Проектирование и моделирование теплового двигателя

Составим таблицу 1 основных типов двигателей Стирлинга [3].

Таблица 1. Сбор моделей двигателя Стирлинга

Составляющие ДС 1,2 ДС 3 Рабочая полость Консервная банка Картонный цилиндр с железным дном и верхом Поршень-вытеснитель Губка для мытья посуды/Фильтр для воды
Губка Цилиндр
Алюминиевая пробка
Железный/готовый Рабочий поршень Мембрана с прикрепленной к ней пробкой
Эбонитовый цилиндр Нагреватель Свеча Свеча Охладитель Окружающая среда Окружающая среда Регенератор отсутствует отсутствует Коленчатый вал Алюминиевая проволока
Пластиковый Маховик DVD диск Картонный пропеллер

3.2 Второй этап создания
Второй этап создания двигателя Стирлинга заключается в проведении основных расчетов цикла двигателя Стирлинга.
Итак, работа, совершенная за один цикл двигателя равна [4]:

(1)

где - начальные и конечные значения рабочего объема и температуры соответственно; - количество вещества; - количество теплоты, полученное рабочим телом при изотермическом расширении и сжатии соответственно.
Тогда кпд двигателя соответственно равен:

(2)

где

(3)

- тепло, полученное рабочим телом при изохорном процессе и изотермическом расширении; - тепло, полученное рабочим телом при изохорном нагревании; - молярная теплоемкость при постоянном объеме.
Рабочее давление равно:

(4)

где - объемы расширения, сжатия и мертвый объем соответственно; .
В соответствии с предположением Шмидта,

(5)

где - начальная амплитуда ; - угол поворота коленчатого вала; - отставание фазы поршня сжатия от поршня расширения.
С учетом (5), выражение для давления принимает вид:

(6)

Работа при расширении газа:

(7)

Работа при сжатии газа:

(8)

Полная работа за цикл равна:

(9)

3.3 Создание
Последний этап изготовления двигателя заключается в непосредственной сборки модели двигателя в соответствии с чертежами. На Рис. 4. приведена упрощенная схема двигателя Стирлинга.





Рис. 4. Упрощенная схема V-образного двигателя Стирлинга [5].

Один из цилиндров двигателя (1) является рабочим, другой, соответственно компенсационным (7). В каждом из цилиндров расположен поршень (2). В центральной части размещены охладитель (6) и теплообменник (4) и нагревательный элемент (3). Если один из поршней имеет максимальную скорость, то скорость другого равна нулю. Угол смещения фаз равен соответственно 90º, поскольку цилиндры расположены перпендикулярны.
Итак, в данной главе были кратко описаны этапы создания и сборки модели двигателя Стирлинга.
На первом этапе производится классификация основных моделей двигателя Стирлинга.
На втором этапе производятся основные расчеты параметров двигателя Стирлинга.
На последнем этапе производится непосредственная сборка двигателя Стирлинга согласно чертежам.




















Заключение
Двигатель Стирлинга был изобретен в начале 19 века шотландским инженером Робертом Стирлингом. Практически весь 19 век изобретение Стирлинга оказалось невостребованным, поскольку отсутствовали необходимые материалы для его реализации. И только в 30-х годах прошлого века двигатель Стирлинга вновь стал востребованным в автомобильной промышленности.
К недостаткам двигателя Стирлинга можно отнести
1. значительные масс-габаритные показатели,
2. невозможность быстрого реагирования на изменение теплового потока ввиду конечности теплопроводности теплообменников,
3. сложность управляющего воздействия.
К достоинствам двигателя Стирлинга можно отнести следующие особенности двигатели Стирлинга:
1. высокое значение кпд;
2. простота конструкции, а именно: отсутствие клапанной системы, высоковольтного зажигания, распредвала, и т.д.;
3. отсутствие взрывных процессов при сгорании воздушно-газовой смеси;
4. простота в эксплуатации;
5. возможность длительной эксплуатации двигателя в автономном режиме;
6. возможность использовать любой источник энергии от дров до ядерного топлива;
7. равномерное горение топлива и минимум выбросов токсичных отходов в окружающую среду.
Последний фактор позволяет использовать двигатель Стирлинга для получения дешевой и экологически чистой электроэнергии и тепла, которое способно удовлетворить энергетические ресурсы всех регионов мира.

Список литературы
1. Указатель физических эффектов и явления справочник. – Режим доступа: https://www.gumer.info/bibliotek_Buks/Science/ukazat/index.php (дата обращения 31.10.2020).
2. История развития двигателя Стирлинга. – Режим доступа: http://dvigatel-stirlinga.masteraero.ru/dvigatel_stirlinga_istoriya.php (дата обращения 31.10.2020).
3. Двигатель Стирлинга. – Режим доступа: https://gsg.mskobr.ru/files/Proekt/2018/proekt_dokum4_29_10_2018.pdf (дата обращения 31.10.2020).
4. Гапоненко А.М., Каграманова А.А. Математическое моделирование работы двигателя Стирлинга // Известие Вузов. Северо-Кавказский регион. – Технические науки. – 2016. - № 4. – С. 30-32.
5. Изготовление двигателя Стирлинга. – Режим доступа: https://marshalinstrument.ru/ob-avtomobilyah/izgotovleniya-chertezhei-dvigatelya-vneshnego-sgoraniya-dvigatel-stirlinga/ (дата обращения 31.10.2020).














































































































6