Модель двигателя стирлинга: Двигатель Стирлинга — Википедия – Двигатель стирлинга — Вот Это Да! — Cheholshop.ru

Содержание

Модель двигателя стирлинга своими руками

Всем известный двигатель Стирлинга можно создать самостоятельно из подручных материалов. Любой источник тепла в этой конструкции способен дать вам на выходе из устройства энергию.

Для изготовления двигателя Стирлинга своими руками понадобятся:

пластиковый холдер из-под CD-дисков;

лист алюминия размером 25 х 13 см;

медная труба ¾ дюйма;

термопистолет и горячий клей;

ножевка по металлу;

Шаг 1. От CD-холдера необходимо отрезать часть конструкции. В итоге должна получиться окружность без дна и верха с ровными краями. Высота – около 4 см.

Шаг 2. Циркулем замеряйте диаметр получившейся окружности. Перенесите его на пенопласт. Сделайте два круга. Обязательно отметьте центр. Круги отшлифуйте лобзиком. Склейте их. Для четкого попадания в окружность проклейте внешний край клейкой лентой.

Шаг 3. Круги, диаметром с окружность CD-холдера вырежьте из алюминиевых листов. Их должно быть два.

Шаг 4. Ровно посредине верхнего алюминиевого листа просверлите отверстие, в которое будет входить проволока. Чтобы проволока двигалась прямо, как это необходимо нам, приварите кусочек угловой трубы, так как это показано на фото. В его верхней шляпке сделайте еще одно отверстие для проволоки. Возьмите саму проволоку, которая будет держать поршень, проверьте, чтобы она могла двигаться через эти отверстия, но при этом герметичность также имела место быть.

Ближе к краю верхней крышки просверлите еще одно отверстие диаметром равное кусочку имеющейся металлической трубы.

Шаг 5. Теперь необходимо сделать поршень. Для этого, возьмите кусок металлической трубы, который потом и войдет в данную конструкцию. Промойте ее и поставьте на крышку, застеленную кусочком полиэтиленового пакета. Изнутри смажьте трубку и сам пакет маслом. После этого залейте в получившуюся форму, подогретую эпоксидную смолу. Она должна быть теплой, не горячей. По мере ее застывания с силой поучившийся поршень вам придется вытолкнуть. Из проволоки сформируйте крючок. Просверлите в куске эпоксидной смолы отверстие и вставьте в него эту проволоку. Поршень готов.

Шаг 6. Часть конструкции нужно собрать. Дно конструкции приклейте при помощи горячего клея. Также сделайте еще несколько крючков из проволоки. Крючок, который будет располагаться посередине всей конструкции, обрежьте. Концы крючков заделайте эпоксидной смолой.

Шаг 7. Закрепите на алюминиевом верхнем листе трубу. Смажьте ее, вставьте поршень. Сделайте макет двигающей части конструкции. Для этого просто приложите бумагу и сделайте основные разметки. По нарисованному макету загните проволоку.

Шаг 8. В крючках просверлите отверстие, размером немного больше основной проволоки.

Шаг 9. ПВХ трубу разрежьте пополам прикрепите к алюминиевому основанию горячим клеем. В трубе сделайте отверстия, в которые вы и ставите проволочный коленчатый вал. На другой конец вала прикрепите крышку от пластиковой банки или компакт-диск. Они должны вращаться.

Шаг 10. Проверьте работоспособность механизма. Подгоните все детали. При необходимости смажьте движущиеся части механизма. Правильно собранный двигатель должен приходить в движение от нагревания воздуха. Последний, расширяясь от горячих температур, выталкивает поршень, который и приводит в движение сам двигатель.

Современное автомобилестроение вышло на такой уровень развития, при котором без фундаментальных научных исследований практически невозможно достигнуть кардинальных улучшений в конструкции традиционных моторов внутреннего сгорания. Такая ситуация вынуждает конструкторов обратить внимание на альтернативные проекты силовых установок . Одни инженерные центры сосредоточили свои силы на создании и адаптации к серийному выпуску гибридных и электрических моделей, другие автоконцерны вкладывают средства в разработку двигателей на топливе из возобновляемых источников (например, биодизель на рапсовом масле). Существуют и другие проекты силовых агрегатов, которые в перспективе могут стать новым стандартным движителем для транспортных средств.

Среди возможных источников механической энергии для автомобилей будущего следует назвать двигатель внешнего сгорания, который был изобретен в середине XIX века шотландцем Робертом Стирлингом в качестве тепловой расширительной машины.

Схема работы

Двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу за счет изменения температуры рабочего тела (газа или жидкости), циркулирующего в замкнутом объеме.

