Как сделать двигатель Стирлинга в домашних условиях?
Можно, конечно купить красивые заводские модели двигателей Стирлинга, как например, в этом китайском интернет-магазине. Однако, иногда хочется творить самому и сделать вещь, пусть даже из подручных средств. На нашем сайте уже есть несколько вариантов изготовления данных моторов, а в этой публикации ознакомьтесь с совсем простым вариантом изготовления двигателя Стирлинга в домашних условиях.
Посмотрите ниже 3 варианта для самостоятельного изготовления.
Как изготовить дома работающий двигатель Стирлинга?
Дмитрий Петраков по многочисленным просьбам отснял пошаговую инструкцию по сборке мощного, относительно своих габаритов и потребляемого количества тепла двигателя Стирлинга. В этой модели задействованы доступные каждому зрителю и распространённые материалы – обзавестись ими способен любой желающий. Все размеры, представленные в этом ролике, автор подбирал на основе многолетнего опыта работы со Стирлингами такой конструкции, и для данного, конкретного экземпляра они являются оптимальными.
В этой модели задействованы доступные каждому зрителю и распространённые материалы, благодаря чему обзавестись ими способен любой желающий. Все размеры, представленные в этом ролике, подбирал на основе многолетнего опыта работы со Стирлингами такой конструкции, и для данного, конкретного экземпляра они являются оптимальными.
Товары для изобретателей. 🔥Перейти в магазин Ссылка.C чувством, толком и расстановкой.
Мотор Стирлинга в работе с нагрузкой (водяная помпа).
Водяная помпа, собранная в качестве рабочего прототипа, предназначена для работы в паре с моторами Стирлинга. Особенность насоса заключается в небольших затратах энергии, требуемых для совершения им работы: такая конструкция задействует лишь небольшую часть динамического внутреннего рабочего объёма двигателя, и тем самым по минимуму влияет на его производительность.
Мотор Стирлинга из консервной банки
Для его изготовления вам понадобятся подручные материалы: банка из под консервов, небольшой кусок поролона, CD-диск, два болтика и скрепки.
Поролон – одни из самых распространенных материалов, которые используются при изготовлении моторов Стирлинга. Из него делается вытеснитель двигателя. Из куска нашего поролона вырезаем круг, диаметр его делаем на два миллиметров меньше внутреннего диаметра банки, а высоту немного больше ее половины.
В центре крышки просверливаем отверстие, в которое вставим потом шатун. Для ровного хода шатуна делаем из скрепки спиральку и припаиваем ее к крышке.
Поролоновый круг из поролона пронизываем посередине винтиком и застопориваем его шайбой сверху и снизу шайбой и гайкой. После этого присоединяем путем пайки отрезок скрепки, предварительно распрямив ее.
Теперь втыкаем вытеснитель в сделанное заранее отверстие в крышке и герметично пайкой соединяем крышку и банку. На конце скрепки делаем небольшую петельку, а в крышке просверливаем еще одно отверстие, но чуть-чуть больше, чем первое.
Из жести делаем цилиндр, используя пайку.
Присоединяем с помощью паяльника готовый цилиндр к банке, так, чтобы не осталось щелей в месте пайки.
Из скрепки изготавливаем коленвал. Разнос колен нужно сделать в 90 градусов. Колено, которое будет над цилиндром по высоте на 1-2 мм больше другого.
Из скрепок изготавливаем стойки под вал. Делаем мембрану. Для этого на цилиндр надеваем полиэтиленовую пленку, немного продавливаем ее внутрь и закрепляем на цилиндре ниткой.
Шатун который нужно будет приделать к мембране, изготавливаем из скрепки и вставляем его в обрезок резины. По длине шатун нужно сделать таким, чтобы в нижней мертвой точке вала мембрана была втянута внутрь цилиндра, а в высшей – напротив – вытянута. Второй шатун настраиваем так же.
Шатун с резиной приклеиваем к мембране, а другой присоединяем к вытеснителю.
Присоединяем паяльником ножки из скрепок к банке и на кривошип пристраиваем маховик. Например, можно использовать СД-диск.
Двигатель Стирлинга в домашних условиях сделан. Теперь осталось под банку подвести тепло – зажечь свечку. А через несколько секунд дать толчок маховику.
Мотор Стирлинга из консервной банки
Для его изготовления вам понадобятся подручные материалы: банка из под консервов, небольшой кусок поролона, CD-диск, два болтика и скрепки.
Поролон – одни из самых распространенных материалов, которые используются при изготовлении моторов Стирлинга. Из него делается вытеснитель двигателя. Из куска нашего поролона вырезаем круг, диаметр его делаем на два миллиметров меньше внутреннего диаметра банки, а высоту немного больше ее половины.
В центре крышки просверливаем отверстие, в которое вставим потом шатун. Для ровного хода шатуна делаем из скрепки спиральку и припаиваем ее к крышке.
Поролоновый круг из поролона пронизываем посередине винтиком и застопориваем его шайбой сверху и снизу шайбой и гайкой. После этого присоединяем путем пайки отрезок скрепки, предварительно распрямив ее.
Теперь втыкаем вытеснитель в сделанное заранее отверстие в крышке и герметично пайкой соединяем крышку и банку. На конце скрепки делаем небольшую петельку, а в крышке просверливаем еще одно отверстие, но чуть-чуть больше, чем первое.
Из жести делаем цилиндр, используя пайку.
Присоединяем с помощью паяльника готовый цилиндр к банке, так, чтобы не осталось щелей в месте пайки.
Из скрепки изготавливаем коленвал. Разнос колен нужно сделать в 90 градусов. Колено, которое будет над цилиндром по высоте на 1-2 мм больше другого.
Из скрепок изготавливаем стойки под вал. Делаем мембрану. Для этого на цилиндр надеваем полиэтиленовую пленку, немного продавливаем ее внутрь и закрепляем на цилиндре ниткой.
Шатун который нужно будет приделать к мембране, изготавливаем из скрепки и вставляем его в обрезок резины. По длине шатун нужно сделать таким, чтобы в нижней мертвой точке вала мембрана была втянута внутрь цилиндра, а в высшей – напротив – вытянута. Второй шатун настраиваем так же.
Шатун с резиной приклеиваем к мембране, а другой присоединяем к вытеснителю.
Присоединяем паяльником ножки из скрепок к банке и на кривошип пристраиваем маховик. Например, можно использовать СД-диск.
Двигатель Стирлинга в домашних условиях сделан. Теперь осталось под банку подвести тепло – зажечь свечку. А через несколько секунд дать толчок маховику.
Как сделать простой двигатель Стирлинга (с фотографиями и видео)
www.newphysicist.com
Давайте сделаем двигатель Стирлинга.
Мотор Стирлинга – это тепловой двигатель, который работает за счет циклического сжатия и расширения воздуха или другого газа (рабочего тела) при различных температурах, так что происходит чистое преобразование тепловой энергии в механическую работу. Более конкретно, двигатель Стирлинга представляет собой двигатель с рекуперативным тепловым двигателем с замкнутым циклом с постоянно газообразным рабочим телом.
Двигатели Стирлинга имеют более высокий КПД по сравнению с паровыми двигателями и могут достигать 50% эффективности. Они также способны бесшумно работать и могут использовать практически любой источник тепла. Источник тепловой энергии генерируется вне двигателя Стирлинга, а не путем внутреннего сгорания, как в случае двигателей с циклом Отто или дизельным циклом.
