Низкотемпературный двигатель стирлинга своими руками

Низкотемпературный двигатель стирлинга своими руками

в т.ч. гостей: 100
пользователей: 0

Заголовок не совсем точен — эта статья, скорее, введение в понимание работы ветряка и на что следует обратить внимание в первую очередь при желании самостоятельно его изготовить.

Описана распространенная плата БМС для литиевых аккумуляторов. Дана схема и некоторые ее доработки для более стабильной работы.

Относительно простая доработка солнечной батареи с USB выходами для увеличения снимаемой с нее мощности и получения возможности заряжать внешние LiIon аккумуляторы.

Рассмотрена простая схема «идеального» диода. Работа схемы разобрана до мелочей, поэтому собрать ее сможет даже полный «чайник» в электронике.

Используя физический принцип радиационного охлаждения неба, команда смогла собрать небольшое, но полезное количество энергии из холодного ночного неба, используя простое, недорогое и некритичное устройство.

Как влияет на характеристики Li-Ion аккумулятора его глубоких разряд (вплоть до нуля)? Насколько он вреден, или, наоборот, относительно безопасен? В статье попытка разобраться с этим. Не на профессиональном, конечно, уровне, но как информация к размышлению.

Продолжение описания сборки самодельного модульного накопителя на LiFePo4 аккумуляторах.

Весьма неплохая платка повышающего преобразователя, поддерживающая протоколы быстрой зарядки.

Генератор дома. Двигатель Стирлинга

Работа победителя конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная физика» среди работ учащихся 7–9 классов

Актуальность

Я выбрала данную тему для проекта, потому что заинтересовалась принципом работы такого устройства, как двигатель Стирлинга, и вариантами его применения в реальной жизни. В данный момент двигатели Стирлинга нельзя назвать очень известным и распространённым источником энергии. Они почти не производятся с начала прошлого века, что связано с появлением двигателей внутреннего сгорания. Но двигатель Стирлинга имеет множество неоспоримых преимуществ и, возможно, в будущем, с изменением приоритетов в развитии техники, двигатель «выйдет в массы». Поэтому имеет смысл начать продвигать идею его использования уже сейчас.

Цель

Создать модель двигателя Стирлинга и провести исследование по практической применимости данного устройства, посчитав его КПД.

Задачи

1. Изучить принцип работы, историю и типы двигателей Стирлинга.
2. Проанализировать преимущества и недостатки данного двигателя.
3. Создать чертежи модели.
4. Изготовить действующую модель.
5. Провести эксперимент по определению КПД изготовленной модели.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Персональный компьютер с установленным ПО: Adobe Photoshop, Trello, Tinkercad, Maestro Wizard, Arduino IDE
• 3D-принтер Maestro Classic

Описание

В ходе сборки модели у автора было несколько вариантов её конструкции. В основе первой из них лежало создание основного цилиндра из банки от газировки. Вытеснительный поршень в первом варианте модели был выполнен из гофрированного картона, обёрнутого в алюминиевую фольгу. Второй цилиндр был выполнен из баллончика от спрея, на который натягивалась мембрана. Коленчатый вал был выполнен из алюминиевой вязальной спицы. Опоры для вала сделаны из двух деревянных линеек.

Первая модель сборки имела следующие недостатки, мешающие работе двигателя:

— стенки основного цилиндра были настолько тонкими, что при сборке конструкции деформировались и создавали излишнее трение;

— поршень из картона недостаточно плотно прилегал к стенкам цилиндра, из-за чего отсутствовала компрессия.

В связи с этим было принято решение поменять материал основного цилиндра – заменить его на баллончик от освежителя воздуха; новый поршень выполнить на 3D-принтере. Жёсткость цилиндра повысилась, появилась компрессия, однако возникла следующая проблема: при нагревании двигателя пластиковый поршень расширялся, пластмасса плавилась и движение поршня останавливалось. Поэтому было принято решение напечатать поршень меньшего диаметра и обернуть его в несколько слоёв алюминиевой фольги, чтобы сделать поршень более жароустойчивым.

Эксперимент

Для проведения экспериментальной части по расчёту КПД двигателя автор высчитал полученную электрическую энергию двигателя и сравнил её с преобразованной энергией тепловой.

Автор взял в качестве источника таблетку сухого горючего (сухой спирт) массой 15 г. По данным открытых источников, удельная теплотворная способность сухого спирта около 31300 кДж/кг. Исходя из этих данных, автор нашёл энергию, содержащуюся в одной таблетке – 469,5 кДж. С учётом потерь (30 %) энергия, дошедшая до двигателя, составила 330 кДж.

На одной таблетке двигатель работал около 15 мин. При вращении ротора двигателя создался электрический ток, показатели которого составили около 10 Ватт. Итак, полученная электрическая энергия при работе двигателя составила около 9 кДж.

КПД всей энергоустановки был найден из отношения полученной электроэнергии (9 кДж) и изначальной тепловой (330 кДж). Полученный КПД составил 2,73 %, что достаточно мало.

Результаты работы/выводы

При создании модели в домашних условиях изготовленная установка имеет низкий КПД и вырабатываемую мощность. Поэтому для увеличения получаемой энергии требуется значительное увеличение размеров, что не является целесообразным.

