Ученики на Учителя.com


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.
7
Рис. 2.1. Четыре состояния классического двигателя Стирлинга
(слева) и его рабочий цикл в координатах давление — объем (справа).
8
Вначале рассмотрим состояние 1, которое соответствует первому из
серии рисунков, а также верхней левой вершине криволинейного
четырехугольника. Поршень В находится вблизи регенератора, поршень А
несколько дальше. Воздух между поршнями имеет повышенное давление. По
мере того как воздух нагревается от нагревателя, он расширяется и толкает
поршень А влево; поскольку объем между поршнями увеличивается,
давление уменьшается. В процессе расширения воздуха его температура
поддерживается постоянной за счет нагревателя, поэтому такое расширение
называют изотермическим. Фазе расширения соответствует верхняя кривая
криволинейного четырехугольника на рисунке. Когда поршень А достигнет
крайнего левого положения, воздух перейдет в состояние 2.
В следующий момент оба поршня вынуждены начать двигаться вправо
— не под влиянием тепла, а под воздействием специального механического
устройства, с которым они соединены. В результате поршень А приблизится
к регенератору, а поршень В уйдет до конца вправо. Воздух теперь находится
в состоянии 3. Двигаясь, поршни заставляют воздух проходить через
регенератор, который отбирает у воздуха часть тепла и охлаждает его.
Поскольку поршни движутся как одно целое, объем воздуха во время этой
переходной фазы не меняется, поэтому говорят, что переход происходит при
постоянном объеме.
Теперь механическое устройство, соединенное с поршнем В, толкает
поршень влево. Во время сжатия воздух отдает тепло холодильнику.
9
Холодильник поддерживается при постоянной температуре, поэтому
температура воздуха не меняется; соответственно эту фазу называют
изотермическим сжатием. В конце фазы сжатия воздух переходит в
состояние 4. В завершение цикла механическое устройство сдвигает поршни
до конца влево и они оказываются в положении 1, с которого мы начали
анализ. На этот раз переход также происходит при постоянном объеме. Когда
воздух проходит через регенератор, он забирает тепло, которое отдал во
время предыдущего перехода при постоянном объеме.
Работа двигателя соответствует обходу криволинейного
четырехугольника на графике. Во время перехода из положения 1 в
положение 2 один из поршней перемещается под действием
расширяющегося воздуха. Во время остальных трех переходов поршни
приводятся в движение механическим устройством. Совершает ли двигатель
полезную работу? Иными словами, производит ли воздух большую работу
над механическим устройством, чем это устройство над воздухом?
Напомним, что работа определяется как произведение силы на
перемещение объекта. То, что создает силу, теряет энергию, и эта энергия
проявляется в виде движения объекта. В задачах термодинамики удобно
выражать работу как произведение давления на изменение объема (см.,
например, [7]).
Если стенки не перемещаются под действием давления, то воздух не
производит никакой работы. Таким образом, чтобы воздух мог производить
10
работу, емкость должна расширяться. Если под действием внешней силы
емкость сжимается, то работа производится не воздухом, а этой внешней
силой. Объект, ответственный за появление этой силы (это может быть
человек или некоторое механическое устройство), теряет энергию и эта
энергия передается стенкам емкости, а затем молекулам воздуха. В этом
случае работа совершается против давления воздуха, но также равна
произведению давления на изменение объема.
Идея, лежащая в основе двигателя Стерлинга, состоит в том, чтобы
заставить воздух совершать работу над поршнем, толкая его наружу, что
приводит к увеличению объема между поршнями. Это движение поршня
можно передать механизму, который будет выполнять какие-то полезные
действия. Если бы, однако, такое перемещение поршня было единичным,
этот аппарат вряд ли можно было назвать двигателем. Временами воздух в
двигателе должен каким-то образом сжиматься, чтобы, расширившись, он
мог совершать работу заново. Коротко говоря, объем воздуха должен
изменяться циклически. Но, как мы уже говорили, для того чтобы сжать
воздух, над ним нужно произвести некоторую работу. Чтобы двигатель был
способен совершать полезную работу, внешний механизм в ходе цикла
должен затрачивать на сжатие воздуха меньшую работу по сравнению с той,
какую производит воздух над механизмом.