Двигатели Стирлинга совместимы с альтернативными и возобновляемыми источниками энергии, поскольку они могут становиться все более значительными по мере роста цен на традиционные виды топлива, а также в свете таких проблем, как истощение запасов нефти и изменение климата.
В этом проекте мы дадим вам простые инструкции по созданию очень простого двигателя DIY Стирлинга с использованием пробирки и шприца .
Как сделать простой движок Стирлинга – Видео
Компоненты и шаги, чтобы сделать моторчик Стирлинга
1. Кусок лиственных пород или фанеры
Это основа для вашего двигателя. Таким образом, он должен быть достаточно жестким, чтобы справляться с движениями двигателя. Затем сделайте три маленьких отверстия, как показано на рисунке. Вы также можете использовать фанеру, дерево и т.д.
2. Мраморные или стеклянные шарики
В двигателе Стирлинга эти шарики выполняют важную функцию. В этом проекте мрамор действует как вытеснитель горячего воздуха от теплой стороны пробирки к холодной стороне. Когда мрамор вытесняет горячий воздух, он остывает.
3. Палки и винты
Шпильки и винты используются для удержания пробирки в удобном положении для свободного перемещения в любом направлении без каких-либо перерывов.
4. Резиновые кусочки
Купите ластик и нарежьте его на следующие формы. Он используется для того, чтобы надежно удерживать пробирку и поддерживать ее герметичность. Не должно быть утечек в ротовой части пробирки. Если это так, проект не будет успешным.
5. Шприц
Шприц является одной из самых важных и движущихся частей в простом двигателе Стирлинга. Добавьте немного смазки внутрь шприца, чтобы поршень мог свободно перемещаться внутри цилиндра. Когда воздух расширяется внутри пробирки, он толкает поршень вниз. В результате цилиндр шприца перемещается вверх. В то же время мрамор катится к горячей стороне пробирки и вытесняет горячий воздух и заставляет его остывать (уменьшать объем).
6. Пробирка Пробирка является наиболее важным и рабочим компонентом простого двигателя Стирлинга. Пробирка изготовлена из стекла определенного типа (например, из боросиликатного стекла), обладающего высокой термостойкостью. Так что его можно нагревать до высоких температур.
Как работает двигатель Стирлинга?
Некоторые люди говорят, что двигатели Стирлинга просты. Если это правда, то так же, как и великие уравнения физики (например, E = mc2), они просты: на поверхности они просты, но богаче, сложнее и потенциально очень запутаны, пока вы их не осознаете. Я думаю, что безопаснее думать о двигателях Стирлинга как о сложных: многие очень плохие видео на YouTube показывают, как легко «объяснить» их очень неполным и неудовлетворительным образом.
На мой взгляд, вы не можете понять двигатель Стирлинга, просто создав его или наблюдая за тем, как он работает извне: вам нужно серьезно подумать о цикле шагов, через которые он проходит, что происходит с газом внутри, и как это отличается из того, что происходит в обычном паровом двигателе.
Все, что требуется для работы двигателя, – это наличие разницы температур между горячей и холодной частями газовой камеры. Были построены модели, которые могут работать только с разницей температуры 4 ° C, хотя заводские двигатели, вероятно, будут работать с разницей в несколько сотен градусов. Эти двигатели могут стать наиболее эффективной формой двигателя внутреннего сгорания.
Двигатели Стирлинга и концентрированная солнечная энергия
Двигатели Стирлинга обеспечивают аккуратный метод преобразования тепловой энергии в движение, которое может привести в движение генератор. Наиболее распространенная схема состоит в том, чтобы двигатель был в центре параболического зеркала. Зеркало будет установлено на устройство слежения, чтобы солнечные лучи фокусировались на двигателе.
* Двигатель Стирлинга как приемник
Возможно, вы играли с выпуклыми линзами в школьные годы. Сосредоточение солнечной энергии для сжигания листа бумаги или спички, я прав? Новые технологии развиваются день ото дня. Концентрированная солнечная тепловая энергия приобретает все большее внимание в эти дни.
Выше приведен короткий видеофильм о простом двигателе с пробиркой, использующим стеклянные шарики в качестве вытеснителя и стеклянный шприц в качестве силового поршня.
Этот простой двигатель Стирлинга был построен из материалов, которые доступны в большинстве школьных научных лабораторий и может быть использован для демонстрации простого теплового двигателя.
Диаграмма давление-объем за цикл
Процесс 1 → 2 Расширение рабочего газа на горячем конце пробирки, тепло передается газу, и газ расширяется, увеличивая объем и толкая поршень шприца вверх.
Процесс 2 → 3 По мере движения мрамора к горячему концу пробирки газ вытесняется из горячего конца пробирки на холодный конец, а по мере движения газа он отдает тепло стенке пробирки.
Процесс 3 → 4 Из рабочего газа отводится тепло, и объем уменьшается, поршень шприца движется вниз.
Процесс 4 → 1 Завершает цикл. Рабочий газ движется от холодного конца пробирки к горячему концу, поскольку мраморные шары вытесняют ее, получая тепло от стенки пробирки, когда она движется, тем самым увеличивая давление газа.
Самый простой двигатель Стирлинга
Конструктор Игорь Белецкий не перестает радовать новыми идеями создания генераторов свободной энергии, за которыми будущее. Предлагаем вашему вниманию, пожалуй, самый простой двигатель Стирлинга, который по силе сделать в домашних условиях, во всяком случае из тех, которые он делал ранее. В то же время несмотря на лаконичность конструкции, двигатель не только работоспособный, но и надежный.
Простейшая модель
Игорь Белецкий для реализации идеи простейшего двигателя Стирлинга использовал шприц со стеклянными стенками. кроме шприца понадобится металлическая вата. Если вы его не найдете, можно использовать обыкновенную медную проволоку.
Товары для изобретателей. 🔥Перейти в магазин Ссылка.Стирлинг второго уровня
Конструкция немного сложнее предыдущей. Но её также сможет сделать даже начинающий мастер. Он не развалится при первой перегрузке, как те, которые обычно можно найти в интернете. Стекло и металл, из которого выполнен корпус и рабочие элементы двигателя внушают уважение.
Работает мотор, как и все Стирлинги, при подводе внешнего тепла. Передав нужное количество энергии его нужно просто подтолкнуть. Нагревая головку нагрева от источника тепла и приделав к мотору генератор, можно добывать электричество.
Стальную вату, которая используется как вытеснитель, можно купить в строительных магазинах.
Двигатель примитивный на основе пробирки и шприца.
Мотор Стирлинга, работающий на магнитах
А вот мотор, в котором вместо пружины неодимовые магниты. Приобрести можно в китайском интернет-магазине.
Принцип работы мотора Стирлинга
Многим интересен принцип работы двигателя Стирлинга, и не только из праздного любопытства, но и потому, что если не понять основу его действия, то очень трудно изготовить работающую модель. В данной публикации подробно и насколько возможно, лаконично, дан ответ на этот вопрос. А наглядно все представлено в видеоуроке со всеми схемами.
В этом китайском магазине можно найти отличный генератор.
Рассмотрим сначала
Принцип работы низкотемпературного двигателя.
