Модель двигателяСтирлинга
Двигатель Стирлинга — это двигатель внешнего сгорания, в котором тепловая энергия подводится крабочему телу (в нашем случае — к воздуху) извне — через стенку цилиндра.Принцип действия его основан на известном физическом законе — расширении исжатии воздуха при нагревании и охлаждении. Поэтому стирлинг называют ещевоздушно-тепловым двигателем. Понять работу двигателя, который Стирлингразработал еще в 1816 году, нам поможет модель, описанная в книге С. Баранова«Действующие модели тепловых машин» (год издания 1936-й). Сначала о том, какустроена модель стирлинга.
Она собирается изчетырех основных частей: двух сообщающихся цилиндров — теплообменного 6 ирабочего 3, камеры нагрева — назовем ее топкой 4 — и резервуара с холоднойводой (на схемах I-III он не показан, см. его на общем виде двигателя). Вверхней части теплообменного цилиндра 6 герметично впаяна камера 7 для воды. Еезадача — охладить нагретый воздух.
Через эту камерупроходит шток поршня-вытеснителя 5. Вытеснитель установлен в цилиндре 6 сзазором, не касаясь стенок. Рабочий поршень 2, наоборот, плотно подогнан кцилиндру 3 и движется по нему практически без зазора. Между собой вытеснитель 5и рабочий поршень 2 соединены через кривошипно-шатунный механизм, причемкривошип и эксцентрик установлены относительно друг друга со сдвигом фаз на90°. Цилиндры соединены между собой трубкой, и поэтому воздух может легкопроходить из теплообменного в рабочий цилиндр, и наоборот. Кривошипно-шатунныймеханизм состоит из кривошипа с шатуном и осью (узел 8), эксцентрика 1 имаховика 9.
Диаметр маховика 80 мм,а расстояние от оси до пальца эксцентрика 14 мм. Итак, предположим, что мыпоставили спиртовку в топку 4 и начали нагревать дно цилиндра 6. Черезнекоторое время воздух под поршнем-вытеснителем нагреется (а значит,расширится) и устремится вверх (напомним: между вытеснителем и стенкой цилиндраимеется зазор). Сдвинем маховик 9 с мертвой точки, и поршень-вытеснитель 5начнет подниматься вверх, вытесняя при этом холодный воздух сверху вниз.Медленно начнет двигаться и рабочий поршень 2. Холодный воздух, соприкасаясь сраскаленным дном цилиндра 6, нагреется, давление возрастет, и воздух по трубкепойдет в рабочий цилиндр 3. Поршень 2 под его воздействием начнет свой рабочийход. Поршень движется вверх, а тем временем вытеснитель уже стал опускатьсявниз, потому что фазы их, как уже было сказано, сдвинуты на 90°. Поршень занялверхнее положение и под действием инерции маховика 9 начинает опускаться вниз,вытесняя в цилиндр 6 отработанный, потерявший первоначальную теплоту воздух.
Попав в верхнюю частьтеплообменного цилиндра, он еще больше охлаждается и уменьшается в объеме.Вытеснитель же при обратном ходе рабочего поршня снова начинает подниматься иснова перегоняет холодный воздух сверху вниз. Соприкасаясь с раскаленным дномцилиндра 6, холодный воздух нагревается, расширяется, и цикл повторяется.Главное в работе такого двигателя — охлаждение воздуха. В нашей модели этоделает вода, поступающая из резервуара, установленного рядом с двигателем. Кактолько вода, находящаяся в камере 7, нагреется горячим воздухом, онаустремляется по патрубку вверх и попадает в резервуар. А на ее место, уже понижнему патрубку, поступает из резервуара холодная вода. В физике это явлениеназывается тепловой конвекцией. Теперь о том, как сделать модель двигателя.
Оба цилиндра 3 и 6,топку 4 проще всего спаять из жести. Сначала вырежьте заготовку для цилиндра 6(ширина ее примерно 223 мм), просверлите в ней отверстия 0 4,2 мм для оси, азатем согните на круглой болванке. Спаяйте цилиндр. С внешних сторон его ушекнапаяйте втулки с внутренним диаметром не менее 4,2 мм — они выполняют функцииподшипников. Затем приступайте к изготовлению водяной камеры 7. По диаметруполучившегося цилиндра вырежьте из жести два кружочка. В центре их просверлитеотверстия под трубку с внутренним диаметром примерно 3 мм (длина ее 32 мм).Впаяйте трубку в кружочки так, чтобы расстояние между ними было 30 мм. Получившуюсядеталь закрепите пайкой внутри цилиндра, отступив от его нижнего края на 35 мм.Постарайтесь выполнить эту операцию как можно аккуратнее, камера 7 должна бытьгерметичной, и вода не должна просачиваться через стенки.
