Двигатель стирлинга своими руками. Пошаговое руководство

Двигатель Стирлинга. Виды и конструкции. Устройство и работа

Современная автомобильная промышленность достигла такого уровня, что без серьезных исследований невозможно добиться кардинальной модернизации в конструкции двигателей внутреннего сгорания. Это способствовало тому, что конструкторы стали обращать внимание на альтернативные разработки силовых установок, таких как двигатель Стирлинга.

Одни автоконцерны сконцентрировали свои силы на разработке и подготовке к выпуску в серию электрических и гибридных автомобилей, другие инженерные центры затрачивают финансовые средства в проектирование двигателей на альтернативном топливе, изготовленном из возобновляемых источников. Существуют другие различные разработки двигателей, которые в будущем могут стать новым двигателем для различных средств транспорта.

Таким возможным источником энергии механического движения для автомобильного транспорта будущего может стать двигатель внешнего сгорания, изобретенный в 19 веке ученым Стирлингом.

Устройство и принцип работы

Двигатель Стирлинга выполняет преобразование тепловой энергии, получаемой из внешнего источника, в механическое движение благодаря изменению температуры жидкости, циркулирующей в закрытом объеме.

В первое время после изобретения такой двигатель существовал в виде машины, действующей на принципе теплового расширения.

В цилиндре тепловой машины воздух перед расширением нагревался, перед сжатием охлаждался. Вверху цилиндра 1 находится водяная рубашка 3, дно цилиндра непрерывно нагревается огнем. В цилиндре расположен рабочий поршень 4, имеющий уплотнительные кольца. Между поршнем и дном цилиндра расположен вытеснитель 2, передвигающийся в цилиндре со значительным зазором.

Воздух, находящийся в цилиндре, перекачивается вытеснителем 2 к дну поршня или цилиндра. Вытеснитель движется под действием штока 5, проходящего через уплотнение поршня. Шток в свою очередь приводится в действие эксцентриковым устройством, вращающимся с запаздыванием на 90 градусов от привода поршня.

В позиции «а» поршень расположен в нижней точке, а воздух находится между поршнем и вытеснителем, охлаждается стенками цилиндра.

В следующей позиции «б» вытеснитель перемещается вверх, а поршень остается на месте. Воздух, находящийся между ними, выталкивается ко дну цилиндра, охлаждаясь.

Позиция «в» — рабочая. В ней воздух нагревается дном цилиндра, расширяется и поднимает два поршня к верхней мертвой точке. После выполнения рабочего хода вытеснитель опускается ко дну цилиндра, выталкивая воздух под поршень, и охлаждаясь.

В позиции «г» охлажденный воздух готов к сжатию, и поршень перемещается от верхней точки к нижней. Так как работа сжатия охлажденного воздуха меньше, чем работа расширения нагретого воздуха, то образуется полезная работа. Маховик при этом служит своеобразным аккумулятором энергии.

В рассмотренном варианте двигатель Стирлинга обладает малым КПД, так как теплота воздуха после рабочего хода должна отводиться через стенки цилиндра в охлаждающую жидкость. Воздух за один ход не успевает снизить температуру на необходимую величину, поэтому необходимо было продлить время охлаждения. Из-за этого скорость мотора была маленькой. Термический КПД был также незначительным. Тепло отработанного воздуха уходило в охлаждающую воду и терялось.

Разные конструкции

Существуют различные варианты устройства силовых агрегатов, действующих по принципу Стирлинга.

Конструкция исполнения «Альфа»

Этот двигатель включает в себя два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень расположен в отдельном цилиндре. Холодный цилиндр находится в теплообменнике, а горячий нагревается.

Конструкция исполнения «Бета»

Цилиндр с поршнем охлаждается с одной стороны, и нагревается с противоположной стороны. В цилиндре перемещается силовой поршень и вытеснитель, служащий для уменьшения и увеличения объема рабочего газа. Регенератор выполняет обратное перемещение остывшего газа в нагретое пространство двигателя.

Конструкция исполнения «Гамма»

Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр весь холодный. В нем перемещается рабочий поршень, Второй цилиндр с одной стороны нагретый, а с другой – холодный, и предназначен для передвижения вытеснителя. Регенератор для перекачки охлажденного газа может являться общим для двух цилиндров, либо может быть включен в устройство вытеснителя.

