Ключевые слова: двигатель Стирлинга, цикл Стирлинга.
Сегодня во всем мире достаточно большое внимание уделяют проблеме экологии. Как никогда раньше остро встает вопрос о применении нетрадиционных источниках энергии. Многие инженеры во всем мире занимаются разработкой, как альтернативного топлива, так и альтернативных источников энергии, ищут замену двигателям внутреннего сгорания. В связи с этим наметилась тенденция внедрение энергопреобразующих установок на основе двигателя Стирлинга.
Данный двигатель, работающий по замкнутому термодинамическому, циклу впервые был предложен Робертом Стирлингом в 1816 году. Главные достоинства двигателя Стирлинга — это экологичность, низкий уровень шума и высокий КПД [1].
К сожалению, в учебниках физики школьного курса, ничего не говорится о двигатели Стирлинга. А между тем, его можно рассматривать как один из источников альтернативной энергетики. В связи с этим, было решено изготовить действующую модель двигателя Стирлинга, познакомить учащихся с данным устройством, и использовать его для демонстрации на уроках физики.
Цель исследования: создать действующую модель двигателя Стирлинга и рассчитать его КПД. Для достижения данной цели были поставлены следующие з адачи:
1) изучить источники информации по двигателю Стирлинга и его принципу действия;
2) разработать схему двигателя и выполнить ее чертеж;
3) изготовить действующую модель двигателя Стирлинга;
4) провести испытания двигателя и продемонстрировать его работу одноклассникам.
Практическая значимость: использовать модель для демонстрации на уроках физики.
Двигатель Стирлинга — это машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу. Цикличные процессы сжатия и расширения происходят при разнице температур. Управляют процессом путем изменения объёма рабочего тела [2].
Это тепловая машина, в которой есть цилиндр с поршнем. А внутри него рабочее тело — воздух, который движется в замкнутом объеме. Если воздух нагревать, он начнет расширяться, давление увеличивается и поршень поднимается вверх, и он будет совершать рабочий ход. Если дальше охладить камеру, то воздух в ней охлаждается, давление уменьшается и поршень движется вниз.
Работа основана на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Работает «стирлинг» от любого источника тепла.
Цикл двигателя Стирлинга
Один рабочий цикл двигателя Стирлинга происходит за четыре такта: сжатие, нагревание, расширение, охлаждение. Этот двигатель является четырёхтактным. На рис.1 изображен цикл двигателя Стирлинга.
Рис. 1. Этапы работы двигателя Стирлинга
Сжатие (1–2). Спомощью внешнего источника нагреваем цилиндр. Давление возрастает, а температура остается неизменной, и вытеснитель движется вверх. Рабочий поршень в этот момент неподвижен. Создается давление, проталкивающее рабочее тело через регенератор.
Нагревание (2–3). Оба поршня движутся вверх. Объем между ними постоянный. Проходя через регенератор рабочее тело нагревается давление и температура повышаются.
Расширение (3–4). Вытеснитель неподвижен. Рабочий поршень поднимается вверх и совершает работу. Тепло подводится через стенку цилиндра от внешнего источника. При увеличении объема полости расширения давление падает, а температура рабочего тела достигает максимального значения и остается неизменной (теплота постоянно подводится).
Охлаждение (4–1). Оба поршня движутся вниз. Объем между ними остается неизменным. Рабочее тело из полости расширения перемещается в полость сжатия. Проходя через регенератор рабочее тело охлаждается от Т max до T min и отдает теплоту регенератору, которая будет передана рабочему телу в процессе 2–3 следующего цикла [4].
Схема установки
Предлагаемая конструкция состоит из герметичного цилиндра, в качестве которого используется жестяная банка, внутри перемещается вытеснитель, изготовленный из губки для мытья посуды. Вытеснительный и рабочий поршень соединены с коленчатым валом при помощи тяг. В качестве рабочего цилиндра взята медная трубка, внутри которой находиться рабочий поршень, изготовленный из корпуса губной помады. В качестве маховика — компакт диски.