Вытеснитель 5собирается из легкого деревянного цилиндрика, диаметр которого примерно на 2,5мм меньше внутреннего диаметра цилиндра 6 (высота его подбираетсяэкспериментальным путем) и штока, сделанного из спицы 0 2,8 мм. С обеих сторонобейте цилиндрик жестяными кружочками. По диаметру штока просверлите в центрецилиндрика отверстие и плотно вставьте в него шток. А чтобы он от нагревания невыскочил, припаяйте его к жестяным кружочкам. Шток должен свободно ходить потрубке камеры 7, без излишнего трения. В верхней части штока просверлитеотверстие для пальца шатуна. Особое внимание уделите цилиндру 3 и поршню 2. Отих качества зависит работа всей модели. Цилиндр можно изготовить из обрезкалатунной или медной трубки длиной 40 мм и 0 18-20 мм, запаяв ее снизу латуннымкружочком.
В готовом цилиндре незабудьте просверлить отверстие для сообщения его с большим цилиндром. Поршеньжелательно выточить на токарном станке. Шток закрепляется в верхней частипоршня шарнирно. Заготовку топки 4 тоже нужно выгнуть на круглой болванке,предварительно проделав в ней отверстия для воздуха и крепежных винтов.Спаивать ее желательно прямо на готовом цилиндре 6. Теперь нужно собратьмодель: припаять цилиндр 3, подогнать к нему поршень 2, впаять в цилиндрытрубку для сообщения между собой, смонтировать кривошипно-шатунный механизм,запаять дно цилиндра 6. Готовый корпус двигателя установите на топку 4 изакрепите пайкой. Резервуар для водяного охлаждения — это жестяная банка свпаянными снизу и сверху патрубками, на которые надеты резиновые шланги.
Закрепляется резервуаррядом с двигателем на деревянной подставке. Подытоживая, заметим, что двигательСтирлинга действует на таком физическом явлении: работа, совершаемая горячимвоздухом при расширении, больше работы, которую надо потратить на его сжатие.Поэтому постарайтесь получше отладить кинематику модели, чтобы до минимумауменьшить трение в движущихся узлах. Несколько слов о современных стирлингах.Двигатели внешнего сгорания строят и сейчас, причем по некоторым параметрам ониопережают другие двигатели. Сегодня они уже не такие громоздкие, как в прошломстолетии. В качестве рабочего тела в них применяется легкий газ: гелий иливодород (у Роберта Стирлинга, как вы помните, использовался воздух). На работусовременного стирлинга не влияет внешняя среда: газ, закачанный в корпус поддавлением, находится в замкнутом объеме. Поэтому современные стирлинги можноприменять практически всюду: и в воде, и под землей, и в открытом космосе, тоесть там, где обычные двигатели работать не могут.
· Зарубежная мастерская (сделай сам)
Представляювашему вниманию перевод вот этой статьи. Прошу простить, если я что-топеревела не так — я не очень сильна в английском техпереводе и специфическихтерминах. Надеюсь, что всё будет понятно и никто не пострадает. Текст получилсяслишком большой и в одну статью не влез. Вторая часть тут. Как сделатьдвигатель Стирлинга из баночек от колы.