Сам двигатель состоит из цилиндра, в котором движется вытеснитель и из второго цилиндра, в котором ходит рабочий поршень. Боковые стенки большого цилиндра не проводят тепло. Верхняя часть холодная, нижняя – горячая. Когда вытеснитель опускается вниз, перекрывая горячую пластину, воздух резко охлаждается и сжимается, втягивая рабочий поршень (зеленого цвета на видео).
Товары для изобретателей. 🔥Перейти в магазин Ссылка. Схема низкотемпературного двигателя СтирлингаПри движении вытеснителя вверх, он перекрывает холодную пластину, воздух от нижней пластины резко нагревается, расширяется (от нагрева) и вытесняет рабочий зеленый поршень вверх.
Далее цикл повторяется, так как вытеснитель и рабочий поршень связаны между собой коленвалом со смещением 90 градусов.
Принцип действия высокотемпературного мотора Стирлинга
Левая и правая части цилиндра не касаются друг друга. Между ними стоит теплоизолятор. Когда вытеснитель находится в левой стороне, он вытесняет весь горячий воздух вправо, воздух остывает, всасывая рабочий поршень. Когда же вытеснитель уходит вправо, он выгоняет весь воздух в горячую камеру, воздух нагревается, расширяется и вытесняет рабочий поршень вправо. Рабочий поршень и вытеснитель связаны между собой коленвалом со смещением 90 градусов. Далее цикл повторяется.
Схема высокотемпературного двигателя СтирлинкаДалее вся механика наглядно на видео. Во второй части видео один из вариантов сборки Стирлинга.
Чтобы окончательно понять принцип действия мотора Стирлинга, нужно собрать его работающую конструкцию и в процессе доводки совершенствовать его и тестировать при разных конфигурациях.
Для наиболее простого понимания законов, по которым работает двигатель, достаточно сделать так:
– сделать цилиндр с вытеснителем;
– вместо рабочего поршня установить резиновый воздушный шарик;
– маховик пока не ставить;
– нагреть нижнюю часть устройства, остудить верхнюю и начать изменять положение вытеснителя;
– если попробовать поднять вытеснитель вверх – шарик резко надуется;
– если опустить вытеснитель вниз – шарик сдуется.
Таким образом эти простые действия наглядно покажут, как все происходит в механизме двигателя.
– Далее заменим воздушный шарик на поршень;
– поршень должен свободно двигаться, но следует настроить все так, чтобы он не пропускал воздух;
– смазать поршень силиконовой смазкой;
– проделать те же действия, что ранее были выполнены с шариком, но уже с поршнем;
– понаблюдать ход поршня, зафиксировать в записях в рабочем блокноте для того, чтобы подсчитать ход (выгиб) коленвала;
– изготовить маховик, шатун, коленвал и всё, мотор Стирлинга готов!
– окончательно протестировать готовый аппарат.
Важные моменты, если вы делаете сами движок
При изготовлении мотора Стирлинга придерживайтесь рекомендаций.
1. Стенки цилиндра, где ходит вытеснитель, должны быть сделаны так, чтобы не проводить тепло.
2. Один край цилиндра – холодный, другой- горячий. Чем больше разница температур – тем выше эффективность работы.
3. Между стенками цилиндра и вытеснителем должен быть зазор (3 мм достаточно), чтобы было куда воздуху просачиваться с холодной камеры в горячую.
4. Не должно быть утечек воздуха (свести их к минимуму). Это одно из основных причин, которые не дают двигателю работать.
5. Убрать все трение по максимуму. Используйте силиконовую смазку – она дает очень хороший результат.
Удачи в техническом творчестве!
В другом материале о том, как приспособить для этого движка генератор тока. А тут еще одна модель, которую можно собрать дома.
Как работают двигатели Стирлинга?
В течение почти 200 лет термические двигатели, известные по имени их изобретателя, были известны в как двигатели Стирлинга. Их изобретатель работал над построением наиболее эффективного или оптимального рабочего теплового двигателя. Стирлинг подошел к проблеме довольно научным образом. То есть, двигатель (его теоретическая циркуляция) был проанализирован и проверен вычислительно до того, как был построен прототип. Все в теории выглядело очень многообещающим. В принципе, до сих пор предполагалось, что они должны быть одним из наиболее эффективных тепловых двигателей. Так почему бы нам не путешествовать с автомобилями, использующими Стирлинг, несмотря на их многочисленные преимущества?
Рисунок двигателя Стирлинга из оригинального патента от 1816 года. Источник: Wikimedia Commons , автор: Индийский технологический институт, копия изображения в патенте Роберта Стирлинга 1816 года .
Чтобы получить полезную мощность от поршневого двигателя, он должен развивать достаточно высокий крутящий момент или достигать высокой скорости вращения. Двигатели Стирлинга не достигают высоких скоростей вращения, поэтому давайте рассмотрим момент. В основном, это будет зависеть от силы, действующей на поршень, а это, в свою очередь, от давления рабочего тела в рабочем ходу и поверхности поршня, которое работает. Эти упрощенные рассуждения помогут нам понять структурные проблемы двигателей Стирлинга. Для того, чтобы двигатель был больше, чем модель на столе, он должен быть огромным – иметь большой диаметр рабочего поршня, или поршень должен находиться под высоким давлением во время рабочего хода.
Типичная «настольная» модель двигателя Стирлинга с рубежа 20 и 21 веков. Диаметр маховика: около 30 мм. Он должен быть включен в группу так называемых «Гаджеты».
История двигателя Стирлинга в 19 веке
В начале 19-го века двигатели в основном использовались для привода машин (например, насосов в шахтах, приводов центральных машин на заводах), а двигатели могли быть огромными. На повестке дня были указаны рабочие цилиндры диаметром более 0,5-1 м. Несмотря на это, паровые двигатели Уатта выиграли конкурс на двигатели Стирлинга. Правда, двигатели Стирлинга были проще в дизайне и обработке, но паровые двигатели, включая всю систему (котельную) и все их недостатки, однако, были более эффективными (читай: более дешевый в эксплуатации) и обеспечили большую мощность. Даже в мобильных системах, таких как корабли и поезда (в Англии и Шотландии в середине 19 века сеть железных дорог уже была разработана), паровые двигатели были намного лучше.
Промышленный двигатель Стирлинга примерно с 1860 года. Представленный двигатель, произведенный Эрикссоном, реализовал модифицированный цикл Стирлинга, названный в честь его создателя Эрикссоном . Источник: Wikimedia Commons , Vasárnapi Ujság, 1861/8 [1] .
Конечно, двигатели Стирлинга использовались здесь и там, но они не доминировали на рынке. Более того, установленные двигатели Стирлинга часто заменялись паровыми двигателями, а те, которые остались, уже считались раритетами и нишевыми приложениями. В Европе, возможно, самыми известными двигателями Стирлинга с рубежа XIX и XX веков были те, которые использовались в… аквариумных насосах. Одним из наиболее известных производителей таких двигателей в этот период стала компания Louis Heinrici .
Семейство двигателей Стирлинга от компании Louis Heinrici. Иллюстрация из каталога компании с 1914 года. Источник: Wikimedia Commons , автор: First-Neutron .