В общем виде схема работы устройства выглядит следующим образом: в нижней части двигателя рабочее вещество (например, воздух) нагревается и, увеличиваясь в объеме, выталкивает поршень вверх. Горячий воздух проникает в верхнюю часть мотора, где охлаждается радиатором. Давление рабочего тела снижается, поршень опускается для следующего цикла. При этом система герметична и рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цилиндра.

Существует несколько вариантов конструкции силовых агрегатов, использующих принцип Стирлинга.

Стирлинг модификации «Альфа»

Двигатель состоит из двух раздельных силовых поршней (горячего и холодного), каждый из которых находится в своем цилиндре. К цилиндру с горячим поршнем подводится тепло, а холодный цилиндр расположен в охлаждающем теплообменнике.

Стирлинг модификации «Бета»

Цилиндр, в котором находится поршень, нагревается с одной стороны и охлаждается с противоположного конца. В цилиндре двигается силовой поршень и вытеснитель, предназначенный для изменения объема рабочего газа. Обратное перемещение остывшего рабочего вещества в горячую полость двигателя выполняет регенератор.

Стирлинг модификации «Гамма»

Конструкция состоит из двух цилиндров. Первый – полностью холодный, в котором движется силовой поршень, а второй, горячий с одной стороны и холодный с другой, служит для перемещения вытеснителя. Регенератор для циркуляции холодного газа может быть общим для обоих цилиндров или входить в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя Стирлинга

Как и большинство моторов внешнего сгорания, Стирлингу присуща многотопливность : двигатель работает от перепада температуры, независимо от причин его вызвавших.

Двигатель обладает простотой конструкции и не требует дополнительных систем и навесного оборудования (ГРМ, стартер, коробка передач).

Особенности устройства гарантируют длительный эксплуатационный ресурс: более ста тысяч часов непрерывной работы.

Двигатель Стирлинга бесшумен , так как в цилиндрах не происходит детонация и отсутствует необходимость вывода отработанных газов. Модификация «Бета», оснащенная ромбическим кривошипно-шатунным механизмом, является идеально сбалансированной системой, которая в процессе работы не имеет вибраций.

В цилиндрах двигателя не происходят процессы, которые могут оказать негативное воздействие на окружающую среду. При выборе подходящего источника тепла (например, солнечная энергия) Стирлинг может быть абсолютно экологически чистым силовым агрегатом.

Недостатки конструкции Стирлинга

При всем наборе положительных свойств немедленное массовое применение двигателей Стирлинга невозможно по следующим причинам:

Основная проблема заключается в материалоемкости конструкции. Охлаждение рабочего тела требует наличия радиаторов большого объема, что существенно увеличивает размеры и металлоемкость изготовления установки.

Нынешний технологический уровень позволит двигателю Стирлинга сравниться по характеристикам с современными бензиновыми моторами только за счет применения сложных видов рабочего тела (гелий или водород), находящихся под давлением более ста атмосфер. Этот факт вызывает серьезные вопросы как в области материаловедения, так и обеспечения безопасности пользователей.

Немаловажная эксплуатационная проблема связана с вопросами теплопроводности и температурной стойкости металлов. Тепло подводится к рабочему объему через теплообменники, что приводит к неизбежным потерям. Кроме того, теплообменник должен быть изготовлен из термостойких металлов, устойчивых к высокому давлению. Подходящие материалы очень дороги и сложны в обработке.

Принципы изменения режимов двигателя Стирлинга также кардинально отличаются от традиционных, что требует разработки специальных управляющих устройств. Так, для изменения мощности необходимо изменить давление в цилиндрах, угол фаз между вытеснителем и силовым поршнем или повлиять на емкость полости с рабочим телом.

Один из способов управления скоростью вращения вала на модели двигателя Стирлинга можно увидеть на следующем видео:

Коэффициент полезного действия

В теоретических расчетах эффективность двигателя Стирлинга зависит от разницы температур рабочего тела и может достигать 70% и более в соответствии с циклом Карно.

Однако первые реализованные в металле образцы обладали крайне невысоким КПД по следующим причинам:

неэффективные варианты теплоносителя (рабочего тела), ограничивающие максимальную температуру нагрева;
потери энергии на трение деталей и теплопроводность корпуса двигателя;
отсутствие конструкционных материалов, устойчивых к высокому давлению.

Инженерные решения постоянно совершенствовали устройство силового агрегата. Так, во второй половине XX века четырехцилиндровый автомобильный двигатель Стирлинга с ромбическим приводом показал на испытаниях КПД равный 35% на водном теплоносителе с температурой 55 °C.Тщательная проработка конструкции, применение новых материалов и доводка рабочих узлов обеспечили КПД экспериментальных образцов в 39%.