ДвигательСтирлинга — это тепловой двигатель, придуманный Робертом Стирлингом в 1816году. Он отличается от автомобильного, так как топливо сжигается вне двигателя– поэтому машину Стирлинга гораздо легче построить. Существуют двигателиСтирлинга, которые могут работать даже от тепла ваших рук, хотя их будеттяжелее собрать. Двигатель Стирлинга станет отличным дополнением к любойколлекции «вещей, которые я построил сам»! Как он работает? Этот двигательиспользует воздух, который попеременно нагревается и охлаждается. Чтобыосуществить процесс нагревания-охлаждения, в банке находится свободныйвытеснитель, который может перемещаться вверх и вниз, создавая движение воздухав двигателе. Когда воздух нагревается, он расширяется и давит на диафрагму(воздушный шар), которая приводит в движение рычаги. Когда рычагиповорачиваются, они двигают вытеснитель вниз так, что воздух перемещается вверхнюю часть, где он охлаждается, заставляя ее сокращаться и тянуть назадрычаги, которые, разумеется, тянут вверх вытеснитель и позволяют воздухупереместиться в нижнюю часть и нагреться. Это повторяется снова и снова. Чтопонадобится: 3 банки из-под колы 1 воздушный шарик2 ниппеля для креплениявелосипедных спиц5 электрических клемм (контактные колодки) 5A Стальная вата. Стальнаяпроволока сечением 1мм (около 30см). Толстая (сечение 1.6-2 мм) медная илистальная проволока. Пластиковая крышка от бутылки Деревянный штырь диаметром 20мм (нам понадобится длина всего лишь 1см). Суперклей 30см электрическойпроводки Рыболовная леска около 30 см длиной. Кусочек вулканизированной резины — около 2 квадратных сантиметров. Маленькие грузы для балансировки (например,никелевые и т.д.). 3 CD-диска. Жестяная баночка для топки. Канцелярская кнопка.Красный термоустойчивый силикон. Консервная банка для кожуха водяногоохлаждения.
Шаг1: Подготовка 2 банок из-под колы. Во-первых, вам нужно две банки с отрезаннымиверхушками. Если резать ножницами, останутся опасные зазубрины, которыепридётся сточить, используя напильник или дремель. Затем вырежьте дно банки спомощью ножа. Старайтесь не помять металл, это уменьшит герметичность.Некоторые используют для этих целей консервный нож, но я обнаружил, что онповреждает стенки банки. Впрочем, вам может и повезти.
Шаг2: Делаем диафрагму. Диафрагма этого двигателя выполнена из обычного воздушногошарика, усиленного вулканизированной резиной. В первую очередь отрежьтегорловину шарика и натяните его на банку. Затем вырежьте кусоквулканизированной резины площадью 1 см и приклейте его в центр шарика. После того,как клей высохнет, вы можете использовать канцелярскую кнопку, чтобы пробить вцентре диафрагмы отверстие для проволоки, на которой будет закреплёнвытеснитель. Оставьте кнопку в отверстии, пока не придёт время вставитьпроволоку.
Шаг3: Вырезаем и сверлим крышку от бутылки. Просверлите отверстия диаметром 2 мм(для поворотной оси рычагов) в обеих стенках крышки, а также отверстие вдонышке крышки (для проволоки, держащей вытеснитель). Затем вырежьте обестороны крышечки, придав им изогнутую форму. Это делается потому, что иногдадержатель проволоки отходит в сторону и задевает крышечку. Это большераздражает, чем доставляет хлопоты, но всё равно лучше этого избежать. Крометого, я думаю, что так лучше смотрится. Я пользовался хозяйственными ножницами –они очень хорошо режут толстый пластик. Теперь снимите диафрагму с баночки инатяните её снова, но так, чтоб вулканизированная резина находилась внутрибанки. Приклейте крышечку к диафрагме, на ту сторону, где нет резины. Я слегкаподшлифовал крышечку, потому что клей не схватывался с пластиком. При этомкнопка должна остаться на месте, чтоб все отверстия, через которые будетпродета проволока, находились на одной линии.
Шаг4: Сверлим отверстия для подшипников. Я взял длинное 3,5 мм сверло, чтобпросверлить отверстия для подшипников. Я сверлил на глаз, измерять и вычислятьтут не обязательно. Они должны быть в верхней части баночки, там, где стенкискошены. Убедитесь в том, что они находятся на одном уровне.
Шаг5: Вырезаем смотровое окошко. Обозначьте круг примерно в центре баночки, с темрасчётом, чтоб через него можно было видеть рычаги и вытеснитель. Можно и некруг, просто так легче вырезать. Шаг 6: Сверлим электрические клеммы. Теперьвам нужно где-нибудь достать электрические клеммы и удалить с них пластиковуюзащиту. Лучший способ это сделать – открутить винты, насколько возможно, иотогнуть пластик плоскогубцами. Теперь просверлите отверстие диаметром 2 ммпрямо через конец каждой из них, как показано на картинке. Вы должныпросверлить три из них. Чтобы удобнее было сверлить, я держал их плоскогубцами.Кроме того, необходимо оставить две клеммы непросверленными.