Решение этой проблемы лежит в использовании тепловых свойств
воздуха. Воздух производит работу над поршнем А во время
11
изотермического расширения, когда его температура повышена (а вместе с
ней – и давление). Поскольку работа, совершаемая воздухом, зависит от
давления, она также велика. Механизм же совершает работу над воздухом
при пониженной температуре воздуха. В результате двигатель оказывается
способным производить полезную работу.
Работа, которая совершается двигателем за один цикл, может быть
определена из графика зависимости давления воздуха от объема. Во время
изотермического расширения работа, совершаемая воздухом, выражается
площадью под соответствующей кривой. (Этот участок сверху ограничен
кривой, снизу — осью объема, а сбоку — двумя вертикальными линиями,
проведенными через концы кривой.) При изотермическом сжатии работа,
совершаемая над воздухом, также выражается площадью под
соответствующей кривой. Фазе действия при постоянном объеме
соответствует нулевая работа, поскольку объем воздуха не меняется. Чтобы
найти полное количество полезной работы, производимой двигателем в
течение одного цикла, надо из площади, расположенной под кривой
расширения, вычесть площадь, расположенную под кривой сжатия. Эта
разность равна площади криволинейного четырехугольника.
Коэффициент полезного действия двигателя Стирлинга совпадает с
к.п.д. двигателя Карно при условии, что оба двигателя работают идеально и
циклы совершаются квазистатически. Однако, площадь, ограниченная на
графике давление-объем циклом Стирлинга, превышает площадь,
12
ограниченную циклом Карно. Поэтому за каждый цикл двигатель Стирлинга
совершает больше работы (разумеется, поглощая при этом больше теплоты).
13
3. МОДЕЛЬ ДВИГАТЕЛЯ СТРИЛИНГА ИЗ ПОДРУЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В статье [6] описана схема настольной модели двигателя Стирлинга
(предложенная П. Тайлером), которую легко соорудить из подручных
материалов. Привлекательная особенность данного аппарата состоит также в
том, что он не нуждается в тщательной подборке цилиндров и поршней в
отличие от классических моделей двигателя Стирлинга и двигателей
внутреннего сгорания. В качестве поршней можно взять две жестяные банки
из-под пива, частично погрузив их в воду (рис. 3.1, 3.2). Воду наливают в два
бачка, стоящих в нижней части аппарата. К каждой банке приделан шатун;
другой конец шатуна прикреплен к кривошипу маховика, установленного в
верхней части аппарата. Трубка с воздухом соединяет банки, проходя внутри
бачков.
Если один бачок с водой нагревать (например, с помощью паяльной
лампы), воздух в соединительной трубке начинает колебаться взад и вперед,
банки поднимаются и опускаются и маховик вращается со скоростью
несколько десятков оборотов в минуту. Работа двигателя определяется двумя
особенностями аппарата. Одна из них – расположение кривошипов на
маховике: они должны быть перпендикулярны друг другу (при взгляде
сбоку). Другая – способ передачи тепла от источника воздуху в одной из
банок.
14
Рис. 3.1. Модель двигателя Стирлинга.
15
Рис. 3.2. Узел из трубок, банок и бачков.
16
Подогреваемый бачок служит нагревателем. Другой бачок служит
холодильником (его низкая температура поддерживается благодаря
тепловому излучению и конвекции). Пространство, занимаемое воздухом,
включая соединительную трубку, служит цилиндром. Роль регенератора
играет либо сама трубка, либо проволочная сетка внутри ее. Наконец,
механизмом, к которому прикреплены банки, является маховик.
Рис. 3.3 показывает, как воздух внутри «цилиндра» реагирует на нагрев
и на движение маховика. На рисунках показано смещение банок и
поверхности воды, направление течения воздуха и ориентация кривошипов
для восьми состояний. Метки у кривошипов указывают, с каким из бачков
они соединены — с холодным или горячим.
Аппарат Тайлера похож на классический двигатель, хотя здесь мы не
встречаем настоящих изотермических переходов или переходов с
постоянным объемом. Однако если построить график зависимости давления
воздуха от его температуры, получится цикл, похожий на описанный выше
для классического двигателя. Чтобы изучить этот цикл, посмотрим, что
происходит с двигателем на стадии а сразу после завершения стадии h. Во
время стадии а «горячая» банка поднимается быстрее, чем опускается
«холодная». Затем обе банки поднимаются, пока не достигается стадия с.
После этого холодная банка начинает подниматься быстрее, чем опускается
горячая, пока не наступает стадия d. Заметим, что во время перехода от h к d
17
Рис. 3.3. Восемь стадий работы аппарата Тайлера.
