Просмотр исходного текста страницы Модель машины Стирлинга и ее история

<center>'''Научно-практическая конференция учащихся '''</center>

<center>'''«Преемственность поколений. Шатура - 2009»'''</center>


<center>'''Область знания: '''«ФИЗИКА»</center>


<center>'''Тема: «Модель машины Стирлинга и её история»'''</center>


<div align="right">'''Автор: Никишин Владимир'''</div>

<div align="right">''учащийся 8 математического класса''</div>

<div align="right">''МОУ лицея ''</div>

<div align="right">''Шатурского муниципального района''</div>


<div align="right">'''Руководитель: '''</div>

<div align="right">'''Митькина Ольга Ивановна'''</div>

<div align="right">учитель физики, </div>

<div align="right">руководитель секции </div>

<div align="right">астрофизики </div>

<div align="right">научного лицейского общества</div>

<div align="right">«Эврика»</div>


<center>2009 год</center>

<center>'''Содержание:'''</center>


# Откуда, где и когда появилась машина
# Принцип работы
# В каких отраслях используется
# Модель машины и принцип её работы
# Преимущества и недостатки тепловых двигателей
# Расчет КПД модели
# Демонстрация модели в действии

'''Введение.'''


«Наука ищет пути всегда одним способом, - писал вначале 20 века русский мыслитель и естествоиспытатель Владимир Иванович Вернадский. – Она разлагает сложную задачу на более простые, затем, оставляя в стороне сложные задачи, разрешает более простые и тогда только возвращается к оставленной сложной». Свою первую исследовательскую работу я начал с простого, чтобы осмыслив продолжить её на качественно новом уровне.

'''Проблема исследования:'''

Изучение устройства двигателя внешнего сгорания, конструирование модели и изучение её возможностей.

'''Предмет исследования:'''

Двигатели замкнутого цикла Роберта Стирлинга.

'''Цель работы:'''

# 
#* построение модели простейшей тепловой машины, 
#* демонстрации принципа работы,
#* вычисление КПД модели двигателя внешнего сгорания.

'''Задачи:'''

* обобщение конструкций уже известных двигателей замкнутого цикла;
* поиск возможности моделирования данной конструкции;
* анализ полученных результатов.

'''Методы:'''

* накопление теоретических материалов;
* осмысление собранной информации;
* проверка и уточнение фактов;
* составление проекта конструкции;
* сборка модели по схеме;
* демонстрация модели в действии.

'''Источники:'''

Научно-популярная литература.


'''1. Откуда, где и когда появилась машина.'''

[[Image:]]


Несмотря на ученую степень доктора богословия, шотландский пастор Роберт Стирлинг (1790-1878) получил известность не из-за своих богословских трудов, а благодаря работам в области термодинамики и теплотехники. В 1816 г. Стирлинг получил патент № 4081 на "машину, которая производит движущую силу посредством нагретого воздуха". В 1827 и 1840 гг. он получил еще два патента (№ 5456 и 8652) на усовершенствованные варианты своей машины. 

В 1845г. на литейном заводе в Данди была пущена машина Стирлинга мощностью 50 индикаторных лошадиных сил. Проработала она целых три года и "…была брошена из-за постоянной порчи нагревательных приборов". Другими словами, материал горячей части цилиндра не выдерживал одновременного действия высокой температуры и внутреннего периодически меняющегося давления. Преодолеть этот недостаток на уровне техники того времени было невозможно, ведь первые жаропрочные стали с относительно высокими механическими свойствами были созданы только через полвека.

Долгое время после этого двигатели Стирлинга не строились; только в конце XIX века было выпущено несколько образцов таких машин малой мощности. Затем в связи с успехами двигателей внутреннего сгорания машина Стирлинга была совершенно забыта. Только в 1938 г. началось возрождение "стирлингов", которое в 1960-1970 годах привело к развертыванию довольно широких исследований и даже промышленных разработок, связанных с идеей машины Стирлинга, и других технических систем, принцип действия которых так или иначе основан на цикле Стирлинга


'''2. Принцип работы.'''


Машина Стирлинга – это двигатель внешнего сгорания, в нем нет клапанов, а рабочее тело остается газообразным и циркулирует в замкнутом объеме. Он может работать при очень малой разнице температур от любого источника тепла – от газовых горелок до солнечных концентраторов и даже тепла рук (последнее любят демонстрировать преподаватели физики во время лекций по термодинамике). Конструкция машин проста, газ находится внутри под невысоким давлением, поэтому они более безопасны, чем паровые машины. При низких температурах двигатель Стирлинга даже более эффективен (в отличие от ДВС, двигателя внутреннего сгорания). И он почти бесшумен, что может быть критично в некоторых случаях (например, при движении субмарин в подводном состоянии).


'''3. В каких отраслях используется.'''


Двигатели и машины Стирлинга используются в различных отраслях. Самая важная – энергетическая, хотя и в авто и судопромышленности тоже. Рассмотрим несколько примеров.


[[Image:]]


Солнечная версия двигателя Стерлинг 161 используется между тем несколькими производителями в различных исполнениях. На испанском солнечном плато de Алмерию с 1997 работают 6 систем. Целью проекта является сокращение стоимости капиталовложений до 5.000 евро / киловатт. Работы очень интенсивны и показывают хорошие результаты. 

Используются они и в автомобильном строении.

