Клуб «Крылатское», школа «Интеллектуал»: Василий Кузнецов, Василий Квитко
Руководитель — Александр Владимирович Ефимов
В развитие работ по двигателям Стирлинга мы обратились к одному интересному двигателю. Предположительно в начале XX — конце XIX века он именовался «двигателем Лемана». В настоящее время его обычно называют словосочетанием Simple Lamina Flow.
Конструкция его достаточно проста. Обычно это стеклянная колба, примерно наполовину заполненная пористым металлическим материалом, которая подогревается спиртовкой на границе наполнителя. На глухой и открытой частях колбы имеются незаполненные наполнителем участки. Со стороны открытого участка расположен поршень с шатуном и маховиком (эксперименты свидетельствуют, что можно использовать свободный поршень и U-образную стеклянную трубку с «жидким поршнем»). Главное условие — поршень должен быть хорошо притерт и иметь минимальное трение о стенки.
Двигатель, в отличие от классического «стирлинга», необходимо «запустить». Для этого нужно или раскрутить маховик, или, если это вариант со свободным поршнем, толкнуть последний внутрь колбы. Возможно, не с первого раза, но двигатель запускается и при размерах 25×156 мм, работает с частотой 6,7 Гц.
При описании работы двигателя авторы, как правило, ссылаются на термоакустический эффект, который можно наблюдать на так называемой «трубке Рийке» (о ней можно прочитать в книге Б.В. Раушенбаха «Вибрационное горение», Москва, 1961). Трубка Рийке представляет собой цилиндр, главная ось которого ориентирована вертикально, с сеткой внутри. Сетку располагают на расстоянии приблизительно четверти высоты цилиндра, считая от основания. Если сетку нагреть достаточно сильно, то возникает сильный звук на частоте, соответствующей второй гармонике. Определить частоту первой гармоники можно по формуле f = a/4l, где а — скорость звука в газе внутри трубки, l — длина трубки. Обязательным условием является наличие сильной тяги (обычно применяют термин «сквозная тяга»). Измеренная на выходе трубки температура поднималась до 100 °С, а частота издаваемого звука для трубки длиной 1 м составила примерно 180 Гц, что соответствует второй гармонике. Звук был настолько сильным, что при диаметре трубки около 70 мм начинали дрожать оконные стекла. При некотором навыке удается извлечь звук практически из любой трубки. Трубка меньшего диаметра (0,02…0,018 м) и меньшей длины (0,5 м) издает звук на частоте около 333 Гц, что также соответствует второй гармонике. Скорость движения воздуха, измеренная по кино-грамме, составила 1,2 м/с (в области, предшествующей появлению звука, — 0,4…0,7 м/с). Теоретически для возникновения акустических колебаний требуется скорость движения воздуха не менее 0,6…0,7 м/с и удлинение трубки не менее 14 калибров. В наших экспериментах удавалось извлечь звук из трубок с относительными длинами от 11 до 27 калибров.
Причина возникновения звука в «трубке Рийке» заключается в следующем. Раскаленная сетка обеспечивает нагрев воздуха и он, обладая меньшей плотностью, устремляется вверх; при этом в области сетки устанавливается некоторая скорость движения воздуха. Воздушная «пробка» более легкого воздуха достигает среза трубки, в результате вниз по потоку начинает двигаться звуковая волна (возмущение). Достигнув сетки, волна (область повышенного давления) вызывает местное увеличение плотности и, как следствие, снижение скорости потока. Снижение скорости потока приводит к увеличению времени пребывания воздуха возле сетки и появлению нового «теплого пузыря» воздуха, который снова движется вверх. Если сетка оказывается в пучности стоячей звуковой волны, то возникают самоподдерживающиеся автоколебания.
Если трубка расположена горизонтально, то для возникновения звуковых колебаний нужно прокачивать через трубку воздух с указанной ранее скоростью. При этом реализуется механизм, обусловленный наличием «термического сопротивления». В области подвода тепла происходит местное снижение плотности воздуха и местное же увеличение скорости. Это приводит к росту давления перед нагревателем, так как расход воздуха остается неизменным. В свою очередь, рост давления вызывает увеличение скорости движения воздуха в области нагревателя. Температура нагревателя уменьшается, при этом термическое сопротивление также падает. Скорость движения воздуха начинает уменьшаться, а температура нагревателя — расти, вследствие чего цикл повторяется.
В работающих моделях термоакустических двигателей нагреватель также располагается на расстоянии одной трети — одной четвертой части полной длины трубки, со стороны открытого конца. Однако измеренная частота движения поршня существенно, в нашем случае в 30…50 раз, меньше частоты звучания «трубки Рийке». Следовательно, если акустические явления и присутствуют в данном двигателе, то носят они другой характер. Однако аналогия с горизонтально расположенной трубкой нам видится справедливой.
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.
Что это такое?
Для объяснения принципа работы термоэлектрического генератора, нужно взять разнородные проводники и замкнуть их в цепь. Точки, в которых проводники соединяются, называют спаями. При нагреве одного из спаев цепи энергия свободных электронов на нем возрастает, так как имеет зависимость от температуры.
На нагретом участке электроны имеют более высокую энергию и начинают перемещаться в холодную область, где электроны обладают меньшей энергией, таким образом в цепи возникает ЭДС.
Величина разности потенциалов в такой цепи зависит от температуры, электропроводности и коэффициента термоЭДС ,который также называется коэффициентом Зеебека.
Для разных материалов его значение различно и измеряется относительно коэффициента платины, которой равняется нулю. К примеру, сурьма, железо, кадмий имеют положительный коэффициент, а висмут, никель, кобальт — отрицательный.
