ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА С ЖИДКИМИ ПОРШНЯМИ

Клуб "Крылатское", школа "Интеллектуал":
Илья Зайцев, Александр Раговский, Дмитрий Власенко
Руководитель: Александр Владимирович Ефимов, ЦИАМ

Эксперименты с двигателем Стирлинга проводятся в Крылатском и школе "Интеллектуал" уже второй год. Нас заинтересовала возможность изготовления и проведения эксперимента с измерением параметров цикла в условиях школьной или клубной мастерской. Первоначально задумывалось изготовление классического "стирлинга". Была проработана соответствующая литература. Из наборов конструктора сделаны кинематические схемы.

Как известно классический двигатель Стирлинга представляет собой тепловую машину, работающую по одноименному циклу. В состав двигателя входят: рабочий цилиндр с поршнем, под которым газ совершает работу, и вытеснитель, перемещающийся между холодной и горячей частью другого цилиндра, причем полости цилиндра с вытеснителем соединены между собой. Каким образом подводится и отводится тепло - не имеет значения. Обычно для нагревания горячей части используется постоянный внешний источник.

инхронность перемещения вытеснителя и поршня обеспечивается той самой кинематической схемой, с которой мы и начали. Конструктивно двигатель уступает любому ДВС и по уровню давления, и по температуре рабочего тела. Единственный достаточно сложным в изготовлении узлом является пара "рабочий поршень - цилиндр". Мы предварительно проработали конструкцию и стали изыскивать возможность изготовления деталей. К сожалению, в условиях школы точеные детали сделать не удалось. Все остальное при некотором напряжении мыслительных способностей и рук вроде бы сделать было можно.

И тут мы натолкнулись на некий двигатель, пройти мимо которого было просто невозможно - двигатель Стирлинга с жидкими поршнями (см. описание в журнале "Двигатель" № 6 за 2005 г.). Классический "стирлинг" мы тоже не забыли, просто вариант с жидкими поршнями заработал первым. Главной особенностью подобного двигателя, названного в журнальной статье "стеклянным", является отсутствие механических частей и какой бы то ни было кинематической связи между элементами.

Каким же образом организуется цикл в этом случае? По утверждению авторов статьи, основными связующими элементами являются сила тяжести и инерция жидкости. Для изготовления модели двигателя нужны были две U-образные трубки, в одной из которых располагается нагреватель и холодильник, а роль вытеснителя играет жидкость. В соседней U-образной трубке также налита вода, которая является рабочим поршнем. В трубке-вытеснителе одна сторона нагревается, другая охлаждается. При правильном подборе сопротивлений трубопровода должен начаться циклический процесс изменения давления и температуры. Главное - не требовалось никакой точной подгонки пары "цилиндр - поршень". И мы попробовали.

Наша модель двигателя Стирлинга состоит из трех одинаковых кювет, выполненных из оргстекла. Размеры их следующие: высота 257 мм, ширина 48 мм и глубина 40 мм. Соответственно, объем внутренней полости составляет 493,44 см3. Все кюветы расположены вертикально. Две кюветы соединены снизу трубкой большего диаметра и сверху трубкой меньшего диаметра. В левой кювете расположен нагреватель, в правой - холодильник. Нагреватель представляет собой нихромовую спираль. Подводимое напряжение - 10 В при токе около 5 А. В качестве источника холода использовался лед. Обе кюветы залиты до половины водой, так что суммарный объем свободного пространства равен объему одной кюветы. Нагреватель расположен на уровне линии раздела жидкости и газа; он слегка утоплен в жидкости. Третья кювета разделена непроницаемой перегородкой на две части, соединяющиеся отверстием у дна. Данная кювета также залита до середины водой. Свободный объем составляет половину объема кюветы.