Современные образцы двигателя Стирлинга, такие как созданный американской компанией Mechanical Technology Inc, демонстрируют эффективность до 43,5%. А с освоением выпуска жаропрочной керамики и аналогичных инновационных материалов появится возможность значительного повышения температуры рабочей среды и достижения КПД в 60%.

Примеры успешной реализации автомобильных Стирлингов

Несмотря на все сложности, известно немало работоспособных моделей двигателя Стирлинга, применимых для автомобилестроения.

Заинтересованность в Стирлинге, подходящем для установки в автомобиль, появилась в 50-е годы XX века. Работу в данном направлении вели такие концерны, как Ford Motor Company, Volkswagen Group и другие.

Компания UNITED STIRLING (Швеция) разработала Стирлинг, в котором максимально использовались серийные узлы и агрегаты, выпускаемые автопроизводителями (коленчатый вал, шатуны). Получившийся в результате четырехцилиндровый V-образный мотор обладал удельной массой 2,4 кг/кВт, что сравнимо с характеристиками компактного дизеля. Данный агрегат был успешно опробован в качестве силовой установки семитонного грузового фургона.

Одним из успешных образцов является четырехцилиндровый двигатель Стирлинга нидерландского производства модели «Philips 4-125DA», предназначавшийся для установки на легковой автомобиль. Мотор имел рабочую мощность 173 л. с. в размерах, аналогичных классическому бензиновому агрегату.

Значительных результатов добились инженеры компании General Motors, построив в 70-х годах восьмицилиндровый (4 рабочих и 4 компрессионных цилиндра) V-образный двигатель Стирлинга со стандартным кривошипно-шатунным механизмом.

Аналогичной силовой установкой в1972 году оснащалась ограниченная серия автомобилей Ford Torino , расход топлива у которой снизился на 25% по сравнению с классической бензиновой V-образной восьмеркой.

В настоящее время более полусотни зарубежных компаний ведут работы по совершенствованию конструкции двигателя Стирлинга в целях его адаптации к массовому выпуску для нужд автомобилестроения. И если удастся устранить недостатки данного типа двигателей, в то же время сохранив его преимущества, то именно Стирлинг, а не турбины и электромоторы, придет на смену бензиновым ДВС.

Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Смотрим под катом подробное объяснение, как сделать его своими руками

История

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом».

В современной научной литературе этот очиститель называется «регенератор». Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. Чаще всего рекуператор представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходя через наполнитель рекуператора в одну сторону, отдаёт (или приобретает) тепло, а при движении в другую сторону отбирает (отдаёт) его. Рекуператор может быть внешним по отношению к цилиндрам, а может быть размещён на поршне-вытеснителе в бета- и гамма-конфигурациях. В последнем случае габариты и вес машины оказываются меньше. Частично роль рекуператора выполняет зазор между вытеснителем и стенками цилиндра (при длинном цилиндре надобность в таком устройстве вообще исчезает, но появляются значительные потери из-за вязкости газа). В альфа-стирлинге рекуператор может быть только внешним. Он монтируется последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.

В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.

Математическая модель свободнопоршневого двигателя Стирлинга

Библиографическое описание:

Бобылев А. В., Зенкин В. А. Математическая модель свободнопоршневого двигателя Стирлинга // Техника. Технологии. Инженерия. 2017. №1. С. 22-27. URL https://moluch.ru/th/8/archive/46/1862/ (дата обращения: 06.02.2020).

Представлено описание термодинамической модели двигателя Стирлинга, приведены основные уравнения и результаты моделирования 57-икиловаттной свободно-поршневой установки бета-типа.

Ключевые слова: двигатель Стирлинга, математическая модель, термодинамическая модель, свободнопоршневой двигатель, двигатель Била

Двигатель Стирлинга — это машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу, в которой циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема [1]. В настоящее время они применяются, когда необходима длительная работа энергетической установки без обслуживания, в случае жестких требований по многотопливности, или, например, по шуму. Данные двигатели применяют в солнечной энергетике, подводном флоте, различной спецтехнике. В космической отрасли двигатели Стирлинга возможно использовать в качестве энергетических установок, работающих на атомных или радиоизотопных источниках тепла.

Для задач проектирования в настоящее время применяют математические модели различного уровня сложности. Эти модели необходимы для того, чтобы подобрать параметры двигателя, получить его предварительные характеристики исходя из заданных требований.

Их разработка и реализация в настоящее время активно продолжается как в России [4], [5], [6], так и за рубежом [7], [8], [9].

В качестве первого этапа расчетного анализа двигателя Стирлинга широко применяются термодинамические математические модели, разработке которой и посвящена настоящая статья.

