Проект "Действующая модель двигателя Стирлинга"


Действующая модель двигателя Стирлинга
Выполнил:
Учитель математики
МБОУ СОШ № 28 г. Белгорода
Карнасюк Александр Сергеевич
БЕЛГОРОД 2014
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………….. 3
2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДВИГАТЕЛЯ СТИРГИНГА …………………………………… 6
3. МОДЕЛЬ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА ИЗ ПОДРУЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ………….. 13
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………….. 20
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………….. 21
3
1. ВВЕДЕНИЕ
Повышение энергоэффективности техники и защита окружающей
среды становятся все более актуальной задачей. Для решения возникающих
проблем необходимо не только разрабатывать и внедрять альтернативные
способы производства и использования энергии, но и совершенствовать
традиционные устройства, такие, как тепловые двигатели.
Тепловые двигатели, превращающие тепло в полезную механическую
работу, делятся на два типа: в одних продукты сгорания непосредственно
воздействуют на поршень, в других это воздействие косвенное, и в качестве
посредника используется так называемое рабочее тело. К первому типу
относится двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине. В этом
двигателе продукты сгорания бензина, расширяясь, давят на поршень.
Второй тип это двигатели внешнего сгорания. Примером может служить
паровая машина, в которой рабочим телом служит вода. В паровой машине
под влиянием тепла, образующегося при сжигании топлива, скажем угля,
вода превращается в пар, а пар подается в цилиндр, где, расширяясь, он давит
на поршень.
Другим примером двигателя внешнего сгорания является двигатель,
изобретенный в 1816 г. в Шотландии Робертом Стирлингом. В то время люди
часто получали увечья и гибли из-за взрывов, вызванных резким
повышением давления в паровых машинах. Запросы инженеров опережали
4
возможности металлургов: сталь, способная выдерживать высокое давление,
тогда отсутствовала. Целью Стирлинга было сконструировать двигатель,
работающий при более низких и потому менее опасных давлениях [1].
В современных условиях двигатель Стирлинга представляет интерес по
нескольким причинам. Во-первых, в нем осуществлен замкнутый цикл
рабочего тела (изначально рабочим телом служил воздух, в более поздних
моделях использовался водород или гелий). Во-вторых, в качестве источника
тепла можно взять любое топливо, ориентируясь, скажем, на низкий уровень
вредных выбросов. И в-третьих, по крайней мере теоретически, этот
двигатель должен обладать большой эффективностью по превращению тепла
в работу. Однако, по ряду причин двигатель Стирлинга так и не получил
широкого распространения: вначале победил паровой котел, а затем
двигатель внутреннего сгорания. Тем не менее, интерес к идее Стирлинга
периодически возрождается [1-6]. Это объясняется и тем, что двигатель не
слишком загрязняет окружающую среду, и тем, что в качестве источника
тепла необязательно использовать сжигание продуктов переработки нефти.
Фактически, двигатель Стирлинга может работать от любого перепада
температур.
Принцип действия двигателя Стирлинга описан в разделе 2. В разделе 3
рассмотрено устройство и принцип работы действующей модели, несколько
отличающейся от классического двигателя Стирлинга. Целью настоящей
работы является изготовление такой модели из доступных материалов и ее
5
испытание. Данное устройство может быть использовано в качестве
наглядного пособия для лекционной демонстрации, а также послужить
основой лабораторной работы по термодинамике.
6
2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА
Рассмотрим основные принципы действия классического двигателя
Стирлинга (рис. 2.1). Два поршня, хорошо подогнанных к цилиндру, могут
двигаться влево и вправо либо под давлением воздуха в цилиндре, либо под
действием внешнего механизма, с которым они соединены. В средней части
цилиндра находится пористый материал (например, металлическая сетка),
так называемый регенератор, который при работе двигателя то запасает, то
отдает тепло. Регенератор должен быть не слишком хорошим проводником
тепла, чтобы сохранять разность температур между холодным и горячим
цилиндрами. Сбоку от поршней располагаются два «тепловых резервуара»,
температура которых поддерживается постоянной. Левый, «нагреватель»,
имеет высокую температуру благодаря источнику тепла, а правый,
«холодильник»,— низкую благодаря устройству для отвода тепла.
При работе двигателя циклически изменяется давление, температура и
объем воздуха внутри цилиндра иначе говоря, его состояние. На рисунке
показано положение поршней, соответствующее четырем состояниям,
которые можно лучше понять, обратившись к диаграмме справа на рис. 2.1,
где показана зависимость давления воздуха от объема. Работе двигателя
соответствует обход криволинейного четырехугольника по часовой стрелке.