Рис. 2. Схема установки: цилиндр; 2 — вытеснитель; 3- рабочий цилиндр; 4- рабочий поршень; 5-корпус крепежа коленвала; 6-тяга вытеснителя, закрепленная на эксцентриках; 7-тяга (шатун) рабочего поршня; 8 — коленвал; 9 — маховик
На изготовленной модели двигателя, произведены замеры температуры нижнего и верхнего оснований цилиндра при работе с помощью пирометра. Температура верхнего основания, куда помещали лед составила около 10°С, а нижнего 120°С. В результате проведенных расчетов КПД изготовленного двигателя составил примерно 28 %.
Таблица 1
Результаты измерений
|
№ опыта |
t 1 0 , 0 С |
Т 1 , К |
t 2 0 , 0 С |
Т 2 , К |
η, % |
|
1 |
120 |
393 |
35 |
308 |
22 |
|
2 |
120 |
393 |
12 |
285 |
27,5 |
|
3 |
120 |
393 |
10 |
283 |
28 |
Рис. 3. Показания температур холодильника и нагревателя
В опыте № 1 — температура холодильника с одним кубиком льда. В опыте № 2 и № 3 — с двумя кубиками льда. Чем ниже температура охладителя, тем выше КПД и больше число оборотов.
КПД современных двигателей Стирлинга может достигать 65–70 % КПД от цикла Карно. КПД нашего двигателя составил 28 %, что является достаточно неплохим показателем для данных условий. Крутящий момент двигателя почти не зависит от скорости вращения коленвала. Для сравнения КПД самодельных двигателей Стирлинга из жестяных банок, представленных в интернете, составляет всего 13–15 %. КПД нашего двигателя 28 %, что говорит о достаточно хорошей герметизации и балансировки маховика. Если подсоединить к валу электродвигатель и светодиодную лампочку, то наблюдается свечение лампочки.
Двигатель Стирлинга сегодня находит все больше и больше применение в различных отраслях. Его используют как универсальный источник электроэнергии, в холодильных установках, на подводных лодках, в космосе, как аккумулятор на солнечных электростанциях. Двигатель способен совершать полезную работу за счет разности температур. Понижая температуру холодильника, можно уменьшить температуру нагревателя, а значить увеличить КПД. Такие двигатели целесообразно использовать в районах Крайнего Севера, Сибири, Арктических районах, преобразовывая энергию холода в электроэнергию. Автономные стирлинг-генераторы можно использовать в регионах России, где нет запасов традиционных энергоносителей — нефти и газа.
Данное исследование натолкнуло меня на дальнейшую работу по созданию низкотемпературного двигателя Стирлинга. На мой взгляд, его можно использовать для освещения улиц, дворов, школьного участка, если установить данное устройство на колодцах теплотрасс. Можно получить дешевую электроэнергию за счет внешнего источника тепла, использовать как привод для водяного насоса или полива. А в летнее время можно использовать низкотемпературный двигатель Стирлинга («солнечный Стирлинг») как вентилятор в форточках зданий, обращая его темной стороной к Cолнцу.
Работа изготовленного двигателя Стирлинга продемонстрирована одноклассникам на уроках физики. Данный материал получил практическое использование в учебном процессе школы на уроках физики в 8 и 10 классах.
Литература:
- Даниличев В. Н., Ефимов С. И., Звонок В. А. и др. Двигатели Стирлинга [Текст] / под ред. Круглова М.: Машиностроение, 1977.
- Кириллов Н. Г. Аналитика, обзоры [Текст] / Н. Г. Кириллов // Машины и механизмы. — 2007. -№ 5
- Киров С. А., Клавсюк А. Л., Селецкий А. М. Машина Стирлинга [Текст] / учебное пособие. — М.: ООП Физ. Фак-та МГУ, 2018, 20 с.
- Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга: Пер. с англ. М.: Мир, 1986 .
- Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга [Текст]: Пер. с англ. М.: Энергия, 1978. — 152. С., ИЛ
- Фролов А. В России создают подлодку с анаэробным двигателем. Полит Эксперт. [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://politexpert.net/156535-v-rossii-sozdayut-podlodku-s-anaerobnym-dvigatelem Дата обращения 15.03.2020 г.