Математическая модель описывает рабочий процесс свободнопоршневого двигателя Стирлинга. За основу была выбрана установка, разрабатываемая NASA [3] в качестве генератора электрической энергии на космических станциях, приводимая в работу от ядерного реактора либо от солнечных батарей. Рабочее тело — гелий. Схема свободнопоршневого двигателя Стирлинга представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема свободнопоршневого двигателя Стирлинга

При формулировке математической модели был принят ряд допущений:

‒ рабочая область разбита на восемь объемов:

‒ полость сжатия, ;

‒ холодильник, ;

‒ регенератор, разбитый на три объема, ;

‒ нагреватель, ;

‒ полость сжатия, ;

‒ буферная полость, ;

‒ газ, находящийся внутри каждого из объемов, описывается первым законом термодинамики для открытых систем;

‒ движение вытеснителя и рабочего поршня — свободное, описано вторым законом Ньютона;

‒ тепловое состояние деталей конструкции не изменяется во времени и предполагается заданным;

‒ теплообмен в теплообменниках и регенераторе описывается законом Ньютона-Рихмана;

‒ утечки через зазоры отсутствуют;

‒ перетекание газа из объема в объем рассчитывается по квазистационарным соотношениям.

Схема сил, действующих на вытеснитель и рабочий поршень представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема приложения сил к вытеснителю и рабочему поршню

Модель двигателя описывается восемнадцатью интегрируемыми уравнениями, которые приведены ниже:

1) Уравнение перемещения вытеснителя

где – перемещение вытеснителя, м;

– скорость вытеснителя, м/с.

2) Уравнение перемещения рабочего поршня

где – перемещение рабочего поршня, м;

– скорость рабочего поршня, м/с.

3) Уравнение скорости вытеснителя

где,, — давления в буферной полости, полости сжатия и полости расширения соответственно, Па;

, , — площади штока, вытеснителя со стороны полости сжатия и вытеснителя со стороны полости расширения соответственно, ;

– коэффициент демпфирования вытеснителя, кг/с;

– коэффициент жесткости пружины вытеснителя, ;

– масса вытеснителя, кг.

4) Уравнение скорости рабочего поршня

где – площадь рабочего поршня, ;

– коэффициент демпфирования рабочего поршня, кг/с;

– коэффициент жесткости пружины рабочего поршня, ;

– масса рабочего поршня, кг.

5) Уравнения расхода рабочего тела через полость сжатия

где , если –расход через проходное сечение между полостью сжатия и холодильником, кг/с. Остальные расходы через проходные рассчитываются аналогично;

— давление в холодильнике, Па;

– плотность рабочего тела в полости сжатия, ;

— показатель адиабаты;

– площадь проходного сечения из полости сжатия в холодильник.

6) Уравнение расхода рабочего тела через холодильник

7) Уравнение расхода рабочего тела через первую полость регенератора

8) Уравнение расхода рабочего тела через вторую полость регенератора

9) Уравнение расхода рабочего тела через третью полость регенератора

10) Уравнение расхода рабочего тела через нагреватель

11) Уравнение расхода рабочего тела через полость расширения

12) Уравнение внутренней энергии для полости сжатия

где — поток энтальпии через проходное сечение, Дж/с;

– удельная теплоемкость рабочего тела при постоянном давлении.

13) Уравнение внутренней энергии для холодильника

где – площадь поверхности теплообмена в соответствующей полости, ;

– коэффициент теплоотдачи в соответствующей полости, ;

– температура поверхности теплообмена, К;

— температура рабочего тела, К.

14) Уравнение внутренней энергии для первой полости регенератора

15) Уравнение внутренней энергии для второй полости регенератора

16) Уравнение внутренней энергии для третьей полости регенератора

17) Уравнение внутренней энергии для нагревателя

18) Уравнение внутренней энергии для полости расширения

Значения констант и коэффициентов для рассматриваемого двигателя были приняты, основываясь на [3].

В качестве среды разработки использовался программный комплекс Matlab [2]. Модель была составлена в соответствии с функциональной парадигмой программирования, для интегрирования дифференциальных уравнений был применен метод Рунге-Кутты четвертого порядка.

Результаты математического моделирования

В результате интегрирования системы уравнений, описанных выше, были получены характеристики рабочего процесса двигателя, представленные в таблице 1.

Таблица 1

Интегральные характеристики свободнопоршневого двигателя Стирлинга

Эффективная мощность, кВт	57,4
Частота, Гц	94,3
Средняя температура в нагревателе, К	894,9
Средняя температура в холодильнике, К	469
Среднее давление, МПа	13,8
Амплитуда рабочего поршня, мм	15,1
Амплитуда вытеснителя, мм	8,1
Фаза между вытеснителем и поршнем, градус	61,1
Фаза между вытеснителем и давлением, градус	74,7
Фаза между поршнем и давлением, градус	13,6

Мгновенные значения параметров моделируемой системы приведены на рисунках ниже. PV-диаграмма представлена на рис. 3. На рис. 4 представлен график движения поршней, на рис. 5–6 представлены графики параметров газа в теплообменниках.