Шаг7: Делаем рычаги. Для рычагов я использовал медную проволоку диаметром около1,88 мм — вы можете использовать старые спицы или стальную проволоку, если увас нет медной. Я использовал медную, потому что её легче гнуть и вообще, онамне нравится. Если вам нужно выпрямить проволоку, можно зажать один конец вдрель, а другой захватить плоскогубцами — вращение дрели должно выпрямитьпроволоку. На всякий случай защитите лицо и руки – проволока может выскользнутьи поранить вас. Ниже представлены фотографии каждого шага изготовления рычагов.Центральный участок должен выступать примерно на 20мм, а два боковых — на 5ммкаждый, но особой точности тут не требуется. Центральный участок располагаетсяпод углом 90 градусов к боковым — это лучший угол для такого двигателя.
Шаг8: Изготавливаем подшипники. Я использовал два велосипедных ниппеля дляизготовления подшипников. Вы можете найти их в магазинах или снять со старыхвелосипедных колёс. Проверьте отверстия – возможно, их совсем не обязательносверлить. Я просверлил ниппели насквозь двухмиллиметровым сверлом.
Шаг9: Устанавливаем рычаги и подшипники. Теперь вы можете установить рычаги.Например, через смотровое окошко. Если вы не можете их вставить, подтачивайтеодин конец проволоки до тех пор, пока она не войдёт в подшипник. Оставьте одинконец проволоки подлиннее – потом вы закрепите на нём маховое колесо.Подшипники должны очень плотно сидеть в предназначенных для них отверстиях, ноесли они «плавают», вы можете их приклеить.
Шаг10: Делаем вытеснитель. Вытеснитель я сделал из стальной полировочной ваты,обмотанной вокруг куска стальной проволоки. Согните небольшой крюк в концепроволоки и намотайте на неё стальную вату. Как только вы приблизитесь кразмеру баночки из-под колы, обрежьте вату. Обрежьте вату так, чтоб вытеснительбыл не более 2 дюймов (около 5 см) высотой. Другой конец проволоки смотайте вспираль, так, чтоб нельзя было вытащить её из мотка стальной ваты. Такжеобрежьте моток ваты так, чтоб его верхняя часть была скошена так же, как истенки банки.
Проверьтеположение вытеснителя в банке — он должен свободно падать под собственнымвесом. Попробуйте сделать вытеснитель идентичным банке по форме. Когда выбудете довольны движением вытеснителя, привяжите к крюку на проволокерыболовную леску. Лучше всего добавить немного клея, чтоб узелок не смогсместиться при движении устройства.
Теперьвы можете удалить кнопку из диафрагмы и продеть сквозь неё свободный конецлески так, чтобы вулканизированная резина находилась внутри резервуара.
Итак,продолжаем наше занимательное стирлингостроение. Увы, весь перевод у меня невлез в одну статью, поэтому приходится плодить. Первая часть вот.
Шаг11: Делаем резервуар под давлением. Вырежьте донышко банки, оставляя примерно 1дюйм (около 2,5 см) от основания. Поместите вытеснитель и диафрагму врезервуар, а затем установите всё это устройство в конец банки. Убедитесь, чтовытеснитель перемещается свободно. После этого натяните диафрагму. Она должнабыть натянута ровно настолько, чтоб не провисать. Смотрите не переборщите, еёнельзя натягивать чересчур сильно!
Возьмитеклемму, которую вы не просверлили, и протяните через неё леску – при этомубедитесь, что вытеснитель находится в нижней части сосуда. Приклейте узелоктак, чтоб он не мог двигаться. Смажьте проволоку маслом [я уже начинаютеряться, но там так и написано! – прим. перев.] и убедитесь, что вытеснительсвободно движется и тянет за собой леску.
Шаг12: Делаем толчковые стержни. Теперь вы можете сделать толчковые стержни,соединяющие диафрагму с рычагами. Начните с куска медной проволоки (около 15смв длину), протяните его через два отверстия в стенках бутылочной крышечки.Затем загните проволоку внутрь. Вам нужно будет отрезать её, оставив концы такойдлины, чтоб они доставали до клемм, обращённых вниз. Убедитесь в том, чтопроволока свободно вращается в отверстиях.
Шаг13: Делаем маховик. Для того, чтобы сделать маховик, я использовалсантиметровый кусок деревянного стержня 20 мм в диаметре. Я вставил его в центртрёх старых компакт-дисков. Стержень даже оказался слишком широким, и мнепришлось его немного подточить. Просверлите отверстие диаметром 2 мм сквозьцентр стержня. Рядом с ним, ближе к внешней стороне, проделайте другоеотверстие – диаметром около 3 мм, глубиной 5 мм. Оно нужно для того, чтобпродеть в него проволоку, удерживающую рычаги, после того, как вы её согнёте.Диски, если они будут плохо держаться, можно просто приклеить.
