Двигатель Стирлинга

Введение.

Одой из главных проблем современного человечества является энергетическая проблема. Запасы углеводородов , разведанные на данный момент хватит человечеству  на 50 лет при текущем потреблении . Использование углеводородов в качестве топлива , приводит к загрязнению окружающей среды и к неоправданному расходу строительных материалов . Все мы прекрасно осознаём , что без электричества современная цивилизация не способна сосуществовать .

 Актуальность обозначенной  проблемы определила выбор темы проекта: "Двигатель Стирлинга".

На основании изложенного была поставлена цель: изготовить самому двигатель Стирлинга.

На основании цели сформулированы следующие задачи:

1) Изучить различные  конструкции двигателей.

2) Провести анализ материалов для создания двигателя.

3) Разработать технологическую карту изделия.

4) Описать этапность и технику изготовления двигателя.

5) Провести экономический расчет готового изделия.

Проектная работа проводилась в  три этапа:

1. Подготовительный (ноябрь): анализ литературных источников, написание теоретической части работы, разработка технологической документации.

2. Основной (декабрь - январь): выполнение практической части проектной работы, анализ полученных результатов.

3. Заключительный (январь): итоговый анализ всей проектной работы, обобщение и систематизация материалов по всей работе, формирование ее результатов в стандартный вид, подготовка к выступлению на защите.

 

 

 

Биография .

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

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

Стирлинг был весьма обеспокоен травматизмом рабочих, работающих в  его приходе с паровыми двигателями. Эти двигатели часто взрывались из-за низкого качества металла, из которого они изготавливались. Более  прочного материала в те годы не существовало. Стирлинг решил усовершенствовать  конструкцию теплового двигателя  сделав его более безопасным.

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

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

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

Стирлинг умер в Галстоне, Шотландия в 1878 году.

 

 

 

Анализ  конструкций двигателя  Стирлинга

Цикл Стирлинга считается непременной  принадлежностью именно двигателя  Стирлинга. В то же время, подробное  изучение принципов работы множества  созданных на сегодняшний день конструкций  показывает, что значительная часть  из них имеет рабочий цикл, отличный от цикла Стирлинга. Например, альфа-стирлинг с поршнями разного диаметра имеет цикл, более похожий на цикл Эрикссона. Бета- и гамма-конфигурации, имеющие достаточно большой диаметр штока у поршня-вытеснителя, также занимают некое промежуточное положение между циклами Стирлинга и Эрикссона.

• Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах, один — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, с холодным — в более холодном. У данного вида двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические трудности.

       Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.

• Бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и вытеснитель, изменяющий объём горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.
• Гамма-Стирлинг — тоже есть поршень и вытеснитель, но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется вытеснитель). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

 

Обоснования и выбор.

Мы выбрали 

 

Анализ  материалов для создания двигателя.

При создании двигателя мы должны учитывать  из какого материала мы будем его делать Перечень критерий для выбора материала:

1)Не горюч и имеет хорошую теплопроводность.

  Двигатель работает от перепад  температур  , поэтому он не  должен легко воспламеняться .

2)Прочность

Для долгой службы  двигатель должен быть прочным.

3) Себестоимость

Немало важен факт экономической  составляющей.

4)Сложность обработки.

Трудозатраты немаловажная часть  любой работы, не только проектной.

 

 

Под все эти критерии прекрасно  подходит металл , такой как алюминий .

 

 

Двигатель Стерлинга состоит из следующих  основных узлов.

1)  Вытеснительный поршень

2)  Рабочий поршень

3)  Маховик

4) охлаждающие ребра

Предлагаемый двигатель работает следующим образом:

1. Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам).
2. Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.
3. Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз.
4. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

 

Двигатель Стерлинга имеет  следующие положительные качества:

• «Всеядность» двигателя — как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями воды в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.
• Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью.
• Увеличенный ресурс — простота конструкции, отсутствие многих «нежных» узлов позволяет «стирлингу» обеспечить небывалый для других двигателей запас работоспособности в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.
• Экономичность — для утилизации некоторых видов тепловой энергии, особенно при небольшой разнице температур, «стирлинги» часто оказываются самыми эффективными видами двигателей. Например, в случае преобразования в электричество солнечной энергии «стирлинги» иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.^[2]
• Бесшумность двигателя — «стирлинг» не имеет выхлопа, 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).
• Экологичность — сам по себе стирлинг 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 тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.

 

Недостатки:

• Громоздкость и материалоёмкость — основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.
• Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и особые виды рабочего тела — водород, гелий.
• Тепло подводится не к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплообменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем больше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно откликается на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.
• Для быстрого изменения мощности двигателя используются способы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае отклик двигателя на управляющее действие водителя является почти мгновенной.

 

Заключение.