Рис. 3. PV-диаграмма двигателя

Рис. 4. График перемещения вытеснителя и рабочего поршня в зависимости от времени

Рис. 5. Температура в холодильнике и нагревателе в зависимости от времени

Рис.6. Масса рабочего тела в холодильнике и нагревателе в зависимости от времени

Заключение

В результате проделанной работы была создана математическая модель свободнопоршневого двигателя Стирлинга, которая может быть использована для первичной оценки показателей двигателя, анализа его рабочего процесса, решения вопросов управления и функционирования в рамках надсистем.

Литература:

1. Уокер, Г. Двигатели Стирлинга/Сокр. пер. с англ. Б. В. Сутугина и Н. В. Сутугина.–М.: Машиностроение, 1985.–408 с., ил.

2. Программный комплекс MATLAB. Режим доступа: http://matlab.ru (дата обращения 21.12.16).

3. Langlois, Justin L. R. Dynamic computer model of a Stirling space nuclear power system. Trident Scholar project report no. 345.–Annapolis: US Naval Academy, 2006.

4. Светлов В. А., Ефимов С. И., Иващенко Н. А., Сячинов А. В. Методика определения параметров теплообмена во внутреннем контуре двигателя Стирлинга// “Двигатель — 97”. Материалы международной научно-технической конференци. — М.: Изд. МГТУ. — 1997.

5. Веревкин М. Г. Метод комплексного теплового и конструкторского расчета термомеханического генератора // Известия ВУЗов. Машиностроение, 2004. —№ 10. -С.33–37.

6. Абакшин А. Ю. Численное моделирование процессов тепло- и массобмена в цилиндрах двигателя с внешним подводом теплоты / А. Ю. Абакшин, Г. А. Ноздрин, М. И. Куколев // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2012. –№ 2–2(1477). —с.164–167.

7. Kouji Kumagai, Hiroyuki Yamasaki. Performance Prediction of Linear Stirling Power Generator with Two Displacers// 6th International Energy Conversion Engineering Conference (IECEC) (28–30 July 2008, Cleveland, Ohio).

8. Kwanchai Kraitong. Numerical modelling anddesign optimisation of Stirling engines for power production// World Renewable Energy Congress 2011 (8–13 May 2011, Linkoping, Sweden).

9. Hang-Suin Yang, Chin-Hsiang Cheng. A Nonlinear Non-dimensional Dynamic Model for Free Piston Thermal-lag Stirling Engine// Energy Procedia (December 2014)

Основные термины (генерируются автоматически): рабочее тело, рабочий поршень, полость сжатия, внутренняя энергия, Уравнение расхода, свободнопоршневой двигатель, полость регенератора, математическая модель, проходное сечение, полость расширения.

Мощный двигатель Стирлинга своими руками :: SYL.ru

Двигатель Стирлинга, некогда известный, был надолго забыт из-за широкого распространения другого мотора (внутреннего сгорания). Но сегодня о нем слышно все больше. Может быть, у него есть шансы стать более популярным и найти свое место в новой модификации в современном мире?

История

Двигатель Стирлинга — это тепловая машина, которая была изобретена в начале девятнадцатого века. Автором, как понятно, был некий Стирлинг по имени Роберт, священник из Шотландии. Устройство представляет собой двигатель внешнего сгорания, где тело движется в замкнутой емкости, постоянно меняя свою температуру.

Из-за распространения другого вида мотора о нем почти забыли. Тем не менее, благодаря своим преимуществам, сегодня двигатель Стирлинга (своими руками многие любители сооружают его дома) снова возвращается.

Основное отличие от двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что энергия тепла приходит извне, а не вырабатывается в самом двигателе, как в ДВС.

Принцип работы

Можно представить замкнутый воздушный объем, заключенный в корпусе, имеющем мембрану, то есть поршень. При нагревании корпуса воздух расширяется и совершает работу, выгибая таким образом поршень. Затем происходит охлаждение, и он вгибается снова. В этом состоит цикл работы механизма.

Немудрено, что термоакустический двигатель Стирлинга своими руками многие изготавливают в домашних условиях. Инструментов и материалов для этого требуется самый минимум, который найдется в доме у каждого. Рассмотрим два разных способа, как легко его создать.