Шаг14: Прикрепляем маховик. Маховик держится за счёт крюка, согнутого на концеколенчатого вала. Крюк вставляется в дополнительное отверстие, просверленное вдеревянном стержне.
Шаг15: Собираем всё вместе и находим баланс. Теперь вы можете собрать все частивоедино. Банка с рычагами вставляется в верхнюю часть сосуда под давлением.Лучше всего вставлять банку снизу, потому что иначе вы рискуете помять илисломать основную ёмкость. Вам необходимо вдавить её примерно на 4 мм. Первое,что нужно сделать, это присоединить и сбалансировать вытеснитель. Я отрезалкусочек медной проволоки (около 30 мм), чтоб подсоединить проволоку,удерживающую вытеснитель, к одному из рычагов. Это нужно затем, чтоб нижняяклемма могла двигаться вверх-вниз и удерживать вытеснитель от ударов по верхнейили нижней части сосуда. [Боже, храни королеву! Я надеюсь, что вы понимаете, очём тут речь. – прим. перев.] Когда вы присоедините вытеснитель, можно добавитьпротивовес к маховику. Противовес должен тянуть рычаг, соединённый свытеснителем, в горизонтальное положение – убедитесь, что это так. В моёмслучае противовес сделан из монетки. Толчковые стержни ввинчиваются во внешниениппели. Установите рычаги в самое нижнее положение и закрепите стержни вниппелях.
Шаг16: Делаем топку. Для топки я взял жестяную баночку из-под сиропа, у которойесть окантовка на крышке и донышке. Вырежьте спереди отверстие в виде арки ипросверлите 8 отверстий диаметров 8 мм для вентиляции. Вы также можетеиспользовать любую жестяную банку, сопоставимую по диаметру с баночкой из-подколы. Главное – вырежьте в ней отверстие.
Шаг17: Прикрепляем окантовку. Чтоб никто не порезался об острые края смотровогоокошка, я сделал для него окантовку из оболочки электрического кабеля. Яразрезал её по центру, вынул провод и приклеил оболочку на края отверстия.
Шаг18: Вот и готово! Тестируем и ищем неисправности. Наконец вы можете испытатьдвигатель! Зажигаем свечу и пробуем! Надеемся, что он заработает с первогораза. Если нет – вот пара советов, которые могут помочь. Не забудьте хорошенькосмазать все движущиеся части – это поможет механизму двигаться более плавно.
Утечкивоздуха: Если вы подозреваете утечки воздуха, можно поместить всю конструкцию вгорячую воду, и любая утечка тут же станет очевидной. Именно в горячую воду!Это важно, поскольку воздух внутри начнёт расширяться, и утечка скорееобнаружится. Не забудьте потом тщательно просушить двигатель и откачать воду,иначе образующийся пар просто разорвёт баночку. Слишком много трения:достаточно ли свободно двигается механизм? Определённое сопротивление состороны диафрагмы будет наблюдаться всегда, но если вы попытаетесь раскрутитьмаховик рукой, он должен свободно повернуться один-два раза. Двигатель чересчургерметичен: Если двигатель прекрасно герметичность, то воздух в неподвижномпространстве будет расширяться и мешать движению. Симптомом этого являетсявыпуклость диафрагмы. Проблема решается так: подложите под край диафрагмыкусочек лески, это создаст небольшой люфт, и избыточного давления можно будетизбежать. Со временем отверстие, через которое проходит проволока вытеснителя,расширится, и вы сможете убрать искусственный люфт. Если вы сделали такой люфт,не наполняйте промежуток между двух банок водой, потому что она начнётпросачиваться.
Шаг19 [Опционально] Добавляем кожух водяного охлаждения Вы можете заставить свойдвигатель работать лучше, добавив кожух охлаждения для увеличения разноститемператур. Для этого вам понадобится консервная банка диаметром немногобольше, чем баночка из-под колы. Нарисуйте круг на дне банки и вырежьте егохозяйственными ножницами. Возможно, придётся отполировать края отверстия.Поместите сосуд под давлением в подготовленную консервную банку и запечатайтеводостойким силиконовым герметиком.