Преимущества
  • Как и множество двигателей внешнего сгорания, двигатель Стирлинга способен функционировать на разном топливе, так как для него важно наличие перепада температуры. При этом не важно, каким топливом он вызван.
  • Двигатель имеет простое устройство, и не нуждается во вспомогательных системах и навесных устройствах (коробка передач, ремень ГРМ, стартер и т.д.).
  • Особенности конструкции обеспечивают длительную эксплуатацию: больше 100 тысяч часов постоянной работы.
  • Работа двигателя Стирлинга не создает большого шума, так как внутри двигателя не происходит детонация топлива, и отсутствует выпуск отработанных газов.
  • Исполнение «Бета», снабженное кривошипно-шатунным устройством в виде ромба, является наиболее сбалансированным механизмом, который при функционировании не создает вибрацию.

  • В цилиндрах мотора не возникают процессы, оказывающие вредное воздействие на природную среду. При подборе оптимального источника тепла мотор Стирлинга может стать экологически чистым устройством.
Недостатки
  • При значительных положительных характеристиках быстрое серийное производство двигателей Стирлинга нереально по некоторым причинам. Основной вопрос в материалоемкости устройства. Чтобы охлаждать рабочее тело, необходим большой радиатор, что значительно увеличивает габариты и вес оборудования.
  • Сегодняшний уровень технологий дает возможность двигателю Стирлинга конкурировать по свойствам с новыми бензиновыми двигателями за счет использования сложных типов рабочего тела (водород или гелий), находящихся под очень большим давлением. Это значительно повышает опасность использования таких двигателей.
  • Серьезная проблема эксплуатации связана с проблемами температурной стойкости стальных сплавов и их теплопроводности. Тепло подходит к рабочему пространству с помощью теплообменников. Это приводит к значительным потерям тепла. Также теплообменник должен производиться из термоустойчивых сплавов, которые также должны быть устойчивы к повышенному давлению. Соответствующие этим условиям материалы очень сложны в обработке и имеют высокую стоимость.
  • Принципы перехода двигателя Стирлинга на другие режимы функционирования также существенно отличаются от привычных принципов. Для этого необходимо создание специальных устройств управления. Например, для изменения мощности нужно менять угол фаз между силовым поршнем и вытеснителем, давление в цилиндрах, либо изменить емкость рабочего объема.
Двигатель Стирлинга и его использование

При необходимости создания преобразователя тепла компактных размеров можно вполне использовать мотор Стирлинга. При этом эффективность других аналогичных двигателей значительно ниже.

  • Универсальные источники электричества. Моторы Стирлинга могут преобразовывать тепло в электричество. Существуют проекты солнечных электроустановок с применением таких двигателей. Их используют как автономные электростанции для туристов. Некоторые производители изготавливают генераторы, действующие от газовой конфорки. Существуют также проекты генераторов, которые работают от радиоизотопных источников тепла.
  • Насосы. Если в контуре системы отопления установлен насос, то эффективность отопления значительно возрастает. В системах охлаждения также устанавливают насосы. Электрический насос может выйти из строя, к тому же, он потребляет электрическую энергию. Насос, действующий по принципу Стирлинга, решает этот вопрос. Двигатель Стирлинга для перекачивания жидкостей будет проще обычной схемы, так как вместо поршня может применяться сама перекачиваемая жидкость, служащая также для охлаждения.
  • Холодильное оборудование. В конструкции всех холодильников используется принцип тепловых насосов. Некоторые производители холодильников планируют устанавливать на свои изделия двигатель Стирлинга, которые будут очень экономичны. Рабочим телом будет выступать воздух.

Сверхнизкие температуры. Для сжижения газов такие моторы очень эффективны. Их использование более выгодное, чем турбинные устройства. Также двигатель Стирлинга применяется в устройствах для охлаждения датчиков точных приборов.

Сегодня исследования установок Стирлинга для подводных, космических и других установок, а также проектирование основных двигателей проводятся во многих зарубежных странах. Такой высокий интерес к моторам Стирлинга стал итогом интереса общественности в борьбе с загрязнением атмосферы, шумом и сохранением природных энергетических источников.