чертежи двигателя стирлинга своими руками

Материалы для работы

Чтобы сделать двигатель Стирлинга своими руками, понадобятся следующие материалы:

жесть;
спица из стали;
трубка из латуни;
ножовка;
напильник;
подставка из дерева;
ножницы по металлу;
детали крепежа;
паяльник;
пайка;
припой;
станок.

Это все. Остальное — дело нехитрой техники.

Как сделать

Из жести готовят топку и два цилиндра для базы, из которых будет состоять двигатель Стирлинга, своими руками изготовленный. Размеры подбирают самостоятельно, учитывая цели, для которых предназначено это устройство. Предположим, что мотор делается для демонстрации. Тогда развертка главного цилиндра составит от двадцати до двадцати пяти сантиметров, не более. Остальные части должны подстраиваться под него.

На верху цилиндра для передвижения поршня делают два выступа и отверстия диаметром от четырех до пяти миллиметров. Элементы выступят в роли подшипников для расположения кривошипного устройства.

Далее делают рабочее тело мотора (им станет обычная вода). К цилиндру, который сворачивают в трубу, припаивают кружочки из жести. В них проделывают отверстия и вставляют трубки из латуни от двадцати пяти до тридцати пяти сантиметров в длину и диаметром от четырех до пяти миллиметров. В конце проверяют, насколько герметичной стала камера, залив ее водой.

сделать двигатель стирлинга своими руками

Далее приходит черед вытеснителя. Для изготовления берут заготовку из дерева. На станке добиваются, чтобы она обрела форму правильного цилиндра. Вытеснитель должен быть немногим меньше диаметра цилиндра. Оптимальную высоту подбирают уже после того, как двигатель Стирлинга своими руками будет сделан. Потому на данном этапе длина должна предполагать некоторый запас.

Спицу превращают в шток цилиндра. По центру деревянной емкости делают отверстие, подходящее под шток, вставляют его. В верхней части штока необходимо предусмотреть место для шатунного устройства.

Затем берут трубки из меди длиной четыре с половиной сантиметра и диаметром два с половиной сантиметра. Кружок из жести припаивают к цилиндру. По бокам на стенках делают отверстие для сообщения емкости с цилиндром.

Поршень также подгоняют на токарном станке под диаметр большого цилиндра изнутри. Наверху подсоединяют шток шарнирным способом.

Сборку заканчивают и настраивают механизм. Для этого поршень вставляют в цилиндр большего размера и соединяют последний с другим цилиндром меньшего размера.

На большом цилиндре сооружают кривошипно-шатунный механизм. Фиксируют часть двигателя при помощи паяльника. Основные части закрепляют на деревянном основании.

Цилиндр наполняют водой и под низ подставляют свечку. Двигатель Стирлинга, своими руками сделанный от начала и до конца, проверяют на работоспособность.

Второй способ: материалы

Двигатель можно сделать и другим способом. Для этого понадобятся следующие материалы:

консервная банка;
поролон;
скрепки;
диски;
два болта.

Как сделать

Поролон очень часто используют, чтобы сделать дома простой не мощный двигатель Стирлинга своими руками. Из него готовят вытеснитель для мотора. Вырезают поролоновый круг. Диаметр должен быть немного меньше, чем у консервной банки, а высота — чуть более половины.

По центру крышки проделывают отверстие для будущего шатуна. Чтобы он ходил ровно, скрепку сворачивают в спиральку и паяют к крышке.

Поролоновый круг посередине пронизывают тонкой проволокой с винтом и фиксируют его сверху шайбой. Затем соединяют кусок скрепки пайкой.

Вытеснитель вталкивают в отверстие на крышке и соединяют банку с крышкой путем пайки для герметизации. На скрепке делают маленькую петлю, а в крышке — еще одно, более крупное отверстие.

Жестяной лист сворачивают в цилиндр и спаивают, а потом прикрепляют к банке настолько, чтобы щелей не осталось совсем.

Скрепку превращают в коленчатый вал. Разнос при этом должен быть ровно девяносто градусов. Колено над цилиндром делают слегка больше другого.

Остальные скрепки превращаются в стойки для вала. Делается мембрана следующим образом: цилиндр оборачивают в пленку из полиэтилена, продавливают и крепят ниткой.

Шатун изготавливается из скрепки, которую вставляют в кусок резины, и готовую деталь прикрепляют к мембране. Длина шатуна делается такой, чтобы в нижней валовой точке мембрана была втянутой в цилиндр, а в высшей — вытянута. Таким же образом делается и вторая деталь шатуна.

Затем один приклеивают к мембране, а другой — к вытеснителю.

Ножки для банки можно также сделать из скрепок и припаять. Для кривошипа используют CD-диск.

Вот и готов весь механизм. Осталось лишь под него подставить и зажечь свечку, а затем дать толчок через маховик.