Цикл Стирлинга
В двигателяхвнутреннего сгорания (ДВС) распыленное топливо соединяется с окислителем, как правило,воздухом, до фазы сжатия или после этой фазы, и образовавшаяся горючая смесьотдает свою энергию во время кратковременной фазы горения. В двигателеСтирлинга энергия поступает в двигатель и отводится от него через стенкицилиндра или теплообменник. Еще одним существенным различием между двигателемвнутреннего сгорания и двигателем Стирлинга является отсутствие в последнемклапанов, поскольку рабочее тело (газ) постоянно находится в полостяхдвигателя. Цикл Стирлинга основан на последовательном нагревании и охлаждениигаза (его называют рабочим телом) в замкнутом объеме. Рабочее тело нагреваетсяв горячей части двигателя, расширяется и производит полезную работу, после чегоперегоняется в холодную часть двигателя, где охлаждается, сжимается и сноваподается в горячую часть двигателя. Цикл повторяется. Количество рабочего телаостается неизменным, меняется его температура, давление и объем. Весь циклусловно разделен на четыре такта. Условность заключается в том, что четкоеразделение на такты в цикле отсутствует, процессы переходят один в другой. Этообусловлено отсутствием в конструкции двигателей Стирлинга клапанного механизма(стирлинг-двигатели с клаппаным механизмом называются двигателями Эриксона). Содной стороны данный факт резко упрощает конструкцию, с другой стороны вноситсложность в теорию расчета. Но об этом позже. Рассмотрим принцип работы напримере гама-стирлинга. Этот тип наиболее часто применяют в моделировании.Двигатель состоит из двух цилиндров. Большой цилиндр — теплообменный. Егозадача поочередно разогревать и охлаждать рабочее тело. Для этого один тореццилиндра разогревают (на схеме он закрашен розовым цветом), другой торец — охлаждают (на схеме он закрашен синим цветом). Большой поршень выполненный изтеплоизоляционного материала, свободно перемещается в теплообменном цилиндре(зазор между стенками цилиндра и поршня составляет 1-2 мм) и выполняет рольтеплового клапана, пегегоняющего рабочее тело то к холодному, то к горячемуторцу. Малый цилиндр является рабочим. Поршень плотно подогнан к цилиндру.
Гамма стирлинг. Первыйтакт
Первый такт — тактсжатия при постоянной температуре рабочего тела: поршень теплообменногоцилиндра находится вблизи нижней мертвой точки (НМТ) и остается условнонеподвижным. Газ сжимается рабочим поршнем малого цилиндра. Давление газавозрастает, а температура остается постоянной, так как теплота сжатия отводитсячерез холодный торец теплообменного цилиндра в окружающую среду.
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ: Подусловной неподвижностью подразумевают малую высоту перемещения поршня припрохождении коленвалом расстояния вблизи верхней или нижней мертвой точки.
Гамма стирлинг. Второйтакт
Второй такт – тактнагревания при постоянном объеме: рабочий поршень рабочего цилиндра находитсявблизи НМТ и полностью перемещает холодный сжатый газ в теплообменный цилиндр,поршень которого движется к верхней мертвой точки (ВМТ) и вытесняет газ вгорячую полость. Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндровдвигателя остается постоянным, рабочее тело разогревается давление повышается идостигает максимального значения. Это в теории. На практике прирост давленияидет параллельно с выталкиванием рабочего поршня. В результате давление недостигает теоретически рассчитанного максимума. Данный факт также объясняет хорошийк.п.д. на малых оборотах двигателя. Рабочее тело прогревается лучше и приростдавления приближается к максимуму.
Гамма стирлинг. Третийтакт
Третий такт — тактрасширения при постоянной температуре газа: поршень теплообменного цилиндранаходится вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) и остается условно неподвижным.Поршень рабочего цилиндра под действием давления газа движется к верхнеймертвой точке. Происходит расширение горячего газа в полости рабочего цилиндра.Полезная работа, совершаемая поршнем рабочего цилиндра, черезкривошипно-шатунный механизм передается на вал двигателя. Давление в цилиндрахдвигателя при этом падает, а температура газа в горячей полости остаетсяпостоянной, так как к нему подводится тепло от источника тепла через горячуюстенку цилиндра. В моделях двигателей Стирлинга, где теплообменный цилиндр неимеет качественного нагревателя рабочее тело разогревается не полностью, нопоскольку давление в газах распространяется равномерно во все стороны егоизменение оказывает действие и на рабочий поршень, заставляя его двигаться исовершать работу.