О «стирлинге» и о студенте…

Начнем с того, что фамилия Стирлинг довольно-таки распространена как в Англии, так и в Шотландии. То есть если там имеется замок Стирлинг, то почему бы не быть и «мистеру Стирлингу»? И вот как раз такой человек – шотландский священник Роберт Стирлинг еще 27 сентября 1816 года получил британский патент на двигатель, ничего общего с паровой машиной не имевший! Более того, двигатель, названный его именем, оказался уникальным, так как мог работать от любого источника тепла!

В 1843 году его сын Джеймс Стирлинг применил двигатель своего отца на заводе, где трудился инженером. Ну, а уже в 1938 году были созданы стирлинги мощностью до 200 л.с. и КПД равным 30 процентам.

Принцип работы этого двигателя заключается в чередовании нагревания и охлаждения рабочего тела в полностью закрытом цилиндре. Обычно рабочим телом является воздух, но могут использоваться и водород, и гелий, а также фреоны, двуокись азота, сжиженный пропан-бутан и даже вода. Причем она остаётся жидкой на всем протяжении термодинамического цикла. То есть конструкция двигателя на редкость проста и использует хорошо всем известное свойство газов: от нагрева их объем увеличивается, от охлаждения – уменьшается.

Один из многочисленных самодельных стирлингов.

В двигателе Стирлинга используется… «цикл Стирлинга», который по своей термодинамической эффективности не только не хуже цикла Карно, но даже имеет некоторые преимущества. Во всяком случае, именно «цикл Стирлинга» позволяет получить работающий двигатель, сделанный из обыкновенной консервной банки, буквально за пару часов.

Сам «цикл Стирлинга» включает четыре основные фазы и две переходные: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Ну, а полезную работу мы получаем в процессе расширения объема нагреваемого газа.

Рабочий цикл двигателя Стирлинга бета-типа: a — вытеснительный поршень; b — рабочий поршень; с — маховик; d — огонь (область нагревания); e — охлаждающие ребра (область охлаждения).

Работает же он так: есть два цилиндра и два поршня. Внешний источник тепла – а им могут быть хоть горящие дрова, хоть газовая горелка, хоть солнечный свет – повышает температуру газа в нижней части теплообменного цилиндра. Возникает давление, и оно толкает рабочий поршень вверх, причем вытеснительный поршень прилегает к стенкам цилиндра неплотно. Далее маховик, прокручиваясь, толкает его вниз.

Схема стирлинга из консервной банки.

При этом горячий воздух из нижней части цилиндра поступает в охлаждающую камеру. В рабочей же камере он охлаждается и сжимается, и тогда рабочий поршень устремляется вниз. Вытеснительный поршень идет вверх, и тем самым охлажденный воздух перемещается в нижнюю часть. Цикл, таким образом, повторяется. У стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно поршня-вытеснителя.

Фото стирлинга из консервной банки.

Со временем появилось множество «стирлингов» разной конструкции, названных по буквам греческого алфавита: альфа, бэта, гамма, у которых имеются различия в рабочем цикле. Принципиальные различия между ними невелики и сводятся к расположению цилиндров и размерам поршней.

Двигатель Стирлинга с линейным генератором переменного тока.

Альфа-стирлинг имеет два отдельных силовых поршня в разных цилиндрах: горячий и холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике, имеющим более высокую температуру, а цилиндр с холодным поршнем, соответственно, в более холодном. Регенератор (то есть теплообменник) располагается между горячей частью и холодной.

У бета-стирлинга цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движется поршень (с которого-то мощность и снимается) и вытеснитель, который изменяет объем горячей его зоны. Газ перекачивается в горячую часть цилиндра из холодной части цилиндра через регенератор.

Гамма-стирлинг тоже имеет поршень и вытеснитель, и два цилиндра —холодный (где движется поршень, с которого происходит снятие мощности) и горячий (где соответственно движется вытеснитель). Регенератор бывает внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний же регенератор в этом случае представляет собой часть вытеснителя.

Есть разновидности двигателя Стирлинга, которые не попадают под эти три классических типа: например – роторный двигатель Стирлинга, в котором решены проблемы герметичности и нет кривошипно-шатунного механизма, так как он роторный.