[[Image:]]Почти всеми ведущими компаниями - производителями автомобилей проводились широкомасштабные исследования, связанные с оценкой возможности замены двигателей внутреннего сгорания двигателем Стирлинга. Был проделан большой объем научно-исследовательских работ по этим двигателям. Были разработаны и испытаны различные конструкции двигателя: одноцилиндровые и многоцилиндровые вытеснительного типа с обычным кривошипно-шатунным и ромбическим механизмом, многоцилиндровые двойного действия с наклонной шайбой, свободнопоршневые с различными приводами. Фирма "Даймлер Бенц" получила патент на схему роторного двигателя, работающего по циклу Стирлинга.


'''4. Модель машины и принцип её работы.'''


Рассмотрим одну из конструкций. Возьмём жестяную банку диаметром примерно 50 мм и укрепим на ней нитками кусочек резины от воздушного шарика. После этого нагреем дно банки на свечке, мембрана деформируется. Это значит, что произошел переход тепла в работу растяжения мембраны.Подуем на банку, и увидим, что мембрана втянется. Как видите, при нагревании и охлаждении банки происходит переход тепла в работу. Но превращать банку в двигатель не стоит: ведь это еще очень несовершенная машина.


Прежде всего, она не долговечна, поскольку резиновая мембрана соприкасается с горячим воздухом. Да и КПД получится слишком мал. Ведь почти всё тепло, потраченное на нагревание воздуха, теряется при его охлаждении.

Эти недостатки решаются с помощью одного приёма придуманным Робертом Стирлингом - введением вытеснителя.

Вытеснитель - это деревянный цилиндр, с небольшим зазором, вставленным в банку. Он привязан на леске, а леска пропущена через крохотное отверстие в мембране.

Начнем с того момента, когда в банке воздух холодный, а вытеснитель лежит на её дне. Если зажечь кусочек сухого спирта, то воздух почти не нагреется. Но вот мы потянули за леску, подняли вытеснитель, и мембрана раздулась. Это произошло потому, что у дна воздух нагрелся и его давление, по закону Паскаля, передалось холодному воздуху.

Обратите внимание, резинка раздулась от давления холодного воздуха и, значит, сможет долго работать, не разрушаясь.

Если вытеснитель опустить, то поступление тепла через дно прекратится, и оно станет уходить через стенки. Воздух остынет, и мембрана снова втянется в банку. Таким образом, вытеснитель выполняет роль переключателя потоков тепла.

А теперь представьте себе - согнутый из проволоки кривошип, который автоматически поднимает и опускает вытеснитель, а на него наденем шатун - деревянную палочку такой длинны, чтоб она постоянно соприкасалась с мембраной.

Такой кривошипно-шатунный механизм сможет управлять перемещением вытеснителя и снимать с мембраны полезную мощность. Правда, у него есть мертвые точки, в которых он способен застрять. Но стоит добавить небольшую массу на стержне, и двигатель сможет самостоятельно работать, пока горит сухой спирт.

Теперь поговорим о конкретном исполнении простейшего «стирлинга». Он состоит из той самой банки, с которой мы проводили опыты. Её необходимо закрепить на деревянный шатун и маховик. 


'''5. Преимущества и недостатки тепловых двигателей.'''


У всех тепловых двигателей данной конструкции невысокий КПД . Он конечно меньше чем у двигателей внутреннего сгорания, но ведь для их питания нужно намного меньше чем для ДВС. Возьмем обычный двигатель от легковой машины. Для его нормальной и долгой работы нужно 3 литра бензина, а для работы точно такого по мощности двигателя, но уже не внутреннего, а внешнего сгорания, то есть «стирлинга», нужно всего-то 1,5 литра бензина или немного другого горючего материала и самое обычное воздушное охлаждение. Да и работать он может намного дольше. Ведь у него замкнутый цикл.

Даже во время Великой Отечественной войны весь бензин, и другие виды топлива из нефти поставлялись на фронт для танков, самолётов и прочей военной техники, то в тылу можно было встретить и грузовые автомобили с тепловым двигателем, работающим на деревянных чурочках. 

Эти двигатели неприхотливы и могут давать пользу от всего, что дает достаточное количество тепла для их благополучной работы. Но сконструировать этот двигатель производителю намного сложнее. Его компоненты очень дороги. Ведь не каждая авто-, судо- или авиастроительная кампания способна на такую роскошь. Сбыт у такого транспорта был бы очень малым. 

Но буквально все конструкции модели «стирлингов» используются в энергетической отрасли.


'''6. Расчет КПД модели.'''


Максимально возможный КПД двигателя рассчитаем по формуле Карно: [[Image:]].

Проводим следующие расчёты: [[Image:]].

На практике КПД получается не больше 1%, т.к. часть энергии, поступающей от пламени свечи рассеивается, идёт на нагревание не только воздуха, но и цилиндра, рамки держателя, а также на преодоление трения. 


'''7. Демонстрация сконструированной мною модели в действии.'''


'''Используемая литература:'''


* Элементарный учебник физики под редакцией акад. Г.С. Ландсберга
* '''Энциклопедия '''для детей. Техника. \ Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2001.
* '''Статья '''профессора Сабуро Тсукчида «A Can Strling Engline»

[[Категория:НУЦ]]
[[Категория:ИПЛИТ РАН]]