Панин Алексей, Доронин Роман МБОУ СОШ № 27x

УМК
ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛИ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА
Панин А.Д., Доронин Р.П., Латынцев С.В.
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Средняя школа № 27»
Двигатель внешнего сгорания может стать альтернативной заменой
существующих ДВС. Подтверждение этих слов можно найти в книге Г. Уокера
«Машины, работающие по циклу Стирлинга» [1]. В отличие от ДВС, двигатель
Стирлинга экологичен. Этот двигатель является отличной заменой ДВС. Двигатель
Стирлинга может работать от геотермальных источников тепла (вулканы, гейзеры) и
может работать от других возобновляемых источников тепла. Ранее двигатель
Стирлинга использовался для питания радиостанций в районах крайнего севера. Узлы
двигателя Стирлинга можно компоновать во множество различных систем и это
помогает нам добавлять свои идеи, при воссоздании двигателя.
Двигатель Стирлинга способен решать проблемы энергобезопастности в
экстремальных условиях районов крайнего севера. Так как в районах крайнего севера
существует нехватка энергоносителей, двигатель Стирлинга является наилучшим
вариантом для использования с целью получения электроэнергии при помощи
электрогенераторов, так как он не прихотлив в источнике тепла и может работать от
солнечной энергии в светлое время года. Для работы двигателя важно получить
разницу температур, при этом, неважно за счет чего берется эта разница. Двигатель
способен работать от газовой или бензиновой горелки, а в отсутствие топлива для
горелок, может работать на энергии, поступающей от солнца, для этого достаточно
заменить горелку на солнечный концентратор.
В процессе истории развития Стирлинг-машин появилось множество
конструкций и модификаций двигателей Стирлинга. Во всех машинах Стирлинга
имеются две полости, находящиеся при разных температурных уровнях и
соединяющиеся посредством регенератора. Эти узлы можно компоновать во множество
различных систем. Единственный критерий, устанавливающий их характерную
особенность - управление потоком рабочего тела.
Мы кратко пройдемся по упрощенной классификации: альфа-тип, бета-тип и
гамма-тип, а также рассмотрим нестандартные типы Стирлинг-машин.
Альфа-тип Стирлинга имеет два цилиндра, соединенные между собой через
последовательно смонтированные нагреватель, регенератор и охладитель, которые
либо нагревают и охлаждают сами цилиндры, но это менее эффективный способ.
Шатуны поршней закреплены на общем коленчатом вале. Осевой разнос цилиндров 90 градусов - так обеспечивается смещение фаз (рис. 1).
Рисунок 1. Альфа-тип двигателя Стирлинга
Рабочее тело нагревается в горячем цилиндре или нагревателе (на схеме он
обозначен как цилиндр расширения). Давление в системе увеличивается. Усилие
передается на поршень холодного цилиндра (на схеме - поршень сжатия). Он
смещается, проворачивая коленвал. Одновременно поршень горячего цилиндра
начинает выталкивать рабочее тело в холодный цилиндр через регенератор.
Регенератор отбирает часть тепла рабочего тела и при перемещении рабочего тела
обратно в горячую полость сообщает ему часть тепловой энергии перед последующим
нагревом. За счет этого экономится часть подводимой к двигателю теплоты.
Поэтому регенератор является ключевым агрегатом повышающим КПД
двигателей Стирлинга. Это одна из главных заслуг Роберта Стирлинга. Его первый
патент оформлен именно на регенератор, а не на двигатель!
Выделим недостатки Стирлингов альфа-типа. В двухцилиндровом альфаСтирлинге полость сжатия разделена на части, находящиеся в вытеснительном и
рабочем цилиндрах, включая и соединительный канал. Поршни соединены с разносом
фаз 90 градусов, поэтому суммарный объем полости сжатия в двигателе никогда не
достигает нулевого значения за цикл. Поскольку объем этих полостей никогда не
может быть уменьшен до нуля, полость сжатия, фактически, имеет большой нерабочий
объем. Менее существенным недостатком, присущим всем Стирлингам является
«мертвый объем», образуемый нагревателем, регенератором и холодильником, а также
магистралями, соединяющими их с цилиндрами. Определенные сложности вызывает
смазка и обеспечение герметичности поршней. В основном данная проблема остро
встает при увеличении рабочего давления в двигателе.
