Проекты

Генератор дома. Двигатель Стирлинга

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

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Бауманская инженерная школа № 1580
Предметы: Физика
Классы: 7 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

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

Цель

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

Задачи

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

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

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

Описание

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

Первая модель сборки имела следующие недостатки, мешающие работе двигателя:

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

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

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

Эксперимент

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

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

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

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

Результаты работы/выводы

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

Перспективы использования результатов работы

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

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

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

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

Победитель конференции «Инженеры будущего».

Победитель конференции «Наука для жизни».

Призер конференции «Технопарк».

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

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