборотов увеличивать.
(Это увеличение не только из-за вновь созданной разницы температур, но и из-за сжатия газа)

Видите ли, есть 2 способа увеличить выходную мощность двигателя Стирлинга: 

— Путем увеличения источника тепла в нижней части, что создает большее давление внутри двигателя, что заставляет его работать больше, что переводит в больше энергии.

-И за счет облегчения процесса сжатия газа для двигателя. Что в основном и произошло, когда мы положили кубики льда сверху. Делая верхнюю часть более холодной, двигателю легче сжимать газ, что повышает его эффективность при выработке энергии.

— ТЕОРИЯ

Двигатель Стирлинга — это тепловой двигатель, который сильно отличается от двигателя внутреннего сгорания в вашем автомобиле. Двигатели Стирлинга используются только в некоторых очень специализированных местах, таких как подводные лодки или вспомогательные генераторы для яхт, где важна бесшумная работа.

Вместо двух поршней двигатель вытеснительного типа имеет один поршень и вытеснитель. Этот тип двигателя Стирлинга в основном используется в учебных классах. Вы даже можете купить набор и попробовать его, как это сделали мы!! (www.stirlingshop.com)

Для работы указанного выше двигателя требуется разность температур между верхом и низом. В этом случае для запуска двигателя достаточно разницы между температурой вашей руки и пары льдинок.

На рисунке вы можете видеть два поршня:

— Силовой поршень : Это меньший поршень в верхней части двигателя. Это поршень, который движется вверх по мере расширения газа внутри двигателя.

— Буек : это большой желтый поршень посередине. Этот поршень очень свободен от цилиндра, поэтому воздух может легко перемещаться между нагретыми и охлаждаемыми участками двигателя, когда поршень движется вверх и вниз.

Вытеснитель перемещается вверх и вниз, чтобы контролировать, нагревается или охлаждается газ в двигателе (для него есть два положения).

1. Когда вытеснитель находится в верхней части цилиндра, газ внутри двигателя нагревается от источника тепла и расширяется, вызывая повышение давления внутри двигателя, толкая силовой поршень вверх.

2. Когда вытеснитель находится у дна цилиндра, газ внутри двигателя охлаждается, и он сжимается. Вызывает падение давления, облегчая перемещение силового поршня вниз и сжатие газа.

Двигатель непрерывно нагревает и охлаждает газ, получая энергию от расширения и сжатия газа.

-ОБСУЖДЕНИЕ/ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 Прежде чем решиться на наш последний эксперимент, мы испробовали множество разных идей. Сначала мы хотели протестировать различные комбинации тепла и холода на двигателе Стирлинга. Сначала мы хотели поместить горячий источник снизу, а затем поместить холодный источник сверху и провести измерения, а затем мы хотели перевернуть это и поместить горячий источник сверху, а холодный источник снизу и провести еще несколько измерений. измерения. Однако, когда мы действительно купили и начали использовать двигатель Стирлинга, мы поняли, что переворачивание компонентов делает двигатель бесполезным. Колесо не вращалось и, следовательно, не генерировало ни мощности, ни оборотов.

Затем мы хотели проверить, сможет ли двигатель работать просто от тепла стола, на котором он будет стоять, если положить сверху несколько кубиков льда. Опять же, когда мы попытались на самом деле проверить этот эксперимент, наш результат был не таким, как мы хотели, поскольку колесо снова отказывалось вращаться. Наконец, мы решили сравнить использование двух компонентов с одним, и это сработало. Мы заметили, что только с одним из компонентов RPM были значительно меньше, чем с обоими, что было ожидаемым результатом.

Мы также столкнулись с некоторыми проблемами со стробоскопом. Процесс выяснения того, как измерять обороты в минуту с помощью стробоскопа, был сложным. Нам потребовалось около трех часов, чтобы понять, как получить измерение от света. Однако, как только мы это сделали, было довольно легко измерить быстро и точно. Мы были озабочены тем, чтобы сообщить студентам, проводившим наш эксперимент, как получить измерение с помощью стробоскопа, но я чувствую, что после нескольких тестовых прогонов они смогли получить точное измерение. Мы также считаем, что использование стробоскопа было очень веселой и интересной частью эксперимента.