Перспективы использования результатов работы

Перспектива развития моего проекта состоит в усовершенствовании моей модели и поиске новых вариантов применения двигателя Стирлинга. Моей целью является также создание более мощного типа двигателя, состоящего из нескольких цилиндров.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Работа выполнена при сотрудничестве с МГТУ им. Н.Э. Баумана. Работа выполнена на базе «Инжинириум МГТУ им. Н.Э. Баумана».

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Победитель конференции «Инженеры будущего».

Победитель конференции «Наука для жизни».

Призер конференции «Технопарк».

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«Я считаю свою работу успешно выполненной. Благодаря ей я расширила свои познания в физике и углубилась в интересующую меня тему. Проект «Инженерный класс в московской школе» является отличной задумкой для развития предпрофессиональных навыков и в целом для пробуждения у школьников интереса к профессии инженера. Конференция «Инженеры будущего» – отличное место для демонстрации своих научных достижений, знаний и получения незабываемого опыта выступления на публике»

Так в чем же проблемы изготовления двигателя Стирлинга с высоким КПД?

Как и большинство «виртуальных стирлингостроителей», заинтересовавшихся теоретическим КПД двигателя «Стирлинга», столкнулся с множеством вопросов и заново вспомнил (да и пересмотрел с практической точки зрения) законы термодинамики. В итоге, так до конца и не выяснил, почему же при таких хороших показателях в теории, все так плохо обстоит на практике. Вот то, что смог нарыть в Интернет.

1. Теоретический КПД, вроде бы, может быть равен КПД идеального цикла Карно (то есть максимально возможному, при определенной разнице температур), но при условии «идеального» регенератора, с коэффициентом теплопередачи 1,0. Вот тут неясно. В одних источниках пишут, что максимальный коэффициент 0,5, обосновывая тем, что тепло будет переходить от горячего тела к холодному, пока не сравняется их температура, то есть достигнет половины разницы температур горячего и холодного тела (тот самый коэффициент 0,5). Но в некоторых источниках упоминается коэффициент теплопередачи регенератора до 0,98, при этом не описывается, каким образом это достигается. Где правда, непонятно.
2. Альфа-стирлинг (два цилиндра с поршнями — горячий и холодный) имеет проблемы со смазкой горячего поршня. Тогда почему именно этот тип пользуется популярностью?
3. Бетта-стирлиг (один цилиндр, с вытеснителем в горячей части и поршнем в холодной) и гамма-стирлинг (два цилиндра — горячий с вытеснителем и холодный с поршнем) не имеют проблем со смазкой, так как трение о стенки только в холодном цилиндре, а вытеснитель имеет зазор от стенок цилиндра и не нуждается в смазке. То есть, такие двигатели могут работать с большой разницей температур, а значит с большим КПД. Но, почему-то, они считаются менее перспективными, чем альфа-стирлинги.

К тому же, важным показателем, влияющим на КПД, является время циклов (количество оборотов) – чем оно больше, тем лучше теплообмен и выше КПД. Но, при этом, наблюдается «гонка за оборотами», которую обосновать чем-то, кроме как маркетинговыми интересами довольно трудно. То есть, причина типа «потери в редукторе при низких оборотах» не выдерживает критики – такие потери исчисляются всего лишь процентами, а прирост КПД может быть выше 10-30%. Поэтому, создается ощущение, что разработчики гонятся больше за такими характеристиками, как удельная мощность и оборотистость, чтобы противопоставить «стирлинги» ДВС, а КПД приносят в жертву.

Но ведь можно оставить пока гонки с ДВС на транспорте и сосредоточится на стационарных двигателях Стирлинга, работая над повышением их КПД и удешевлением конструкции. Работающие на любом виде топлива, в том числе и на солнечной энергии, эти двигатели могут, в перспективе, конкурировать с солнечными батареями. И у них неплохие перспективы в области возобновляемой энергии, в том числе древесное топливо, которое за счет солнечной энергии «восстанавливается» за несколько десятилетий. И опять же, всеядность этих двигателей позволяет создавать электростанции (в том числе бытовые) комбинированного типа – пока есть солнце, работает от солнечной энергии, когда нет, то на твердом топливе.

Правда, достижение высокого КПД, это не единственное направление, за которое стоит бороться, двигатели Стирлинга имеют еще один недостаток – так как источник тепла находится за пределами объема двигателя, а рабочее тело (газ) имеет низкую теплопроводность, то получается, что в работе участвует только газ, находящийся у стенок цилиндра. А значит, что отношение роста мощности к увеличению объема цилиндра, находится в обратной квадратичной зависимости. То есть, чтобы увеличить мощность в 5 раз, надо увеличить объем цилиндра в 25 раз.
Именно поэтому, на заре «стирлингостроения» более-менее мощные двигатели были массивнее даже паровых машин при той же мощности. Сейчас эта проблема решается путем накачки двигателя газом под большим давлением, то есть увеличивается масса рабочего тела при том же объеме. Но этот путь тоже тупиковый – в двигателях больше пары литров, опять же, стоит та же проблема, квадратичное отношение роста объема к росту мощности. Да и проблемы с утечкой рабочего тела при давлениях в 100-200 атмосфер трудно решить.