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.
Перспективы развития термоэлектрической генерации
Ожидается, что спрос на бытовое потребление ТЭГ вырастет на 14 %. Перспективы развития термоэлектрической генерации опубликовал Market Research Future, издав документ «Глобальный отчет по исследованию рынка термоэлектрических генераторов — прогноз до 2022 года» — анализ рынка, объем, доля, ход, тенденции и прогнозы. Доклад подтверждает перспективу ТЭГ в утилизации автомобильных отходов и системах совместного производства электроэнергии и тепла для бытовых и промышленных объектов.
Географически глобальный рынок термоэлектрических генераторов был разделен на Америку, Европу, Азиатско-Тихоокеанский регион, Индию и Африку. АТР считается самым быстрорастущим сегментом в области внедрения рынка ТЭГ.
Среди этих регионов Америка, по оценкам экспертов, является основным источником доходов на глобальном рынке ТЭГ. Ожидается, что увеличение спроса на экологически чистую энергию повысит спрос на него в Америке.
Европа также будет демонстрировать относительно быстрый рост в течение прогнозируемого периода. Индия и Китай будут наращивать потребление значительными темпами из-за увеличения спроса на транспортные средства, что приведет к росту рынка генераторов.
Компании по производству автомобилей такие, как Volkswagen, Ford, BMW и Volvo в сотрудничестве с NASA, уже приступили к разработке мини-ТЭГ для системы регенерации тепла и экономии топлива в автомобиле.
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.
Конструктивные особенности и область применения
Основой конструкции термоэлектрического генератора являются термоэлемент, нагреватель, охладитель и нагрузка, это может быть лампа, разъем для подключения устройств — все, что потребляет электричество.
Простота устройства, отсутствие лишних преобразований энергии и минимум движущихся механических узлов делает ТЭГ надежным и долговечным в эксплуатации источником энергии.
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.
Универсальные термоэлектрические генераторы
К универсальным ТЭГ можно отнести те устройства, которые используют излишки тепла там, где таковые имеются, а также генераторы двойного назначения — для выработки электрической и тепловой энергии.
Область применения довольно широка. Хорошо подходят такие термоэлектрические генераторы для дома — в качестве дополнительного или резервного источника питания. Существуют модели, встраиваемые в систему отопления и позволяющие сделать ее автоматику и циркуляционные насосы практически полностью энергонезависимыми.
Вариант для дома или дачи, даст не только электричество, но и послужит в качестве печи, ниже показан пример такой электрогенерирующей печи.
Устройство термоэлектрогенератора своими руками
Столь сложные процессы, которые протекают в ТЭГ, никак не останавливают местных «кулибиных» в стремлении присоединится к мировому научно-техническому процессу по созданию ТЭГ. Использование самодельных ТЭГ применяется уже давно. Во время Великой Отечественной войны партизаны делали универсальный термоэлектрогенератор. Он вырабатывал электрический ток для зарядки рации.
С появлением на рынке элементов Пельтье по доступными для бытового потребителя ценам возможно сделать ТЭГ самому, выполнив следующие шаги.
- Приобрести два радиатора в магазине IT и применить термопасту. Последняя облегчит соединение элемента Пельтье.
- Разделить радиаторы любым теплоизолятором.
- Сделать отверстие в изоляторе для размещения элемента Пельтье и проводов.
- Собрать конструкцию, и поднести источник тепла (свеча) к одному из радиаторов. Чем дольше нагрев, тем больше тока будет вырабатываться из домашнего термоэлектрического генератора.
Работает такой прибор бесшумно, и имеет небольшой вес. Термоэлектрический генератор ic2 в зависимости от размера, может подключить зарядку мобильного телефона, включить небольшой радиоприемник и светодиодное освещение.
В настоящее время многие известные мировые производители начали выпуск различных доступных гаджетов с применением ТЭГ для автолюбителей и путешественников.
Эффективность ТЭГ
Оценивается коэффициентом полезного действия. Мощность термоэлектрогенератора зависит от двух критических факторов:
- Объема теплового потока, который может успешно перемещаться через модуль (тепловой поток).
- Дельты температур (DT) – разница температур между горячей и холодной стороной генератора. Чем больше дельта, тем эффективнее он работает, поэтому конструктивно должны быть обеспечены условия, как для максимальной подачи холода, так и максимального отвода тепла от стен генератора.
Термин «эффективность термоэлектрических генераторов» аналогичен термину, применяемому в отношении всех других типов тепловых двигателей. Пока он очень низкий и составляет не более 17 % эффективности Карно. КПД генератора ТЭГ ограничен эффективностью Карно и на практике достигает лишь несколько процентов (2-6 %) даже при высоких температурах. Это происходит из-за низкой теплопроводности в полупроводниковых материалах, что не способствует эффективной выработке электроэнергии. Таким образом, нужны материалы с низкой теплопроводностью, но в то же время с максимально высокой электропроводностью.
Полупроводники лучше справляются с этой задачей, чем металлы, но пока еще очень далеки от тех показателей, которые вывели бы термоэлектрический генератор на уровень промышленного производства (хотя бы с 15 % использованием высокотемпературного тепла). Дальнейшее повышение эффективности ТЭГ зависит от свойств термоэлектрических материалов (термоэлектрики), поиском которых сегодня занят весь научный потенциал планеты.
Разработки новых термоэлектриков относительно сложные и затратные, однако в случае успеха они вызовут технологическую революцию в системах генерации.