Из эксперимента следует вывод о том, что, поскольку источник тепла является внешним, двигателю требуется некоторое время, чтобы отреагировать на тепло, подаваемое на цилиндр, что означает, что:

-Двигателю требуется некоторое время, чтобы производят полезную мощность.

— Двигатель не может быстро изменить выходную мощность.

По этим причинам  двигатели этого типа не станут популярными до тех пор, пока в них не будут внесены некоторые инновации. Замена двигателей внутреннего сгорания кажется далекой. Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет большой потенциал для дальнейшего развития.

Двигатель Стирлинга и его работа

04 марта 2021

Двигатель Стирлинга Сегодня я представляю вам практическую демонстрацию очень интересного устройства. Я получил эту симпатичную машинку совсем недавно. Знаете ли вы, что такого интригующего в этой машине? Здесь вы можете видеть, что я только что поместил ледяной блок под эту машину, она начинает вращаться.

И еще более интригующим является то, что если я заменю эту ледяную глыбу чашкой с горячей водой, она снова начнет вращаться, но в противоположном направлении. Это интересное устройство известно как двигатель Стирлинга, как показано на рисунке ниже (рис. 1). И это было изобретено мистером Робертом Стерлингом давным-давно.

Рис. 1 Демонстрация двигателя Стирлинга с горячей водой и ледяной глыбой

Теперь мы поймем, почему это произошло в приведенной выше демонстрации, или как работает это устройство? Я хочу расширить ваши знания, обсудив это с вами. Итак, начнем.

Как работает двигатель Стирлинга?

Введение:

Двигатель Стирлинга представляет собой устройство преобразования энергии, используемое для преобразования тепловой энергии в механическую. Это экологически чистый двигатель, так как для выработки тепла используются природные ресурсы, такие как солнечная энергия, древесина, уголь, биогаз, горячая вода и т. д. Вы не поверите, этот двигатель работает на постоянных температурных градиентах, т. е. а низкая температура приведет к пульсирующему движению, как показано на рис. 2 ниже. И имейте в виду, что он не будет работать только при высокой температуре или только при низкой температуре.

Рис. 2 Горячая и низкая температура приведет к пульсирующему движению двигателя Стирлинга.

Знаете ли вы, что существует несколько типов двигателей Стирлинга, которые обычно делятся на три группы, известные как альфа, бета и гамма. Альфа-тип имеет два силовых поршня. Бета-тип имеет вытеснитель и силовой поршень с одним и тем же цилиндром. Гамма-тип имеет вытеснитель и силовой поршень с независимыми цилиндрами. Эта статья основана на движке гамма-типа.

Имеются две отдельные горячие и холодные пластины с изоляционным материалом, они размещены между этими двумя пластинами, как показано на рис. 3А ниже. Как видите, здесь используется толстый изолирующий цилиндр, называемый «вытеснителем».
Предположим, что нижняя пластина горячая, а вытеснитель находится внизу, это, очевидно, предотвратит поток тепла от нижней пластины (рис. 3B, левое боковое изображение). Это означает, что большая часть воздуха подвергается теплообмену с верхней охлаждающей пластиной. И объем воздуха приближается к температуре окружающего воздуха. Если вытеснить буек вверх, произойдет прямо противоположное, и воздух нагреется (рис. 3B, изображение справа). Поскольку двигатель Стирлинга представляет собой замкнутый контур, воздух не может выходить наружу. И у них температура воздуха внутри этого объема повысится, повысится и его давление.

Рис. 3A Горячая и холодная пластина с буйком

Рис. 3B Воздух подвергается теплообмену с верхней холодной пластиной, и &
буек перемещается вверх, и их воздух нагревается

Дизайн и конструкция двигателя Стирлинга

Теперь я объясню следующую блестящую идею Роберта Стирлинга использовать это высокое давление для запуска силового поршня. Один и тот же силовой поршень может перемещать буек вверх или вниз. Посмотрим, как он этого добился на практике. Вы можете видеть на рис. 4 ниже, что Роберт Стирлинг присоединил еще один кривошип к тому же вращающемуся валу силового поршня. Он плотно входит в цилиндр, чтобы можно было сжимать газ. И этот кривошип на 9Смещение на 0 градусов до первого кривошипа, соединенного с буйком. Он также добавил маховик на валу. Маховик представляет собой тяжелое колесо, прикрепленное к вращающемуся валу, которое используется для сохранения углового момента и поршневых двигателей.