Но вернемся к теме. В конце 19-го века появились двигатели внутреннего сгорания, сначала с газом, а затем с жидким топливом. Кроме того, в автомобильных приводах появились также электродвигатели. Теоретически двигатели Стирлинга должны быть лучше всех (независимо от того, что это означает), поэтому все время мир науки и техники периодически интересовался ими. Поскольку строительство огромных двигателей Стирлинга в 19 веке утратило свой смысл, предпринимались попытки построить небольшие двигатели, но с высоким давлением рабочего тела, так что создаваемые двигательные системы были бы конкурентоспособными с двигателями внутреннего сгорания. Пик работы на таких двигателях произошел в 1950-х и 1960-х годах. Конечно, возникла значительная группа проблем, которые были более или менее успешно решены.
Коммерчески доступный электрический генератор, приводимый в движение двигателем Стирлинга от Philips с середины 20-го века (1953). Электрическая мощность: около 180 Вт. Высота корпуса: около 0,5 м. Источник: Викисклада , Норберт Шнитцлер .
Использование гелия
В то же время появилась идея заменить рабочий фактор. До сих пор под лозунгом «рабочий фактор» в двигателях Стирлинга мы понимали обычный атмосферный воздух. В какой-то момент инженеры и ученые задали вопрос, есть ли что-то лучше с точки зрения термодинамических свойств? Да. Более или менее с 1930-х годов этот газ был коммерчески продан в промышленных количествах. Это гелий. Использование гелия в качестве рабочего вещества значительно повышает эффективность двигателей Стирлинга. Однако использование нового фактора вызвало совершенно новые проблемы. Гелий плохо хранится даже при комнатной температуре. То есть. из-за очень малых частиц, он имеет тенденцию проникать в большинство материалов, используемых в технологии со сталью в головке. В 60-х и 70-х годах были изучены гелиевые двигатели. Их характерная особенность, видимая на фотографиях,… прикреплена к двигателю гелиевого цилиндра, используемого для пополнения газа, выходящего из двигателя практически через все его элементы. Проблема была серьезной. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично.
Моторы Стирлинга, их применение в конце 20 века
В конце 20-го века двигатели Стирлинга снова вернулись. Оба НАСА, Государственный департамент США и Европейский союз инвестировали в исследования новых поколений двигателей Стирлинга. Они были в основном предназначены для солнечных систем (т. Е. Источник тепла должен был быть солнечным светом, сфокусированным на обогревателе двигателя большим параболическим зеркалом). Многие из этих двигателей имели неровный дизайн.
Пример проекта двигателя Стирлинга, предложенного г-ном Мацей Жукашем в соответствии с патентом P.389415 . Проект выполнен в рамках магистерской работы на факультете SiMR в Варшавском технологическом университете (руководитель: проф. Вяслав Остапски, PhD, Eng.
Идея этой идеи заключалась в том, что весь двигатель с электрическим генератором должен быть запечатан в герметичном (для гелиевого) несъемного корпуса, считая, что он не может использоваться на протяжении всего срока его службы. Однако на этот раз технология не удалась. Если были получены положительные результаты, они были связаны со слишком высокими издержками. Наилучшим образом, самые распространенные двигатели Стирлинга в двадцатом веке остались в Индии настольные вентиляторы, конструктивно похожие на вышеупомянутые насосы для аквариума…
Пример солнечной системы с электрическим генератором, приводимым в движение двигателем Стирлинга. Источник: Wikimedia Commons , автор: Загружено Skyemoor .
Одной из последних идей использования двигателей Стирлинга было «спуск с параметров». То есть нашли применение для двигателей с низкими характеристиками и существенно более низкой эффективностью, чем двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели. Примерно в начале XXI века с помощью двигателей Стирлинга была обнаружена идея восстановления энергии, утраченной в процессах нагрева, таких как «дымоход» с дымовым газом из СО-печей. Однако экономический расчет по-прежнему был против использования таких решений в больших масштабах.
Конечно, несмотря на все технологические проблемы, двигатели Стирлинга производятся и используются. Однако это очень специфические приложения, которые позволяют оправдать высокие производственные и / или эксплуатационные расходы. В дополнение к военным применениям примерами являются энергетические системы, работающие на биогазе, восстановленном на полигонах. Яднак таких двигателей по-прежнему остается большой «экзотикой» в мире технологий, и, вероятно, большинство читателей этого текста никогда не встретит такой движок…
Коммерчески доступный электрический генератор, приводимый в движение двигателем Стирлинга STM с начала 21 века. Электрическая мощность: около 38 кВт или 65 кВт. Высота корпуса: около 1 м. Источник: Викисклада , автор: В.Т.Чыманский.
Заключение
Мы процитировали выше упрощенную историческую схему тенденций проектирования двигателей Стирлинга. Конечно, мы опустили множество проектов как энтузиастов, так и тех, которые были разработаны в «серьезных» исследовательских проектах (например, машины с жидкими поршнями – «жидкость», термоакустические двигатели и т.д.). Это не меняет того факта, что инженеры и ученые пытались построить эффективный и надежный двигатель Стирлинга почти 200 лет. Практически каждое последующее поколение инженеров пытается решить проблемы этих двигателей, надеясь, что это обеспечит технический прогресс, который произошел в предыдущие 20-25 лет. К сожалению, усилия по-прежнему неэффективны. Я должен признать, что, по-видимому, мое поколение также пыталось это сделать, а также потерпело неудачу. Однако мы глубоко убеждены в том, что
Совсем другое дело, что каждое поколение инженеров начинает свою деятельность почти с самого начала, на практике имея очень сложный доступ к документации ранее выполненных работ… но это снова тема для совершенно другого случая.
Модель двигателя Стирлинга в бета-системе, разработанной и сделанной г-ном Рафалом Ходорковским в рамках инженерных работ на факультете SiMR в Варшавском технологическом университете (руководитель: Мачей Тулодзекский, PhD). Длина двигателя: около 35 см.
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.
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.
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.
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?
Термоакустический двигатель – двигатель Стирлинга без поршней / Хабр
Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла. Внешний подвод тепла – это очень удобно, когда есть необходимость использовать в качестве источника тепла не органические виды топлива. Например, можно использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, бросовое тепло с различных предприятий.Приятная особенность цикла Стирлинга – это то, что его КПД равен КПД цикла Карно [1]. Естественно у реальных двигателей Стирлинга эффективность ниже и зачастую намного. Двигатель Стирлинга начал своё существование с устройства, имеющего множество подвижных деталей, таких как поршни, шатуны, коленчатый вал, подшипники [2]. К тому же еще и ротор генератора крутился (Рисунок 1).
Рисунок 1 – Двигатель Стирлинга альфа типа
Посмотрите на двигатель Стирлинга Альфа типа. При вращении вала поршни начинают перегонять газ то из холодного в горячий цилиндр, то наоборот, из горячего в холодный. Но они не просто перегоняют, а ещё и сжимают и расширяют. Совершается термодинамический цикл. Можно мысленно представить на картинке, что когда вал повернётся так, что ось, на которую крепятся шатуны, окажется вверху, то это будет момент наибольшего сжатия газа, а когда внизу, то расширения. Правда это не совсем так из-за тепловых расширений и сжатий газа, но примерно всё же всё это так.