термоакустический двигатель стирлинга своими руками

Заключение

Таков низкотемпературный двигатель Стирлинга (своими руками сооруженный). Конечно, в промышленных масштабах такие приборы изготавливаются совсем другим способом. Однако принцип остается неизменным: происходит нагрев, а затем охлаждение воздушного объема. И это постоянно повторяется.

Напоследок посмотрите эти чертежи двигателя Стирлинга (своими руками его можно сделать без особых навыков). Может быть, вы уже загорелись идеей, и вам захочется сделать что-либо подобное?

Модели двигателей стирлинга, двигатель стирлинга своими руками

Двигатель Стирлинга — это некий двигатель, который начинает работать от тепловой энергии. При этом источник энергии совсем неважен. Главное, чтобы была разница температурного режима, в этом случае, такой двигатель будет работать. Сейчас мы разберем, как можно создать модель такого низкотемпературного двигателя из баночки от «Кока-колы».

Материалы и приспособления

Сейчас мы разберем, что нам нужно взять для создания двигателя в домашних условиях. Что нам потребуется взять для стирлинга:

Воздушный шар.
Три баночки от колы.
Специальные клеммы, пять штучек (на 5А).
Ниппели для закрепления велосипедных спиц (две штучки).
Вата из металла.
Кусок проволоки из стали длиной в тридцать см и сечением 1 мм.
Кусок большой стальной или медной проволоки с диаметром от 1.6 до 2 мм.
Деревянный штырь с диаметром двадцать мм (длина один см).
Крышка от бутылочки (из пластика).
Электропроводка (тридцать см).
Специальный клей.
Вулканизированная резина (где-то 2 сантиметра).
Рыболовная леска (длина тридцать см).
Несколько грузил для балансировки (например, никелевые).
CD-диски (три штуки).
Специальные кнопки.
Жестяная баночка для создания топки.
Теплоустойчивый силикон и консервная банка для изготовления водного охлаждения.

Описание процесса создания

Этап 1. Подготовка баночек.

Вначале стоит взять 2 банки и отрезать у них верхнюю часть. Если верхушки будут отрезаться ножницами, полученные зазубрины придется сточить при помощи напильника.

Дальше надо вырезать дно баночки. Это можно выполнить с помощью ножа.

Этап 2. Изготовление диафрагмы.

В качестве диафрагмы можно взять воздушный шарик, который стоит усилить вулканизированной резиной. Шар надо разрезать и натянуть на баночку. Потом на центральную часть диафрагмы приклеим кусок специальной резины. После застывания клея, в центре диафрагмы пробьем дырочку для установки проволоки. Легче всего это выполнить при помощи специальной кнопки, которую можно оставить в дырке до момента сборки.

Этап 3. Разрезание и создание дырок в крышке.

В стенках крышки надо сделать два отверстия по два мм, они необходимы для установки поворотной оси рычагов. Еще одну дырочку надо сделать в донышке крышки, через него будет идти проволока, которая будет соединена с вытеснителем.

На последнем этапе крышку надо обрезать. Это делается для того, чтобы проволока вытеснителя не зацепилась за края крышки. Для таких работ можно взять хозяйственные ножницы.

Этап 4. Сверлим.

В баночке надо просверлить две дырки для подшипников. В нашем случае это было выполнено сверлом 3.5 мм.

Этап 5. Изготовление смотрового окна.

В корпусе двигателя надо вырезать специальное окно. Теперь можно будет понаблюдать, как работают все узлы прибора.

Этап 6. Доработка клемм.

Необходимы взять клеммы и убрать с них пластиковую изоляцию. Потом возьмем дрель, и сделаем сквозные отверстия на краях клемм. Всего надо высверлить три клеммы. Оставим две клеммы, не просверленными.

Этап 7. Создание рычагов.

В качестве материала для изготовления рычагов берется медная проволока, диаметр которой всего 1.88 мм. Как именно подогнуть спицы, стоит посмотреть в интернете. Можно взять и стальную проволоку, просто с медной проволокой, удобнее работать.

Этап 8. Изготовление подшипников.

Чтобы сделать подшипники потребуется два велосипедных ниппеля. Диаметр дырок надо проверить. Автор просверлил их насквозь с помощью сверла на два мм.

Этап 9. Установка рычагов и подшипников.

Рычаги можно ставить прямо через смотровое окошко. Один кончик проволоки должен быть длинным, на нем будет лежать маховое колесо. Подшипники должны крепко сесть на нужные места. Если будет присутствовать люфт, их можно приклеить.

Этап 10. Делаем вытеснитель.