Для выполнения исследований установка снабжена измерительной системой, включающей датчик давления, термометр и устройство сбора и обработки информации на основе персонального компьютера "Palm" в составе школьной лаборатории "Архимед".
Процесс доводки двигателя и приведения его в рабочее состояние оказался длительным. При кажущейся простоте конструкции заставить ее осуществить цикл Стирлинга оказалось непросто. Мы опустим подробности решения проблем с обеспечением герметичности кювет и работоспособности нагревателя. Дело даже не в этом.

Первоначальные попытки запустить двигатель приводили к тому, что в горячем цилиндре температура монотонно поднималась, вслед за температурой также монотонно увеличивалось давление, а уровень жидкости в вытеснителе, в отличие от уровня жидкости в рабочем поршне, не менялся. Слишком мала была скорость изменения давления. Если полностью перекрыть связь цилиндров по газу, то изменения уровня происходили, но стоило дать хоть маленькую возможность газу перетекать из горячего цилиндра в холодный, как уровни сравнивались. Процесс не "запускался".

Мы пытались даже имитировать работу "стирлинга", наклоняя его, и в этом случае "процесс завязывался", точнее - совершался один цикл. Удача пришла после того как нам удалось достать новый, более мощный лабораторный трансформатор и сделать новый нагреватель. Идея состояла в том, чтобы разместить нагреватель большей частью в жидкости и довести ее до кипения. Это мероприятие дало хороший результат - двигатель заработал!

Возможно, что-то похожее на циклические изменения давления и температуры было и раньше, только были они малозаметны. Какие-то периодические колебания уровня жидкости с амплитудой 2...3 мм мы, кажется, наблюдали, но может быть нам и показалось. После замены нагревателя колебания уровня достигли 250 мм; даже струйка воды фонтанировала из рабочего цилиндра. Интересно было наблюдать процесс запуска и звуки при работе двигателя. В момент запуска после выдавливания жидкости в холодный цилиндр раздался звук "упх", жидкость довольно быстро перетекла в горячий цилиндр и залила нагреватель. Температура в горячем цилиндре быстро упала, но затем жидкость стала нагреваться. Потом она перетекла в холодный цилиндр, вновь раздалось "упх", видимо, в момент быстрой конденсации насыщенного пара в объеме холодного цилиндра, и снова жидкость быстро перетекла в полость горячего цилиндра. Было интересно наблюдать фонтанирующую жидкость из дренажного отверстия рабочего цилиндра. Пришлось принимать меры для защиты проводников нагревателя. Кстати, лишняя вода из цилиндров вытеснителя также выдавливалась в полость рабочего цилиндра и далее фонтаном выливалась наружу. Достаточно было поставить клапан, и можно было перекачивать воду.
Следующим этапом работы стал тщательный подбор величин сопротивления для получения постоянного периода цикла. Это удалось сделать, изменяя проходное сечение воздушных каналов.

После этого двигатель устойчиво проработал в течении 200 с (полупериод цикла - 25 с) и был выключен из-за появления течи в верхней части горячего поршня. Двигатель запускался с некоторой задержкой: сначала шел разогрев горячей полости, затем - первый толчок с большим периодом цикла и затем двигатель переходил в режим нормальной работы. Запуск повторялся по крайне мере еще дважды с тем же результатом.

При работе температура в горячем цилиндре поддерживалась на уровне около 80 °С. В холодном цилиндре температура не измерялась. Количество жидкости, особенно в рабочем цилиндре после окончания работы, оставалось таким, что кюветы оказываются наполненными наполовину, лишняя жидкость выдавливается во время эксперимента. Коэффициент полезного действия нашей установки мы пока не определяли, но обязательно это сделаем.

В интернет-магазинах предлагают наборы для самостоятельной сборки двигателя Стирлинга, работающего от тепла руки. У нас уже существует некоторое представление о том, как этого добиться. Мы попробуем осуществить задуманное, а о результатах расскажем в следующей статье.

В создании описанной конструкции двигателя Стирлинга с жидкими поршнями приняли участие школьники клуба "Крылатское" и школы "Интеллектуал", при этом активную помощь оказывали сотрудники ЦИАМ им. П.И. Баранова.