Сердцем двигателя является так называемое ядро, которое состоит из двух теплообменников – горячего и холодного и между ними находится регенератор. Теплообменники обычно делаются пластинчатыми, а регенератор – это чаще всего стопка, набранная из металлической сетки. Зачем нужны теплообменники понятно – нагревать и охлаждать газ, а зачем нужен регенератор? А регенератор – это настоящий тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор и регенератор запасает тепловую энергию. Когда газ движется из холодной на горячую сторону, то холодный газ подогревается в регенераторе и таким образом это тепло, которое без регенератора бы безвозвратно ушло на нагрев окружающей среды, спасается. Так что, регенератор – крайне необходимая вещь. Хороший регенератор повышает КПД двигателя примерно в 3,6 раза.
Любителям, которые мечтают построить подобный двигатель самостоятельно, хочу рассказать подробнее про теплообменники. Большинство самодельных двигателей Стирлинга, из тех что я видел, вообще не имеют теплообменников (я про двигатели альфа типа). Теплообменниками являются сами поршни и цилиндры. Один цилиндр нагревается, другой охлаждается. При этом площадь теплообменной поверхности, контактирующей с газом совсем мала. Так что, есть возможность значительно увеличить мощность двигателя, поставив на входе в цилиндры теплообменники. И даже на рисунке 1 пламя направлено прямиком на цилиндр, что в заводских двигателях не совсем так.
Вернёмся к истории развития двигателей Стирлинга. Итак, пускай двигатель во многом хорош, но наличие маслосъёмных колец и подшипников снижало ресурс двигателя и инженеры напряжённо думали, как его улучшить, и придумали.
В 1969 году Вильям Бейл исследовал резонансные эффекты в работе двигателя и позже смог сделать двигатель, для которого не нужны ни шатуны ни коленчатый вал. Синхронизация поршней возникала из-за резонансных эффектов. Этот тип двигателей стал называться свободнопоршневым двигателем (Рисунок 2).
Рисунок 2 – Свободнопоршневой двигатель Стирлинга
На рисунке 2 показан свободнопоршневой двигатель бета типа. Здесь газ переходит из горячей области в холодную, и наоборот, благодаря вытеснителю (который движется свободно), а рабочий поршень совершает полезную работу. Вытеснитель и поршень совершают колебания на спиральных пружинах, которые можно видеть в правой части рисунка. Сложность в том, что их колебания должны быть с одинаковой частотой и с разностью фаз в 90 градусов и всё это благодаря резонансным эффектам. Сделать это довольно трудно.
Таким образом, количество деталей уменьшили, но при этом ужесточились требования к точности расчётов и изготовления. Но надёжность двигателя, несомненно, возросла, особенно в конструкциях, где в качестве вытеснителя и поршня применяются гибкие мембраны. В таком случае в двигателе вообще отсутствуют трущиеся детали. Электроэнергию, при желании, с такого двигателя можно снимать с помощью линейного генератора.
Но и этого инженерам оказалось не достаточно, и они начали искать способы избавиться не просто от трущихся деталей, а вообще от подвижных деталей. И они нашли такой способ.
В семидесятых годах 20-го века Петер Цеперли понял, что синусоидальные колебания давления и скорости газа в двигателе Стирлинга, а также тот факт, что эти колебания находятся в фазе, невероятно сильно напоминают колебания давления и скорости газа в бегущей звуковой волне (рис.3).
Рисунок 3 — График давления и скорости бегущей акустической волны, как функция времени. Показано, что колебания давления и скорости находятся в фазе.
Эта идея пришла Цеперли не случайно, так как до него было множество исследований в области термоакустики, например, ещё сам лорд Рэлей в 1884 качественно описал это явление.
Таким образом, он предложил вообще отказаться от поршней и вытеснителей, и использовать только лишь акустическую волну для контроля над давлением и движением газа. При этом получается двигатель без движущихся частей и теоретически способный достичь КПД цикла Стирлинга, а значит и Карно. В реальности лучшие показатели – 40-50 % от эффективности цикла Карно (Рисунок 4).
Рисунок 4 – Схема термоакустического двигателя с бегущей волной
Можно видеть, что термоакустический двигатель с бегущей волной – это точно такое же ядро, состоящее из теплообменников и регенератора, только вместо поршней и шатунов здесь просто закольцованная труба, которая называется резонатором. Да как же работает этот двигатель, если в нём нет никаких движущихся частей? Как это возможно?
Для начала ответим на вопрос, откуда там берётся звук? И ответ – он возникает сам собой при возникновении достаточной для этого разницы температур между двумя теплообменниками. Градиент температуры в регенераторе позволяет усилить звуковые колебания, но только определённой длины волны, равной длине резонатора. С самого начала процесс выглядит так: при нагреве горячего теплообменника возникают микро шорохи, возможно даже потрескивания от тепловых деформаций, это неизбежно. Эти шорохи – это шум, имеющий широкий спектр частот. Из всего этого богатого спектра звуковых частот, двигатель начинает усиливать то звуковое колебание, длина волны которого, равна длине трубы – резонатора. И неважно насколько мало начальное колебание, оно будет усилено до максимально возможной величины. Максимальная громкость звука внутри двигателя наступает тогда, когда мощность усиления звука с помощью теплообменников равна мощности потерь, то есть мощности затухания звуковых колебаний. И эта максимальная величина порой достигает огромных величин в 160 дБ. Так что внутри подобного двигателя действительно громко. К счастью, звук наружу выйти не может, так как резонатор герметичен и по этому, стоя рядом с работающим двигателем, его еле слышно.
Усиление определённой частоты звука происходит благодаря всё тому же термодинамическому циклу – циклу Стирлинга, который осуществляется в регенераторе.
Рисунок 5 – Стадии цикла грубо и упрощённо.
Как я уже писал, в термоакустическом двигателе вообще нет движущихся частей, он генерирует только акустическую волну внутри себя, но, к сожалению, без движущихся частей снять с двигателя электроэнергию невозможно.
Обычно добывают энергию из термоакустических двигателей с помощью линейных генераторов. Упругая мембрана колеблется под напором звуковой волны высокой интенсивности. Внутри медной катушки с сердечником, вибрируют закрепленные на мембране магниты. Вырабатывается электроэнергия.
В 2014 году Kees de Blok, Pawel Owczarek и Maurice Francois из предприятия Aster Thermoacoustics показали, что для преобразования энергии звуковой волны в электроэнергию, годится двунаправленная импульсная турбина, подключенная к генератору [3].
Рисунок 6 – Схема импульсной турбины
Импульсная турбина крутится в одну и ту же сторону вне зависимости от направления потока. На рисунке 6 схематично изображены лопатки статора по бокам и лопатки ротора посередине.
А так турбина выглядит у них в реальности:
Рисунок 7 – Внешний вид двунаправленной импульсной турбины
Ожидается, что применение турбины вместо линейного генератора сильно удешевит конструкцию и позволит увеличить мощность устройства вплоть до мощностей типичных ТЭЦ, что невозможно с линейными генераторами.
Так же, я разрабатываю собственный термоакустический двигатель, подробнее о котором можно узнать в этой статье:«Создание и запуск термоакустического двигателя»
Список использованных источников
[1] М.Г. Круглов. Двигатели Стирлинга. Москва «Машиностроение», 1977.
[2] Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Москва «Мир», 1986.
[3] Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.
Двигатель Стирлинга своими руками | STENA.ee
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.