Бета-тип Стирлингов решает проблему нерабочего объема за счет иной
конструкции. В данном двигателе используется один цилиндр, но с двумя поршнями дисплейсером и рабочим поршнем, расположенными первый над вторым по оси
цилиндра. Шток дисплейсера проходит через крышку рабочего поршня и внутри его
штока. Для обеспечения герметичности используются сальники(рис. 2). С одного края к
цилиндру подводят тепло, с другой - охлаждают (на схеме зоны нагрева, регенерации и
охлаждения вынесены в отдельный агрегат). Стенки рабочего поршня плотно
прилегают к цилиндру. Дисплейсер - напротив - свободно движется в рабочем
цилиндре. Дисплейсервыполнен из материала, имеющего низкую теплоемкость и
выполняет роль «теплового клапана». Он перемещает рабочее тело из горячей полости
цилиндра в холодную и обратно, препятствуя наступлению термодинамического
равновесия переноса тепла в системе. Рабочее тело либо нагревается (дисплейсер при
этом находится в нижней мертвой точке), либо охлаждается (дисплейсер - в верхней
мертвой точке). За счет этого обеспечивается циклический перепад давления в системе,
преобразуемый затем рабочим поршнем в полезную работу. «Мертвый объем» в
данной конструкции практически такой же, как и в альфа-типе. Нерабочий объем
минимизирован за счет размещения вытеснителя и рабочего поршня в одном цилиндре,
что позволяет выиграть в мощности на единицу объема двигателя. На практике, в более
сложных конструкциях Стирлингов бета-типа используют трубчатые нагреватели,
вваренные в торец горячей полости цилиндра. Это единственный конструктивный
элемент, образующий незначительный «мертвый объем», но такие модификации
относительно сложны в изготовлении. Сложность изготовления и обеспечения смазки и
герметичности в сальниках бета-Стирлингов - основной их недостаток. В остальном идеальная компоновка при минимальных габаритах. Все разработанные прототипы
Стирлингов для автотранспорта спроектированы, как бета-Стирлинги.
В данной конструкции вместо сложного в исполнении ромбического привода
применен строенный коленвал: центральный шатун приводит в движение дисплейсер а
крайние шатуны прикреплены к рабочему поршню изготовленному в виде мембраны.
Данное решение весьма эффективно при кустарном изготовлении моделей бетаСтирлинга из подручных материалов.
Рисунок 2. Бета-тип двигателя Стирлинга
Гамма-Стирлинги - компромисс между альфа- и бета- модификациями. В
конструкции присутствуют два цилиндра, как в «альфе» и применяется дисплейсер как в «бете» (рис. 3). Один цилиндр является чисто теплообменным, другой чисто
рабочим. К одному торцу теплообменного цилиндра подводят тепло, другой охлаждают.
Стенки цилиндра изготавливают
из
материала с низкой
теплопроводностью, торцы - наоборот - с высокой. Внутри цилиндра размещен
дисплейсер, шток которого через сальник крепится к коленчатому валу. Разность фаз
движения также - 90 градусов. Таким образом, образуются холодная и горячая полость,
разделенные «тепловым клапаном». Теплообменный цилиндр соединен с рабочим
через регенератор.
Рисунок 3. Гамма-тип двигателя Стирлинга
К недостатку данной модификации можно причислить все тот же нерабочий
объем, как и у двухцилиндровой «альфы» и относительно большие габариты, хотя для
стационарных Стирлингов это не существенно. Главная популярность конструкции
заключается в простоте изготовления. Гамма-Стирлинг может изготовить любой
желающий даже в кустарных условиях.
При всей сложности и «эксклюзивности» в основе конструкции большинства
Стирлинг-машин заложен один из вышеперечисленных типов.
В данной работе полученные теоретические знания были использованыдля
воссоздания экспериментальной модели теплового двигателя и определения области
его применения.
Методом выполнения работы стало изучение источников литературы,
отражающих развитие тепловых двигателей, использование метода мозгового штурма,
а так же метод проб и ошибок при воссоздании и улучшении конструкции собранной
модели.
В ходе работы собрано два типа двигателя (бета- и гамма-тип), изучена каждая
составляющая двигателя и какими свойствами она должна обладать, а также внесены
собственные идеи при воссоздании двигателя. Произведена замена дисплейсера и
смазки трущихся деталей собранной конструкции.
