Создание действующей модели двигателя Стирлинга

Среди используемых в мире двигателей, наиболее распространенным является двигатель внутреннего сгорания. Однако при своей распространенности он обладает низким КПД, в среднем около 40%. Преодоление этого недостатка можно вести двумя путями: совершенствованием двигателя внутреннего сгорания или использовать принципиально иные типы двигателей. В нашей работе мы создали действующую модель двигателя Стирлинга и исследовали ее с точки зрения закона сохранения энергии.

Объектом исследования мы выбрали модель двигателя Стирлинга и выполнение в нем закона сохранения энергии. Предметами исследования стали принцип действия двигателя Стирлинга и энергетические параметры его действующей модели. Рабочая гипотеза - маломощные двигатели Стирлинга обладают достаточно высоким кпд позволяющим использовать их в бытовых условиях.

Задачи исследования: Проследить историю открытия закона сохранения энергии, дать формулировку и особенности применения закона сохранения энергии в двигателях, привести принцип действия двигателя Стирлинга, создать его действующую модель, оценить границы применимости двигателя Стирлинга.

Двигатель Стирлинга состоит из двух цилиндров - теплообменного, разогревающего и охлаждающего рабочее тело, и рабочего, приводящего в движение коленвал.

Теплообменный цилиндр с одного торца разогревают, с другого - охлаждают. Поршень-вытеснитель выполненный из теплоизоляционного материала, перемещается в теплообменном цилиндре с зазором 1-2 мм, перегоняет рабочее тело от торца к торцу. Поршень рабочего цилиндра плотно подогнан к стенкам.

Существует несколько разновидностей двигателя Стирлинга отличающихся схемотехническим решением. Для построения модели мы выбрали двигатель гамма-типа. Двигатель этого типа позволяет построить его из подручных материалов.

Достоинствами двигателя Стирлинга являются: высокий кпд - до 70% от цикла Карно, меньшее число подвижных частей, не требуется регулировка в процессе всего срока эксплуатации, всеядность двигателя, бесшумность, безударность нагрузок на опорные узлы, простота запуска, устойчивость работы в широком диапазоне температур нагревателя.

Как в любой технической системе существуют недостатки: относительно большие габариты двигателя из- за топливной части, для достижения высокого кпд необходимы дорогостоящие материалы с низким коэффициентом трения.

Двигатель создавался в домашних условиях из нестандартных подручных материалов: цилиндры - первый из прессованной бумаги, второй из пластмассы, коленвал, штифт и шатуны из стальной проволоки разной толщины, уплотнение рабочего поршня - полиэтилен, вытеснитель из поролона, маховик - лазерный диск, детали соединены при помощи клея и пайки.

Параметры построенного двигателя в среднем составляли: частота вращения 5 об/мин, скорость поршня 21,9 см/с, кинетическая энергия движения цилиндра составила 0,027 Дж. КПД двигателя из-за отсутствия соответствующих приборов оценить не удалось.

Выводы по работе: мы глубже познакомились с законом сохранения энергии и особенностями его применения при расчете двигателя Стирлинга; создали действующую модель двигателя Стирлинга: провели анализ кинематических и энергетических характеристик созданного двигателя Стирлинга.

О. В. Боришкевич, М. А. Кашука