Все подробности об этом двигателе ЗДЕСЬ
Для постройки двигателя понядобится:
- Банка из под шпрот
- Жесть
- Скрепки
- Поролон
- Пакет
- Резинка
Инструменты:
- Кусачки
- Плоскогубцы
- Паяльник
- Ножницы
- Наждачная бумага
Начинаем сборку:
Нужно вымыть банку и зачисть края наждачной бумагой
Дальше вырежем круг из жести, так что бы он лежал на внутренних краях банки
С помощью линейки или штангель циркуля найдём центр
Сделаем отверстие ножницами по центру
Дальше возьмём кусок медной проволоки и скрепку
выпрямим скрепку
сделаем на конце кольцо
Дальше намотаем на неё проволоку 4 витка виток к витку
Скрепка должна ходить свободно.
Дальше облудим верхний слой спирали из проволоки без большого количества флюса и припоя прямо на скрепке.
Потом аккуратно припаиваеи к отвертию в крышке так чтобы шток был перпендикулярен крышке.
Скрепка должна ходить свободно, если нет, то нужно всё сделать заново.
Дальше сделаем сообщающее отверстие в крышке.
потом нужно сделать вытеснитель, он будет из поролона.
Диаметр его должен быть таким, чтобы он ходил свободно, но не было большого зазора, высотой чуть больше половины внутренней высоты банки.
Дальше прорезаем в центре вытеснители отверстие под втулку из пробки или резины, дальше вставляем во втулку шток, всё заклеиваем.
Вытеснитель должен быть паралелен крышке!! ЭТО КРИТИЧНО ДЛЯ РАБОТЫ!!!
Закрываем банку и запаеваем края. ВСЁ ДОЛЖНО БЫТЬ ГЕРМЕТИЧНО!!!!!!!!!!
Далее делаем рабочий цилиндр
Вырезаем полоску длиной 60 мм (6 см) и шириной 25 мм (2,5 см)
Загибаем край на 2 мм (0,2 см) плоскогубцами
Формируем гильзу и спаиваем край
Припаиваем гильзу над отверстием в крышке
Дальше делаем мембрану
Берём пакет и отрезаем от него кусок
Продавливая немного плёнку пальцем внутрь прижмите края резинкой
Должно получится так
МОМЕНТ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЙ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ!!!
Нужно нагреть свечкой дно банки и потянуть за шток, мембрана должна выгнуться наружу, а если отпустить вытеснитель со штоком должен опустится под собственным весом и мембрана вернётся на место, если этого не произошло, то вытеснитель сделан не правильно и/или не герметична пайка.
Если всё в порядке, то нужно сделать колен вал и стойки. Рзнос по кривошипам должен быть 90 град!
Кривошип мембраны должен быть высотой 7 мм, а вытеснителя 5 мм ( в пределах+0,1мм — 1мм)!
Делаем стойки, тут можно сделать что угодно, можно взять трубки с проволочными подшипниками, можно сделать из скрепок как тут.
Теперь о шатунах.
Длина их определяется положением коленвала, нужно отмерить расстояние от штока/мембраны и нижней мёртвой точкой кривошипа.
Кривошип мембраны крепится к ней через пробку или резиновую втулку диаметром около половины гильзы.
Конец кривошипа вставляетс в пробку.
СБОРКА ОКОНЧЕНА!!!!! Двигатель должен заработать сразу от двух «чайных» свечек.
Температурный гардиент составляет ~80-85 град целсия. Хорошо собраный двигатель может работать от температуры кипятка с кусочкам льда на верхней крышке.
Можно прикрепить к маховику несколько магнитов и взять катушку от аквариумного компрессора, подключить через простую схему светодиод или несколько
Здесь можно убедиться, что он работает от любого источника тепла:
Рекомендуется к просмотру:
CNCC Книга: Генератор двигателя Стирлинга
Солнечный генератор двигателя Стирлинга
Это страница о двигателях Стирлинга на солнечных батареях, вырабатывающих электричество. Еще у меня есть страничка по модели Стирлингс.
Однажды мне в голову пришла идея, которая действительно заставила меня задуматься. Могут ли машинисты домашнего цеха построить надежный солнечный электрический генератор Стирлинга? По данным Sandia Laboratories, такая система — наиболее эффективный способ преобразования солнечной энергии в электричество.Их система имеет КПД около 30%, что примерно вдвое больше, чем может сделать фотоэлектрическая система. Sandia совместно со Stirling Technologies придумали, как построить 37-футовую антенну, которая должна генерировать достаточно энергии для 8-10 домов. Видимо это около 25 киловатт.
У меня вопрос, насколько успешной была бы система, основанная на концентраторе размером со спутниковые антенны C-диапазона «старой школы»? Они должны быть легко доступны в качестве излишков, и у них была технология для отслеживания солнца.Каждый из них имеет диаметр около 6 футов. Если мы возьмем фигуру диаметром 37 футов выше, то это большое блюдо имело площадь поверхности 1075 квадратных футов. 6-футовая спутниковая тарелка имеет площадь поверхности 28 квадратных футов, или около 3% от этой площади. Соответственно, если такая антенна может работать с аналогичной эффективностью, она должна выдавать 5-6 сотен ватт или около того. Думайте об этом как о солнечном эквиваленте электрогенератора Honda. Поставьте два из них, которые все равно не занимают столько места на вашем участке, и у вас будет 1 киловатт.Начиная с приличного количества сока. Предположительно, есть налоговые льготы, но я в этом не разбираюсь! Если вам нужно больше сока, я боюсь, что вам понадобится более крупный коллектор, так что проект может оказаться не таким уж практичным.
Что мне любопытно, так это то, какой двигатель Стирлинга нужен для питания такого зверя? Возможно, версия Sandia слишком экзотична для изготовления и придется довольствоваться более низкой эффективностью. Меня это не слишком беспокоит. Даже наполовину меньший КПД по-прежнему ничем не хуже солнечных батарей (фотоэлектрических), и я готов поспорить, дешевле.Очевидно, они использовали разработанный в Скандинавии Стирлинг под названием «двигатель Стирлинга Kockums 4-95».
Судя по всему, изначально он был создан для подводных лодок. Это выглядит немного внушительно для среднего домашнего магазина, но напомним, что нам нужно только 1/8 вместимости, поэтому он будет значительно меньше. Учитывая, на что он способен, он кажется относительно компактным. Тот, который был окончательно усовершенствован для этого солнечного применения, даже меньше, чем изображение выше, и, по-видимому, размером с 55-галлонную масляную бочку.1/8 из них не мала, но многие слесари-мастера должны справиться с этим.
Вот тут я выдыхаюсь, так сказать. Я понятия не имею, что находится внутри всех этих замысловатых корпусов, и я не видел планов относительно каких-либо крупномасштабных проектов Стирлинга в сообществе разработчиков моделей. Лучшее, что мне удалось найти, — это генератор Стирлинга мощностью 1 кВт Sunpower EG-1000, конструкция которого выглядит простой, компактной и выполнимой. Генератор представляет собой цельную линейную конструкцию, что круто. Также доступна более подробная научная статья.Вот как выглядит версия на 1 кВт:
На практике представьте, что перевернули этот рисунок так, чтобы фокус параболического отражателя был тепловым концом. Этот конкретный агрегат предназначен для водяного охлаждения. Так же, как установка Sandia / Kockums, я бы предложил небольшие (мотоциклетные?) Радиаторы с вентилятором для охлаждения воды на стороне, противоположной солнечному коллектору. Еще несколько фактоидов по EG-1000:
- Поршень и вытеснитель перемещаются всего на 9 мм при максимальной эффективности.