Гама стирлинг.Четвертый такт
Четвертый такт — тактохлаждения при неизменном объеме: поршень рабочего цилиндра находится вблизиВМТ и остается условно неподвижным. Поршень теплообменного цилиндра движется кНМТ и перемещает газ, оставшийся в горячей части в холодную часть цилиндра. Таккак при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателяостается постоянным, давление газа в них продолжает падать идостигает минимального значения. В моделях, содержащих рабочее тело приатмосферном давлении четвертый такт также является рабочим, поскольку давлениепадает резко и возникает кратковременное разряжение. В результате рабочийпоршень с усилием втягивается в цилиндр, совершая дополнительную работу. Изчетырех тактов два — рабочие!
Плюсы стирлингов
— КПД двигателяСтирлинга может достигать 65-70% КПД от цикла Карно при современном уровнепроектирования и технологии изготовления. Кроме того крутящий момент двигателяпочти не зависит от скорости вращения коленвала. В двигателях внутреннегосгорания напротив максимальный крутящий момент достигается в узком диапазонечастот вращения. — В конструкции двигателя отсутствует система высоковольтногозажигания, клапанная система и, соответственно, распредвал. Грамотноспроектированный и технологично изготовленный двигатель Стирлинга не требуетрегулировки и настройки в процессе всего срока эксплуатации. — В ДВС сгораниетопливо-воздушной смеси в цилиндре двигателя является, по сути, взрывом соскоростью распространения взрывной волны 5-7 км/сек. Этот процесс даетчудовищные пиковые нагрузки на шатуны, коленчатый вал и подшипники. Стирлингилишены этого недостатка. — Двигатель не будет «капризничать» из-запотери искры, засорившегося карбюратора или низкого заряда аккумулятора,поскольку не имеет этих агрегатов. Понятие «двигатель заглох» неимеет смысла для Стирлингов. Стирлинг может остановиться, если нагрузкапревышает расчетную. Повторно запуск осуществляется однократным поворотоммаховика коленчатого вала.
Простота конструкциипозволяет длительно эксплуатировать Стирлинг в автономном режиме.
— Двигатель Стирлингаможет использовать любой источник тепловой энергии, начиная с дров и заканчиваяядерным топливом!
— Сгорание топливапроисходит вне внутреннего объема двигателя (в отличии от ДВС), что позволяетобеспечить равномерное горение топлива и полное его дожигание (т.е. отбормаксимума содержащейся в топливе энергии и минимизация выброса токсичныхкомпонентов).
Минусы стирлингов
— Поскольку сгораниетоплива происходит вне двигателя, а отвод тепла осуществляется через стенкирадиатора (напомним, что Стирлинги имеют замкнутый объем) габариты двигателяувеличиваются. — Еще один минус — материалоемкость. Для производства компактныхи мощных Стирлинг-машин требуются жаропрочные стали, выдерживающие высокоерабочее давление и в то же время, обладающие низкой теплопроводностью. Обычнаясмазка для Стирлингов не годится — коксуется при высокой температуре, по этомунеобходимы материалы с низким коэффициентом трения.- Для получения высокойудельной мощности в качестве рабочего тела в Стирлингах используют водород илигелий (почему именно эти газы — читайте в разделе «ТЕОРИЯ»). Водородвзрывоопасен, при высоких температурах растворяется в металлах, образуя металлогидриды- т.е. разрушает цилиндры двигателя. К тому же водород, как и гелий обладаетвысокой проникающей способностью и просачивается через уплотнения подвижныхчастей двигателя, снижая рабочее давление.
Для того чтобы окраситьалюминий, его необходимо анодировать. Очищенную и обезжиренную деталь опуститена 2-3 минуты в 5% р-р едкого натра, промойте, а затем опустите в слабыйраствор азотной кислоты (20-30мл. кислоты на 100г. воды) и снова промойте. Дотрагиватьсядо нее руками нельзя. Опустите деталь в ванну для анодирования, к деталиподсоедините положительный электрод. Электролит-20мл. серной кислоты на 100млводы. Ток 20-25мА на 1см2.Процес длится около часа. Дальше деталь на 5-10 минутпоочередно погружают в два раствора, промывая каждый раз в проточной воде. Составыкрасящих растворов: (концентрация в гаммах на 100 г. воды).