Вытеснитель делается из стальной ваты ля полировки. Для изготовления вытеснителя берется проволока из стали, на ней создается крючок, а потом на проволоку наматывается определенное количество ваты. Вытеснитель должен быть таким же по размерам, чтобы он спокойно перемещался в банке. Вся высота вытеснителя не должна быть больше пяти сантиметров.

В конце на одной стороне ваты надо сделать спираль из проволоки, чтобы она не выходила из ваты, а на второй стороне из проволоки делаем петлю. Потом к этой петле привяжем леску, которая впоследствии притянется через центральную часть диафрагмы. Вулканизированная резина должна быть в серединке емкости.

Этап 11. Изготовление резервуара под давлением

Надо вырезать дно банки определенным образом, чтобы осталось где-то 2.5 см от ее основы. Вытеснитель вместе с диафрагмой надо переместить в резервуар. После этого весь этот механизм переносится в конец банки. Диафрагму надо немножко натянуть, чтобы она не провисла.

Потом необходимо взять клемму, которая не была просверлена, и провести через нее леску. Узел надо приклеить так, чтобы он не передвигался. Проволоку надо качественно смазать маслом и при этом убедиться, что вытеснитель без труда протянет за собой леску.

Этап 12. Изготовление толкательных тяг.

Эти специальные тяги соединяют диафрагму и рычаги. Это производится с куска медной проволоки длиной пятнадцать см.

Этап 13. Создание и установка маховика

Для изготовления маховика берем три старых СД-диска. В качестве центра возьмем деревянный стержень. После установки маховика, стержень коленчатого вала загнем, так маховик уже не будет спадать.

На последнем этапе весь механизм собирается полностью.

Последний шаг, создание топки

Вот мы и дошли до последнего шага в создании двигателя.

Для изготовления топки своими руками, используется жестяная банка. В ней стоит вырезать специальное окно, через него и будет ставиться, и поджигаться свечка. Чтобы сгладить острые края, можно сделать для арки окантовку от электрического кабеля. Потом можно перейти к тестированию двигателя. Он ставится на топку, а в топке зажигается свеча.
Если все собрано правильно, маховик будет вращаться. Если же двигатель не заработал, придется искать проблему. Сделать стирлинг с генератором большой мощности, совсем нетрудно, главное, это выполнять все этапы последовательно, как в инструкции. Существуют разные модели двигателей с разной мощностью, выбирайте все на свой вкус. А генератор лучше купить, его очень сложно делать своими руками.

Двигатель Стирлинга: фото

Генераторы стирлинга

STIRLING — Двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Двигатель Стирлинга это устройство способно преобразовывать любую тепловую энергию, в механическую. Его можно подключить к генератору и получать электричество. Или к любому потребителю механической энергии. Наиболее заманчиво выглядит утилизация, с его помощью, дармового тепла, вылетающего в трубы котельных, дровяных печей или падающего на нас с неба, в виде солнечных лучей.

Понять устройство Двигателя Стирлинга можно на примере :

Допустим мы имеем какой то замкнутый объем воздуха в жестком корпусе с эластичной мембраной (или поршнем по другому) Рис.1 (Fig 1) . Нагревая корпус двигателя воздух внутри расширится и совершит работу, выгибая мембрану наружу Рис.2 (Fig 2). И наоборот охлаждая корпус мембрана втянется вовнутрь Рис.3 (Fig 3) , опять совершив работу :

Для этого внутри корпуса двигателя Стирлинга размещается так называемый поршень вытеснитель (Displacer) Рис4. (Fig 4), смысл этого девайса в том что он должен перегонять оставшийся в корпусе воздух от горячей области внизу к охлаждаемой вверху Fig 5 . На рисунке видно что сам поршень вытеснитель занимает собой почти половину объёма внутренней полости двигателя, в виде такого диска, не плотно прилегающего к стенкам. Через этот зазор воздух перетекает из горячей полости в холодную и обратно. Надо сказать что сам этот поршень в идеале должен быть лёгким и плохо проводящим тепло, поскольку он фактически разделяет собой горячую (Hot sektion) и холодную (Cool sektion) области внутри двигателя :

Ну а дальше уже всем знакомый кривошипно-шатунный механизм связывает вытеснитель и мембрану (или рабочий поршень) на одной оси вращения Рис 6. (Fig 6 ) , что обеспечит нам цикличность процесса т.е. поднятие и опускание поршней Рис 7 (Fig 7) :

Ещё одна важная деталь на которую нужно обратить внимание заключается в том что рабочий поршень отстаёт от вытеснителя на 90 градусов по ходу вращения двигателя на рисунке Рис 8. (Fig 8) как вы могли заметить вращение происходит против часовой стрелки. Это идеальный вариант соединения для данной схемы :