- Работает с плоской пружиной.
- Нет линейных подшипников. Скорее, газовые подшипники поддерживают конструкцию и не требуют смазки.
- Включает линейный генератор на движущихся постоянных магнитах и катушку со специальной намоткой.
Я подозреваю, что для создания работоспособного Стирлинга для этого приложения потребуются значительные эксперименты. Насколько я понимаю, они могут быть привередливыми животными в беге и очень чувствительны к трению и другим факторам.Если бы я предпринял такое исследование, я подозреваю, что имело бы смысл построить тарелку, измерить тепло, доступное в ее фокусе, а затем построить испытательную установку, которая доставляла бы это тепло с помощью электрического или газового огня, чтобы я мог возиться с двигателями Стирлинга в комфорт моего собственного магазина.
Ромбический привод аналогичен по конструкции, но преобразует движение из линейного в вращательное:
Мне кажется, что рабочую ромбическую конструкцию привода можно значительно упростить до линейной конструкции со свободным поршнем.Для перемешивания со свободным поршнем требуется нагрузка, которую обеспечивает линейный генератор / генератор.
Ссылки
Большая ветка на CNCZone о солнечной энергии Стирлинга: есть несколько интересных мыслей:
- Используйте выброшенные компакт-диски для отражателей. Мне это нравится. Их можно легко прикрепить к дополнительной параболической спутниковой антенне.
- В качестве альтернативы возьмите «космическое одеяло» — один из тех выживших листов из алюминизированных / покрытых золотом пластиковых листов — и подумайте, как сделать фокусирующее зеркало.Не знаю, насколько прочным будет этот материал в посуде, но он, безусловно, дешевый. Возможно, потребуется просто ламинировать новый слой каждые несколько лет.
- «Преимущество гелия в газе Стирлинга состоит в том, что он имеет самую высокую теплопроводность среди всех газов, кроме водорода. Цикл Стирлинга требует, чтобы рабочий газ набирал и отдавал тепло в окружающую среду, и это в значительной степени ограничивает работу двигателя Стирлинга. Чем выше теплопроводность газа, тем быстрее может происходить этот процесс.«Вот почему Kockums использует водород в качестве рабочего тела — это способствует повышению эффективности. Я точно знаю, что водород и гелий очень привередливы, особенно если нужно учитывать движущиеся части. Интересно, о какой эффективности мы здесь говорим?
PMinMo’s Stirling Wiki: несколько полезных ссылок, но далеко не зашло.
Очень хорошая статья о генераторе Стирлинга Sunpower EG-1000.
2-цилиндровый двигатель Стирлинга «V» может быть хорошей ставкой на мощность
Большой учебник по работе Стирлинга
Хорошая электронная таблица, пошаговая инструкция по проектированию двигателя Стирлинга
Стальной двигатель СтирлингаЧертежи: 4-цилиндровый двигатель с заявленной мощностью 40 Вт.Он размером с двигатель большой модели самолета.
Превосходный схематический обзор различных конфигураций Стирлинга
Замечательные анимации двигателя Стирлинга
Интересное обновление модели 5HP Stirling от Меррика Локвуда: Оригинальная книга на 140 страниц доступна здесь.
Форумы двигателей Стирлинга
Робот-рыба Стирлинга: интересный японский проект. Хорошая шкала Стирлинга.
Моделирование и моделирование солнечной системы Стирлинга со свободным поршнем
Военная генераторная установка Стирлинга мощностью 3 кВт: отчет в формате pdf на 218 страницах.
Cool Nasa Анимация свободной поршневой линейной конструкции
Генератор Sunpower 7 кВт со свободным поршнем, работающий на природном газе
Отличное знакомство НАСА с компанией Stirling Power Generation
Руководство НАСА по разработке двигателей Стирлинга: 300+ страниц. Один интересный комментарий заключается в том, что двигатели Стирлинга, работающие на воздухе, всего на 20-25% эффективнее тех, которые используют гелий или водород в качестве рабочего газа. В этом тексте анализируется множество моделей ромбических дисков.
Список документов Sunpower по свободно-поршневым перемешивателям
DS Stirling Page: любительская постройка относительно большой вместимости Stirlings
Восемь важных анимаций двигателя Стирлинга —
Полезные анимации
Чтобы помочь вам понять двигатели Стирлинга
Двигатель Стирлинга ромбической конфигурации.
Может быть трудно понять, как работают двигатели Стирлинга, потому что они сильно отличаются от бензиновых и дизельных двигателей.
Надеюсь, эти анимации упростят понимание двигателей Стирлинга.
Какие анимации здесь включены?
Анимации, которые я включил в этот список, на мой взгляд, являются наиболее важными конфигурациями двигателей Стирлинга, но есть много других возможных конфигураций.
Щелкните любую из этих ссылок, чтобы перейти непосредственно к этой анимации:
- Двигатель Стирлинга с ромбическим приводом
- Двигатель Стирлинга типа Beta
- Низкотемпературный двигатель Стирлинга
- Gamma Stirling Engine
- Двухпоршневой двигатель Стирлинга Gamma
- Двигатель Стирлинга со свободным поршнем
- Двигатель Альфа Стирлинга
Двигатель Стирлинга с ромбическим приводом
Двигатель Стирлинга ромбической конфигурации.Эти двигатели могут быть на 100% сбалансированы по массе.
У меня давняя любовь к машинам с плавным ходом. Вот почему мне нравится конфигурация двигателя Стирлинга с ромбическим приводом.
Эта конфигурация может быть на 100% сбалансирована по массе.
Это не означает, что если вы построите его, он будет идеально сбалансирован при первом запуске, но он может быть идеально сбалансирован, если вы построите его осторожно, и это важно.
Ромбические двигатели Стирлинга, работающие под давлением
Мне также нравится ромбическая конфигурация, потому что в ней относительно легко создать давление.Это важно для увеличения мощности двигателя Стирлинга любого размера и веса.
Важно отметить, что рабочая газовая часть ромбического и бета-двигателя Стирлинга идентична. Отличие в приводном механизме.
Все ромбические двигатели также являются бета-версией
Все двигатели Стирлинга с ромбическим приводом являются бета-конфигурациями, но некоторые двигатели с бета-конфигурацией используют другие приводные механизмы.
Эти анимации показывают немного другую настройку регенератора, но это не является важным различием.
Внимательно посмотрите на поршень на анимации выше и ниже в течение минуты. Вы заметите, что относительное движение поршня идентично, несмотря на то, что механизмы, производящие это движение, очень разные.
Двигатель Стирлинга типа Beta
Это анимация бета-версии двигателя Стирлинга, в которой все помещается в один цилиндр. Нагрев и охлаждение непрерывны, а не пульсируют, как вы могли подумать по этой анимации.
Бета-конфигурация двигателя Стирлинга обычно использовалась в старинных двигателях, перекачивающих воду, и двигателях для домашнего использования.