18
в горячей банке находится больше воздуха, чем в холодной. Это означает,
что количество нагретого воздуха больше, чем количество холодного,
поэтому давление воздуха повышается. Заметим также, что во время
перехода от h к d объем воздуха возрастает. Расширение воздуха вызвано
дополнительным давлением, из чего следует, что воздух совершает работу
над банками, а значит, и над маховиком.
Когда двигатель находится в стадии работы между d и h, изменения
объема и давления происходят с обратным знаком и маховик производит
работу над воздухом. Движение банок приводит к сжатию воздуха; уход
воздуха в холодную банку уменьшает количество нагретого воздуха и
приводит к уменьшению давления. В фазе сжатия давление понижено,
поэтому работа, которую производит маховик над воздухом, меньше, чем
работа, которую воздух произвел над маховиком во время перехода от h к d
ранее. В результате образуется избыток работы, совершаемой воздухом.
Сделаем несколько замечаний относительно конструкции аппарата.
Кривошипы следует сделать из жесткой, негнущейся проволоки (подойдут
крючки от вешалок для одежды). В качестве поршней используются две
банки из-под пива с отпиленными верхушками. Рабочий ход каждого поршня
составляет 4 см. Бачками служат жестяные банки из-под кофе.
Соединительная трубка имеет внутренний диаметр 1-2 см, в каждый бачок
встроен отрезок трубки длиной 14 см. В средней части трубки проделано
дренажное отверстие.
19
Для подготовки двигателя к запуску кривошипно-шатунный механизм
поворачивается в положение, когда оба кривошипа смотрят под углом 45° к
вертикали. Затем при открытом дренажном отверстии в правый бачок
наливается холодная вода до тех пор, пока она не потечет в соединительную
трубку и не польется через дренажное отверстие. После этого в левый бачок
наливают горячую воду, пока она также не польется из дренажного
отверстия. Затем отверстие закрывают и начинают нагревать горячий бачок с
помощью паяльной лампы или горелки Бунзена.
Скорость вращения маховика зависит от разности температур между
двумя бачками. Мощность двигателя можно поднять, если соединительную
трубку частично заполнить металлической стружкой или кусками
металлической сетки, которая служила бы регенератором.
20
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения работы была изготовлена действующая модель
двигателя Стирлинга из подручных материалов. Данная модель может быть
использована на уроках физики в школе и лекциях по общей физике в вузе
при обсуждении основных законов термодинамики и принципов действия
тепловых двигателей. Кроме того, на основе данной модели может быть
разработана лабораторная работа, в ходе которой учащимся можно
предложить самостоятельно найти ответы на следующие вопросы:
1) Как зависит частота вращения маховика от разности температур
воды в бачках?
2) Будет ли маховик вращаться быстрее, если изменить величину
рабочего хода?
3) Что случится, если угол между кривошипами сделать отличным от
90°? Почему величина этого угла вообще играет какую-то роль и почему
«горячий» кривошип должен обгонять «холодный»?
4) Нельзя ли применить в качестве регенератора другой материал для
повышения скорости двигателя?
5) Возрастет ли к.п.д. двигателя, если вместо воды взять иную
жидкость? (Не используйте горючие или взрывоопасные жидкости!)
6) Что произойдет, если изменить длину шатунов, уменьшив или
увеличив высоту столба воздуха в банках?
21
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе. – М.: Мир, 1987. – 224 с.
2. Уокер Д. Двигатели Стирлинга. – М.: Машиностроение, 1985. – 408 с.
3. Новое покрытие // В мире науки. – 1987. – № 7. – С. 85-86.
4. На старте — двигатель внешнего сгорания // В мире науки. – 1989. –
№ 3. – С. 13-14.
5. Камен Д. Чистая энергетика // В мире науки. – 2007. – № 1. – С. 58-67.
6. Уолкер Дж. «Домашний» вариант двигателя Стирлинга из подручных
материалов // В мире науки. – 1990. – № 3. – С. 76-80.
7. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 1. Механика. Молекулярная
физика. – М., Наука, 1986. – 432 с.
8. Уолкер Дж. Жидкостный двигатель с внешним нагревателем —
лабораторные опыты // В мире науки. – 1985. – № 6. – С. 84-88.
Скачать материал

Физика - еще материалы к урокам: