Как сделать двигатель Стирлинга в домашних условиях?

Что такое двигатель Стирлинга?

Можем ли мы создать двигатель, который преодолеет эти проблемы? Предположим, мы избавимся от котла (что позволит устранить риск взрыва) и используем тепло от огня для непосредственного питания двигателя. Тогда, вместо того чтобы использовать пар для перемещения тепловой энергии от огня к цилиндру, почему бы не поставить цилиндр ближе к огню и использовать обычный воздух (или какой-то другой простой газ, например водород или гелий) для перемещения тепловой энергии между ними?

Если мы запечатаем этот воздух в закрытой трубе, так что один и тот же воздух движется туда и обратно снова и снова, собирая энергию от огня и выпуская ее в цилиндр, мы решим проблему двигателя, нуждающегося в постоянной подаче воды. Наконец, почему бы не добавить какой-нибудь теплообменник, чтобы при прохождении горячего воздуха взад и вперед его энергия удерживалась внутри машины и перерабатывалась для повышения общей эффективности.

Это основные способы, которыми двигатель Стирлинга улучшает работу паровой машины. Иногда вы можете увидеть двигатели Стирлинга, описанные как “замкнутые, регенеративные тепловые двигатели”, что является очень кратким способом сказать то, что мы только что сказали: замкнутый цикл означает, что они используют герметичный объем газа для перемещения тепла вперед и назад, снова и снова, через серию бесконечно повторяющихся шагов; регенеративный просто означает, что они используют теплообменники, чтобы сохранить часть тепла, которое в противном случае было бы потеряно на каждом цикле (бесполезно раздувается дымовая труба, как это происходит в паровом двигателе).

Конструкция двигателя Стирлинга

Агрегаты бывают разных форм, большинство из которых — варианты четырёх базовых конфигураций, главные их части следующие:

1. Источник тепла. Он может быть любой: от огня, производимого горящим углем или дровами, до солнечной света, концентрируемого гелиостатами, поскольку фактическое сгорание топлива не нужно, используется только разница температур между радиатором и источником тепла.
2. Газ, или рабочее тело, постоянно находится в закрытом баллоне внутри машины. Это может быть гелий, обычных воздух, водород, а также любое другое доступное вещество, которое не меняет своей формы при нагреве и охлаждении. Его основная задача — передать тепловую энергию.
3. Радиатор. Нужен для охлаждения горячего газа.
4. Поршни и цилиндры, между которыми движутся газовые заслонки, которые при нагреве расширяются, а при охлаждении сжимаются перед тем, как весь цикл повторится.
5. Теплообменник, или регенератор. Расположен между радиатором и тепловым источником. Нагретый газ, проходя мимо, отдаёт часть своего тепла, а возвращаясь забирает его. Без этого узла тепло будет уходить, то есть тратиться впустую.

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.

Как и почему работает двигатель Стирлинга

Двигатели насыщали наш мир со времен промышленной революции: сначала грязные угольные паровые двигатели, затем более чистые и эффективные бензиновые двигатели, а в последнее время реактивные двигатели в самолетах. Основная концепция двигателя — то, что использует разницу между высокой температурой и низкой — не изменилась за пару сотен лет, хотя иногда люди все еще придумывают небольшие улучшения, которые делают процесс немного быстрее или эффективнее.

Один двигатель, о котором вы, возможно, много слышали в последнее время (и хотели его построить) – это двигатель Стирлинга, который немного похож на паровой двигатель, однако он совсем не использует пар! Вместо этого он нагревает, охлаждает и перерабатывает один и тот же воздух или газ снова и снова, чтобы получить полезную мощность, которая способна управлять машиной. Объединившись с солнечной энергией и другими новыми технологиями, двигатели Стирлинга звучат как передовые технологии, но на самом деле они существуют с 1816 года. Давайте поближе посмотрим, как они работают!

Настольная рабочая модель двигателя Стирлинга

Двигатели, приводящие в движение транспортные средства или заводские машины, являются примерами того, что ученые называют тепловыми двигателями. Они сжигают богатое энергией топливо (уголь, бензин или что-то еще), чтобы высвободить тепловую энергию, которая используется для расширения и охлаждения газа, толкания поршня, поворота колеса и привода машины.

Двигатели бывают двух основных типов:

• двигатели внешнего сгорания (например, паровые двигатели) сжигают топливо в одном месте и производят энергию в другой части той же машины;
• двигатели внутреннего сгорания (например, автомобильные двигатели) сжигают топливо и производят мощность в одном и том же месте (в автомобиле все это происходит в сверхпрочных металлических цилиндрах).

Оба типа двигателей полагаются на тепловую энергию, заставляющую газ расширяться, а затем остывать. Чем больше разница температур (между самым горячим и самым холодным газом), тем лучше работает двигатель. Теория того, как работает двигатель, основана на разделе физики, который называется термодинамика (буквально “как движется тепло”) и на теоретической модели того, как идеальные двигатели расширяют, сжимают, нагревают и охлаждают газ в серии шагов, называемых циклом.

Прежде, чем мы сможем узнать, что же такого хорошего в двигателях Стирлинга, нам будет полезно узнать, что такого плохого в паровых двигателях. Как они работают? У вас есть угольный костер, который нагревает воду до тех пор, пока она не закипит и не превратится в пар. Пар проходит по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где он толкает поршень и приводит в движение колесо. Затем входной клапан закрывается, и открывается выходной клапан. Импульс колеса заставляет поршень вернуться в цилиндр, где он выталкивает охлажденный нежелательный пар через выход и дальше вверх по дымовой трубе (дымоходу). Об этом мы позже поговорим более подробно, однако принцип работы интуитивно можно понять уже сейчас.

Паровые двигатели, такие как у этого Локомотива, являются примерами двигателей внешнего сгорания.

Огонь, который и создаёт теплоту, пламя и является источником энергии (1), находится снаружи (вне) цилиндра, где тепловая энергия превращается в механическую энергию (3). Между ними есть котел (2), который превращает тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая поршень (4), который перемещает колеса с помощью кривошипа (5) и приводит в движение поезд (6). Пар и тепловая энергия постоянно выбрасываются из дымовой трубы (7), что делает этот способ особенно неэффективным и неудобным для питания движущейся машины.

Есть много проблем с паровыми двигателями, но вот четыре из них – наиболее очевидных.

Во-первых, котел, который производит пар, работает под высоким давлением, и существует риск, что он может взорваться (взрывы котлов были серьезной проблемой с очень ранними паровыми двигателями).

Взрыв парового котла паровоза

Во-вторых, котел обычно находится на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому энергия теряется по пути. Температура внутри кабины машиниста была как в бане – доходила до 100 градусов. Всё это тепло расходовалось, по сути, впустую.

В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, все еще достаточно горяч, поэтому он содержит потраченную энергию, которая никак не конвертировалась в механическую.

В-четвертых, поскольку пар выбрасывается из цилиндра каждый раз, когда поршень толкается вперед, двигатель должен потреблять огромное количество воды, а также топлива. (Вот почему паровозы должны постоянно останавливаться у железнодорожных цистерн с водой.)

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.

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.

Двигатель Стирлинга своими руками

Нужен только шприц со стеклянными поршнями. Они абсолютно герметичны, поршни легко ходят, они выдерживают порядка 200-300 градусов. Эти изделия словно созданы для двигателя Стирлинга.

Очень серьезно нужно подойти к раме мотора. Этого никто не скажет, так как «главное, чтобы крутилось», но я убедительно рекомендую делать двигатель Стирлинга не спеша, от этого будет зависеть его функционирование.

Делаем подставку из фанеры 30 мм.

Я использовал фанеру 30 мм. В ней следует сделать два отверстия для шприцов и разрезать осторожно изделие вдоль отверстий. Я обошел без сверлильного станка и лобзика. Главное никуда не торопиться – и всё получится.

Вот такой крепёж должен получиться

Затем разрезаем изделие вдоль отверстий, создавая нечто на подобии струбцин (тисков) для шприцов.

После чего делаем три отверстия, которые могут быть использованы для зажимных винтов.

Должно получиться что-то вроде этого

Не забываем на всех стадиях работы использовать наждачную бумагу, чтобы края были ровные, гладкие, словно ваш двигатель только выпущен с самого завода.

Каждая зазубринка, заусеница и неточность потом обязательно «вылезет боком» и даст о себе знать. Главное не торопиться. Вообще, в любого рода моделировании нужно получать удовольствие от самого процесса изготовления, не только от результата.

Шатуны, штоки и кривошипные механизмы можно делать из фанеры, но фанера сильно крошится при распиливании и остается очень много заусенец. Я использовал уплотненный пластик, гененакс и всё, что хорошо режется, шлифуется и поддаётся обработке.

Будущие кривошипы

Можно ли использовать палочки для мороженного и «мешалочки» для кофе? Можно, но не нужно, они слишком гнуться когда двигатель начинает работать и иногда клинят всю систему.

Палочки скругляем и сверлим отверстия. С одной стороны уплотняем вторым слоем.

Готовая деталь

Теперь нужно что-то придумать с концами поршней стеклянных цилиндров. Я пробовал срезать их, стачивать и просто сверлить. Сверлить не советую, стекло крошится. Срезать болгаркой не только не эффективно, но и опасно. Если есть бормашина – дерзайте, если нет – делайте множество засечек ножовкой и срезайте держатель поршня.

Затем нам нужно сделать крепёж. Его делаем из двух маленьких брусочков.

Держатели поршня

После обточки, шлифовки держателей, их нужно на эпоксидную смолу установить в сам поршень.

Держатель установлен и обезжирен

Дальше нам нужен маховик. Можно использовать колесо от тележки, несколько склеенных компакт-дисков или даже отлитую самостоятельно из свинца болванку (так советовали советские учебники, ноя этого не делал).

Я же после десятка неудачных попыток купил готовыцй 60-миллиметровый маховик.

Маховик 60 мм.

Следует признать, что когда я сделал всё правильно, то мотор работал на всех маховиках – и дисках, и колесиках. Место крепления должно быть смещено от центра на половину хода поршня цилиндра. Запомните это правило, оно очень важное.

Также запомните второе правило: рычаги крепления на маховиках должны быть смещена на 90 градусов друг относительно друга.

Почти вся конструкция в сборе

Один шприц, таким образом, у нас играет роль нагревателя, второй – холодильника.

Следует ли расположить в нагревательном шприце кусочек металлической ваты? На мой взгляд, да, стоит. Работает двигатель и с ней, и без неё, однако металлическая вата быстрее нагревает воздух внутри системы и мотор раскочегаривается чуть активнее.

Соединять концы шприцов-цилиндров можно обычной трубкой для капельницы, однако она быстро становится мягкой при нагреве. Поэтому я соединил их медной трубкой, упакованной в трубку для капельниц. У такого метода есть еще большой плюс – воздух лучше остывает в медной трубке.

Двигатель Стирлина альфа-типа в сборе и готов к работе
В процессе работы от спиртовки

Такой моторчик развивал у меня 750 оборотов в минуту без метталлической ваты в цилиндре и 790 оборотов с металлической ватой. Работал более 4 часов непрерывно. Возможно работал бы и до сих пор, но закончился спирт в спиртовке.

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.

Низкотемпературный двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга. Почти для любого самодельщика эта замечательная штука может стать настоящим наркотиком. Достаточно один раз сделать и увидеть его в работе, как захочется их делать снова и снова. Относительная простота этих двигателей позволяет делать их буквально из мусора. Я не буду останавливаться на общих принципах и устройстве. Про это полно информации в интернете. Например: Википедия. Приступим сразу к постройке простейшего низкотемпературного гамма-Стирлинга.

Для постройки двигателя своими руками нам понадобится две крышки для стеклянных банок. Они будут выполнять роль холодной и горячей части. От этих крышек ножницами отрезается закраина

В одной крышке по центру делается отверстие. Размер отверстия должен быть чуть меньше диаметра будущего цилиндра.

Корпус двигателя Стирлинга вырезается из пластиковой бутылки из под молока. Эти бутылки как раз поделены на колечки. Нам понадобится одно. Надо заметить, что у разных сортов молока бутылки могут чуть-чуть отличаться.

Корпус приклеивается к крышке пластичным эпоксидным составом или герметиком.

В качестве цилиндра прекрасно подходит корпус маркера. У этой модели колпачок по диаметру меньше чем сам маркер и может стать поршнем.

От маркера отрезается небольшая часть. У колпачка срезается часть с верху.

Это вытеснитель. В процессе работы двигателя Стирлинга он перемещает воздух внутри корпуса от горячей части к холодной и обратно. Изготавливается из губки для мытья посуды. В центре приклеивается магнит.

Так как верхняя крышка изготовлена из жести, она может быть притянута магнитом. Вытеснитель может застрять. Чтобы этого не произошло, магнит нужно дополнительно зафиксировать картонным кружком.

Колпачок заполняется эпоксидным составом. С обоих концов сверлятся отверстия для крепления магнита и держателя шатуна. Резьба в отверстиях нарезается непосредственно винтом. Эти винты нужны для тонкой настройки двигателя. Магнит в поршне приклеивается к винту и регулируется таким образом, чтобы находясь в нижней части цилиндра он притягивал вытеснитель. На этот магнит понадобится еще приклеить ограничитель из резины. Подойдет отрезок велосипедной камеры или ластик. Ограничитель нужен для того чтобы магниты поршня и вытеснителя не притягивались слишком сильно. Иначе давления может не хватить чтобы разорвать магнитную связь.

На верхнюю часть поршня наклеивается резиновая прокладка. Она нужна для герметичности и для защиты кожуха от разрыва.

Кожух поршня изготавливается из резиновой перчатки. Отрезать нужно мизинец.

После того как кожух наклеен, сверху клеится еще одна резиновая прокладка. Сквозь резиновые прокладки и кожух шилом протыкается отверстие. В это отверстие вворачивается держатель шатуна. Этот держатель делается из винта и припаянной шайбы.

В качестве держателя коленвала прекрасно подошла упаковка от эпоксидки. Точно такую же баночку можно взять из под шипучих витаминов или аспирина.

У этой баночки отрезается дно и делаются отверстия. В верхней части — для удержания коленвала. В нижней — для доступа к креплению шатуна.

Коленвал и шатун изготавливаются из проволоки. Белые штуки — это ограничитель. Сделан из трубочки от чупа-чупса. От этой трубочки отрезаются маленькие кусочки и получившиеся детали разрезаются вдоль. Так их проще надеть. Высота колена определяется половиной расстояния, которое должен пройти цилиндр от самой нижней точки до верхней точки, в которой перестает действовать магнитная связь.

Итак, у нас все готово для первых испытаний. Сперва необходимо проверить герметичность. Нужно подуть в цилиндр. На все стыки можно нанести пену из жидкости для мытья посуды. Малейшая утечка воздуха и двигатель не заработает. Если с герметичностью все в порядке, можно вставить поршень и закрепить кожух канцелярской резинкой.

В нижнем положении цилиндра вытеснитель должен притянуться на верх. Дальше вся конструкция ставится на чашку с горячей водой. Через некоторое время воздух внутри двигателя начнет нагреваться и выталкивать поршень. В определенный момент магнитная связь будет разорвана и вытеснитель упадет на дно. Таким образом воздух в двигателе перестанет контактировать с нагреваемой частью и начнет охлаждаться. Поршень начнет втягиваться. В идеале поршень должен начать совершать движения вверх-вниз. Но этого может не произойти. Либо давления будет не достаточно для перемещения поршня, либо воздух нагреется слишком сильно и поршень не втянется до конца. Соответственно у этого двигателя могут быть мертвые зоны. Это не особо страшно. Главное, чтобы мертвые зоны не были слишком большими. Для компенсации мертвых зон нужен маховик.

Ещё очень важная часть этого этапа заключается в том, что тут можно прочувствовать принцип работы двигателя Стирлинга. Я помню свой первый стирлинг который не заработал только потому, что ни как не мог врубиться как и за счет чего эта штука работает. Здесь же, помогая руками поршню ходить вверх-вниз, можно почувствовать как нарастает и спадает давление.

Эту конструкцию можно немного усовершенствовать, если добавить к ней шприц на верхнюю крышку. Этот шприц также необходимо посадить на эпоксидку, держатель иглы немного подрезать. Положение поршня в шприце должно быть в среднем положении. Этим шприцем можно регулировать объем воздуха внутри двигателя. Запуск и регулировка будет намного проще.

Итак можно насаживать держатель коленвала. Высота крепления шатуна к цилиндру регулируется винтом.

Маховик делается из CD диска. Отверстие залепляется пластичной эпоксидкой. Затем необходимо просверлить дырку точно по центру. Найти центр очень просто. Используем свойства прямоугольного треугольника вписанного в круг. У него гипотенуза проходит через центр. Нужно приложить лист бумаги прямым углом к окраине диска. Ориентация не важна. В местах пересечения сторон листа с окраиной диска наносим метки. Линия проведенная через эти метки будет проходить через центр. Все двигатель готов.

Ставим двигатель Стирлинга на чашку с кипятком. Немного ждем и он должен сам заработать. Если этого не произойдет, нужно слегка помочь ему рукой.

Двигатель Стирлинга большой мощности своими руками. Как работает двигатель Стирлинга

Если рассматривать рабочую схему двигателя Стирлинга на примере альфа-конфигурации, где фиксированное количество воздуха или другого рабочего тела заключено в два цилиндра, один из которых горячий, а другой — холодный, перемещается между ними вперёд и назад. Газ нагревается и расширяется в горячем цилиндре, охлаждается в холодном, там же он сжимается, по ходу отдавая энергию для выполнения механической работы.

Надо отметить, что два поршня соединены с коленчатым валом, но их движения не совпадают по фазе на 90 ° между верхней и нижней частями. Поэтапно это выглядит следующим образом:

1. Рабочее тело, расширяясь от нагрева, толкает горячий поршень к нижней части цилиндра, поворачивая коленчатый вал. Расширение продолжается, заставляя газ двигаться к холодному цилиндру. Поршень внутри холодного цилиндра, который находится на четверть оборота позади горячего поршня, также толкается вниз.
2. Газ в максимальном объёме. Импульс маховика на коленчатом валу толкает поршень в горячем цилиндре к вершине его хода, заставляя большую часть газа попадать в холодный цилиндр, толкая холодный поршень вниз. В холодном цилиндре газ охлаждается, давление падает.
3. Когда горячий поршень достигает вершины своего хода, почти весь газ теперь переместился в холодный цилиндр, где охлаждение продолжается, и рабочее тело сжимается, снижая давление ещё больше, что позволяет холодному поршню подняться. Сила импульса маховика сжимает газ и направляет его обратно к горячему цилиндру.
4. На этом этапе рабочая жидкость, достигая своего минимального объема, подаётся в горячий цилиндр, где начинает толкать горячий поршень вниз. Газ снова нагревается, его давление увеличивается, он расширяется, толкая горячий поршень вниз во время рабочего хода, и цикл начинается снова.

Главный недостаток двигателя Стирлинга

Что изготовить: двигатель Стирлинга или паровую машину? Казалось бы, Стирлинг действительно во всём намного лучше парового двигателя, однако это не совсем так. Да, КПД двигателя Стирлинга и правда выше, он требует меньше затрат и работает совсем без выхлопа. Однако, есть одно значительное «но».

Мною был проведен очень интересный, я бы даже сказал забавный эксперимент. Забавность его заключалось в том, что я изначально знал как будут обстоять дела, однако результат эксперимента поразил меня!

И так рабочим телом в двигателе Стирлинга является воздух. Он расширяется и совершает полезную работу. Возьмём пустой стальной баллончик от СО2  и наденем на него шарик.

ВНИМАНИЕ! Если вы решили выпустить углекислый газ из такого баллончика, сделайте это правильно – медленно выпустите весь газ, лишь затем сверлите отверстие в горловине. Быстрый прокол может привезти к взрыву баллончика и стальным осколкам!

Затем начнем нагревать этот баллончик. Воздух расширяется и по идее должен раздуть шарик наполнить его. Однако он лишь немного натягивает латекс и на этом вся полезная работа завершается. Энергии у воздуха не хватит для того, чтобы растянуть поверхность шарика, надуть его.

Однако добавим 10-20 капель воды в баллон и повторим эксперимент. Вода закипит и быстро раздует наш шарик.

Таким образом полезная мощность у водяного пара в разы больше. Именно водяной пар использовался в тяжеловесных локомотивах и это не случайно – там, как говорил один машинист, дури столько, что можно шар земной сдвинуть.

Если мы хотим собрать толковую модель, которая будет ездить на тепловой энергии, куда эффективнее использовать водяной пар, а значит конструировать паровой двигатель.