Это идеальная конфигурация для тяжелых и медленно вращающихся чугунных двигателей, но она не сработает, если вы попытаетесь сделать двигатель, который работает намного быстрее.
Непрерывное нагревание и охлаждение
Глядя на эту анимацию выше, вы можете подумать, что нагрев вверху (красные стрелки указывают вниз) и охлаждение внизу (красные и синие стрелки указывают влево) прерывистые, как срабатывание внутреннего двигатель внутреннего сгорания.
Но это лишь особенность этой анимации.Настоящие двигатели Стирлинга постоянно нагреваются на горячем конце и непрерывно охлаждаются на холодном конце.
Низкотемпературный двигатель Стирлинга
Это анимация двигателя Стирлинга буйкового типа, похожая на наш двигатель Стирлинга из кофейной чашки.
Низкотемпературные двигатели Стирлинга (двигатели LTD Стирлинга, если вам нравятся сокращения) технически являются гамма-конфигурациями, но они настолько отличаются от высокотемпературных двигателей Стирлинга, что заслуживают отдельной категории.
Эти двигатели обычно рассчитаны на работу при перепаде температур менее 100 градусов Цельсия, и у них есть цилиндр буйка, который является относительно очень широким и коротким.
Компания American Stirling производит ряд моделей двигателей Стирлинга с низким перепадом температур с той же базовой конфигурацией, что и на анимации выше.
Применение низкотемпературных двигателей Стирлинга
Низкотемпературные двигатели чаще всего используются в образовании и в качестве игрушек.
Это связано с тем, что при использовании этой конфигурации сложно получить значительную мощность от двигателя данного размера.
Да, мир полон бесплатных низкотемпературных источников тепла, но двигатели, необходимые для извлечения энергии из этого тепла, как правило, имеют большие размеры для той мощности, которую они вырабатывают.
Если ваш компьютер может отображать Flash, у нас есть хорошая Flash-анимация нашего движка Стирлинга MM-1 / MM-5 Coffee Cup.
Gamma Stirling Engine
Это анимация двигателя Стирлинга гамма-типа.Эта конфигурация популярна в моделях и в старинных двигателях водяной помпы.
ДвигателиGamma Stirling были популярны в старинных двигателях для домашнего использования и для перекачивания воды.
Они остаются популярной конфигурацией для моделей.
Анимация выше особенно хорошо показывает разницу между поршнем и буйком. Синий поршень герметичен, и рабочий газ (часто воздух) толкает его вверх и вниз.
Зеленый буйковый уровень выше имеет посадку с зазором, и рабочий газ течет вокруг него.Газ не давит на вытеснитель.
Двигатели, подобные этому холму, обладают эффектом регенерации, даже если двигатель не имеет специально разработанного регенератора.
Двухпоршневой двигатель Стирлинга Gamma
Анимация двухпоршневого двигателя Стирлинга.
Помните, что я говорил вам, что существует много различных конфигураций двигателей Стирлинга?
Что ж, гамма-анимация, приведенная непосредственно выше, по сути то же самое, что и анимация двигателя Стирлинга в основном оранжево-желтая гамма, показанная до этого, но с другим механизмом для ее работы.
Двигатель Стирлинга со свободным поршнем
Это бесплатная анимация поршневого двигателя Стирлинга от НАСА. Щелкните его правой кнопкой мыши, сохраните на свой компьютер и не стесняйтесь использовать где угодно. Часть двигателя находится справа, а линейный генератор переменного тока — слева.
Мне очень нравятся двигатели Стирлинга со свободным поршнем, и вот почему:
Представьте, что вы могли бы найти способ взять всю сложность двигателя с ромбическим приводом и все проблемы балансировки бета-двигателя и просто избавиться от него?
Что, если бы вы могли спроектировать двигатель Стирлинга, в котором было бы легко создать давление, и все, что вам нужно было сделать (как только вы проработали детали), — это залить природный газ на одном конце и отключить электричество на другом конце?
Разве это не было бы круто?
Уильям Бил — изобретение солнечной энергии
В 1964 году Уильям Бил, профессор машиностроения в Университете Огайо в Афинах, штат Огайо, сделал именно это.
Это было изобретение, которое должно было изменить мир, но не изменило его.
Sunpower получила много государственных денег на исследования, все прототипы работали, и вся интеллектуальная собственность была доведена до совершенства, но ничего так и не было опубликовано.
Есть хорошая книга о двигателях Стирлинга со свободным поршнем
Была опубликована хорошо написанная книга об истории двигателя Стирлинга Sunpower Free-Piston под названием «Следующая великая вещь». К сожалению, они так и не опубликовали книгу о том, как проектировать двигатели Стирлинга со свободным поршнем.
И как их спроектировать было непонятно! Уильям Бил знал это, и несколько инженеров из Sunpower знали, но знания о том, как сконструировать этот класс двигателей Стирлинга, так и не получили широкого распространения.
Возможно, вы напишете книгу о дизайне
Срок действия оригинальных патентов давно истек, так что, надеюсь, кто-нибудь найдет их и напишет руководство по дизайну.
Может ты будешь тот, кто знает! Нет «они», которые занимаются такими вещами. Это только ты, я и другой парень.
Двигатель Альфа Стирлинга
Can Stirling Engine
Ниже приводится простой в изготовлении двигатель Стирлинга, который я построил. используя банку томатной пасты. Это было сделано по понятной и простой инструкции из Замечательный сайт Коичи Хираты.
Несколько советов, как заставить этот двигатель Стирлинга работать.
Разница температур
Ключевым моментом, который я обнаружил, чтобы заставить его работать, было убедиться, что достаточно большая разница температур между площадью воздушного шара и дно банки. Я построил и впервые попробовал, когда это было относительно прохладно в моей гостиной (кондиционер был включен).Это сработало немедленно. В следующий раз я поиграл с ним в жаркие дни, когда северо-восток Северной Америки 3-дневное отключение электроэнергии (нет электричества, нет кондиционера). Это вообще не сработало. Не было достаточной разницы температур между область баллона и дно банки. Также не удалось работать на улице прохладным вечером, потому что я поставил спиртовую горелку под ним нагревается больше площади, чем просто дно банки. Так что это то, что нужно искать, если это не сработает сразу.
Согласование подводимой тепловой энергии к баллону и коленчатому валу
Воздух внутри баллона расширяется при нагревании, и это расширение который толкает воздушный шар и два шатуна, которые затем крутит коленвал. Но если изгибы коленчатого вала требуют воздушный шар надуть больше, чем он может, тогда это не сработает.
Как вы можете видеть ниже, я сделал еще три коленчатых вала до того, как у меня появился один это сработало. Каждый раз приходилось уменьшать размер изгибов, чтобы воздушный шар не должен был надуваться так сильно.
Видео о том, как сделать двигатель Стерлинга из банки и как он работает
Вот видео, которое я сделал снова через несколько лет после вышеупомянутого оригинала. один. Он включает объяснение того, как это работает, и пошаговые инструкции. демонстрация того, как я это делаю.
Вот несколько параметров, которые могут немного помочь, хотя на самом деле, поскольку вы видели на видео, это во многом зависит от имеющихся у вас материалов. Больше размеры приведены в видео.
Может двигатели Стирлинга других производителей
Ниже приведены двигатели Стирлинга, изготовленные другими компаниями, использующими информация с этой веб-страницы и / или видео.