Для сборки модели использовались банки изпод газировки объемом 0,33 л, а для
охлаждения – вода (рис. 4). Вода находится в водяной рубашке, изготовленной из
консервной банки большего диаметра. Водяная рубашка смонтирована в верхней части
банки, которая выполняет роль рабочего цилиндра. Охлаждение происходит на верхней
половине объема рабочего цилиндра. В качестве нагревателя используется свеча,
которая установлена под банкой(рабочим цилиндром).
Рисунок 4. Модель Альфа-Стирлинга
Для увеличения КПД, согласно принципу Карно, следует увеличить разницу
температур. Для этого, прежде всего, будет проще увеличить температуру нагревателя.
Использование более горячего пламени в опытной модели приведет к разрушению
рабочего цилиндра. С этой проблемой сталкиваются все изготовители двигателей
внешнего сгорания, так как рабочий цилиндр находится в сложных условиях работы:
действие открытого огня, постоянный перепад температуры, изменяющееся давление
внутри цилиндра.
В модели гамма-типа использовалась бутылкаизпод газировки объемом 1,5 л,
две крышки для стеклянных банок и палочки от мороженого (рис.5). Гамма-тип
работает за счет не большего перепада температур в отличие от бета-типа. В бета-типе
приходилось охлаждать рабочее тело, а в гамма-типе этого делать не приходится.
В бета-типе приходилось нагревать рабочее тело свечкой, а гамма-тип, наоборот,
не требует высоких перепадов температур в использовании и его можно запустить
обычным кипятком.
Рисунок 5. Модель гамма-Стирлинга
Огромные масштабы, удорожание производства топливно-энергетических
ресурсов и растущее загрязнение окружающей среды выдвинули на первый план задачу
поиска новых технологий энергопреобразования, разработки новой техники на основе
высокоэффективных термодинамических циклов, использования новых видов топлива,
новых рабочих тел и т.д., то есть создание таких экологически чистых энергосистем,
которые бы обеспечивали удовлетворение нужд промышленности и населения при
минимальных затратах материальных ресурсов. Наряду с другими подходами, в
решении стоящих перед Российской Федерацией экологических и энергетических
проблем, наиболее перспективным путем является разработка и широкое внедрение
энергопреобразующих систем на основе машин, работающих по прямому и обратному
циклам Стирлинга (машины Стирлинга).
На последних европейских и мировых форумах по современному состоянию и
перспективам развития машин, работающих по циклу Стирлинга, отмечалось, что
технология изготовления машин Стирлинга за рубежом полностью освоена. Решены
проблемы уплотнений двигающихся деталей, выбора материалов, пайки
теплообменников и т.д. Наряду с традиционным применением двигателей и
криогенных машин Стирлинга для военных целей (переконденсация низкокипящих
жидкостей, охлаждение детекторов инфракрасного излучения, анаэробных систем
автономного энергоснабжения и т.д.), перспективными направлениями считаются
применение холодильных машин Стирлинга на уровне умеренного холода для
хранения пищевых продуктов и систем кондиционирования воздуха, использование
двигателей Стирлинга в когенерационных установках, тепловых насосах в системах
децентрализованного теплоснабжения и т.д.
Затронутая тема на наш взгляд не должна остаться без внимания, так как
двигатель Стирлинга может стать прекрасной альтернативой существующих ДВС.
Двигатель Стирлинга не является инновацией в сфере технологий, но практическое
использование напрасно ограниченно только демонстративными установками.
Двигатель может применяться в тех областях деятельности человека, где есть
потребность в некоторой автоматизации труда и использовании привычных двигателей,
где использование электричества или топлива из углеводородов ограничено или
невозможно, но есть любые другие источники энергии годные для сжигания. Также
применение этих двигателей эффективно для утилизации небольшого количества
теплоты с преобразованием ее в электроэнергию.
Список литературы:
1.
Г. Уокер «Машины, работающие по циклу Стирлинга»
2.
«ПВ» № 5, май 2006
3.
http://www.stirlingmotors.ru/Theory.htm
4.
http://wiki.zr.ru/Двигатель_Стирлинга
5.
http://www.metodolog.ru/node/220
6.
Статья д.т.н. Н.Г. Кириллова «Двигатель Стирлинга»