Рис. 4 Структура двигателя Стирлинга: вытеснитель соединен с кривошипом, маховик также добавлен на вал, а силовой поршень

Теперь я перехожу к основной части этой статьи, как эти устройства достигли целей Роберта Стерлинга, когда поставьте чашку с горячей водой ниже двигателя Стирлинга, и их нижняя пластина нагреется.
Теперь силовой поршень находится в самом нижнем положении, а вытеснитель почти посередине. Когда воздух нагревается, его давление увеличивается, что приводит к перемещению поршня вверх (рис. 5А). Во время движения поршня вверх вытеснитель перемещается вверх и поддерживает дополнительное тепло от горячей плиты, как показано на рис. 5В. И предотвращает теплопередачу холодной пластины во время этого движения. Это означает, что во время движения поршня вверх температура и давление воздуха продолжают увеличиваться, и поршень извлекает энергию.

Рис. 5A Давление увеличилось, и поршень движется вверх

Рис:5B Буек поддерживает дополнительное тепло от нагревательной плиты

Однако, достигнув вершины, вы можете увидеть, что буек снова находится в середине, можете ли вы сказать мне, почему это произошло? потому что нагретый воздух отдал тепло холодной пластине (рис. 6). И, очевидно, этот процесс снижает давление воздушного объема.

Рис. 6 Нагретый воздух отдает тепло холодной пластине, поэтому вытеснитель снова находится посередине

Вы должны знать, что из-за импульса большого маховика поршень начнет свое движение вниз, во время которого воздух теряет все больше тепла и давления. Поэтому движение поршня вниз происходит без особого труда. После того, как поршень достигает нижнего положения (рис. 7), мы возвращаемся в исходную точку, и цикл повторяется. Это прекрасный способ создания возвратно-поступательного движения.

Рис:7 Из-за импульса большого маховика
поршень начал движение вниз

Теперь я заменю чашку с горячей водой кубиком льда и посмотрю, что произойдет? Кто-нибудь может сейчас предсказать, как поведет себя эта машина? Здесь температура и давление внутреннего воздуха становятся меньше, чем атмосферная температура и давление. Низкое давление внутри камеры означает, что сила, действующая на поршни, направлена ​​вниз, поэтому поршень будет двигаться вниз, как показано на рис. 8А. Таким образом, двигатель вращается в противоположном направлении (рис. 8B).

Рис. 8A Эта сила, действующая на поршни, направлена ​​вниз

Рис:8B Из-за того, что поршень низкого давления начал движение вниз

Короче говоря, этот двигатель будет продолжать работать до тех пор, пока не возникнет разница температур между двумя пластинами. Когда существует высокая разница температур, тогда будут высокие обороты двигателя и выходная мощность, как показано на рис. 9 ниже.

Рис. 9 Разница температур между разными температурами

Вот вопрос к вам: мы видели двигатели Стирлинга с удивительной эффективностью преобразования энергии, так почему бы нам не использовать эти типы двигателей в наших автомобилях?

1. Основная причина заключается в том, что двигатели Стирлинга медленно реагируют на изменяющиеся потребности в мощности для изменения выходной мощности двигателя Стирлинга.

2. Необходимо контролировать температуру верхней или нижней плиты, а контроль температуры всегда требует времени.

3. Кроме того, двигатели Стирлинга тяжелее и дороже своих аналогов.

Однако мы считаем, что двигатель Стирлинга может быть идеальным кандидатом для извлечения солнечной энергии. Солнечная электростанция Марикопа, введенная в эксплуатацию в 2010 году, была основана на технологии двигателя Стирлинга и была способна производить 1,5 мегаватта электроэнергии. Позже от этого проекта отказались из-за экологических соображений.

Будем надеяться, что современные инженеры найдут достойное применение гениальному изобретению Роберта Стирлинга.