Чем же хороши стирлинги и чем они плохи? Прежде всего, они всеядны и могут использовать любой перепад температур, включая таковой между разными слоями воды в океане. Горение в них носит постоянный характер, чем достигается эффективное сжигание топлива, а значит, выше его экологичность. К тому же он не имеет выхлопа. Меньше уровень шума – нет «взрывов» в цилиндрах. Меньше вибрация, например, у бета-стирлинга. Рабочее тело стирлингом не расходуется. Конструкция двигателя исключительно проста, ему не требуются газораспределительные механизмы. Стартер не нужен, как не нужна и коробка передач.

Простота и отсутствие ряда «нежных» узлов обеспечивают «стирлингу» небывалую для всех других двигателей работоспособность в десятки и сотни тысяч часов постоянной работы.

Шведская подводная лодка «Готланд».

Стирлинги очень экономичны. Так, преобразование в электричество солнечной энергии при помощи стирлинга дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины, работающие на пару. Для этого «стирлинг» устанавливается в фокусе параболического зеркала, которое «следит» за солнцем так, чтобы его цилиндр постоянно нагревался. Именно на такой установке в Калифорнии в 2008 году был и получен вышеназванный результат, а сейчас там идет строительство крупной гелиостанции на стирлингах. Можно присоединить их к оболочке доменных печей и тогда непрерывная плавка чугуна даст нам много… дешевой энергии, ведь сейчас это тепло расходуется впустую!

Недостаток у стирлинга, в общем-то, один. Его можно перегреть и тогда он сразу же выйдет из строя. К тому же для достижения высокого КПД в цилиндре должен находиться газ под очень высоким давлением. Водород или гелий. А это исключительная точность подгонки всех его рабочих узлов и специальная высокотемпературная смазка. Ну и габариты… ДВС камера сгорания не нужна. Стирлинг без нее не может! А это лишний объем и система изоляции и охлаждения!

«Сорю» – японская подводная лодка с двигателями Стирлинга.

Впрочем, смена приоритетов, скорее всего, пробьет дорогу двигателям Стирлинга. Если во главу угла поставить экологичность, то с ДВС можно будет распрощаться раз и навсегда. Кроме того, на них возлагаются большие надежды по созданию перспективных солнечных энергоустановок. Их уже сейчас применяют в качестве автономных генераторов для туристов. А некоторые предприятия наладили выпуск стирлингов, которые работают от обычной конфорки газовой печи. NASA также рассматривает варианты генераторов электроэнергии на основе «стирлинга» с приводом от ядерных и радиоизотопных источников тепла. В частности, таким стирлингом вкупе с электрогенератором планируется использовать в планируемой NASA космической экспедиции к Титану.

Интересно, что если запустить двигатель Стирлинга в обратном режиме, то есть крутить маховик от другого двигателя, то он будет работать как холодильная машина (обратный цикл Стирлинга), причем именно такие машины оказались очень эффективными для получения сжиженных газов.

Ну, а теперь, поскольку сайт у нас военный, отметим, что стирлинги еще в 60-е годы прошлого века тестировались на шведских подводных лодках. А затем в 1988 году стирлинги стали основным двигателем субмарины типа «Наккен». С ними она находилась в плавании под водой в течение более 10 000 часов. За «Наккеном» последовали уже серийные субмарины типа «Готланд», ставшие первыми подлодками, оснащенными двигателями Стирлинга, что позволяет им до 20 суток находиться под водой. Сегодня все субмарины ВМС Швеции имеют стирлинг-моторы, а шведские судостроители отработали оригинальную технологию установки таких двигателей на обычные подводные лодки, посредством врезания в них дополнительного отсека с новой двигательной установкой. Работают они на жидком кислороде, который затем используют в лодке для дыхания, и отмечается, что у них очень низкий уровень шума. Ну а названные выше недостатки (размеры и проблема охлаждения) на подводном боевом корабле существенного значения не имеют. Пример шведов показался японцам стоящим внимания, и теперь стирлинги стоят и на японских субмаринах типа «Сорю». Именно эти двигатели рассматриваются сегодня как самые перспективные всережимные единые двигатели для субмарин 5-го поколения.

А вот так выглядит стирлинг студента Пензенского госуниверситета Николая Шевелёва.

Ну, а теперь совсем немного о том, какая у нас… «плохая молодежь». Прихожу 1 сентября к студентам – будущим инженерам-двигателистам, задаю им традиционные вопросы, что они читают (практически ничего!), чем увлекаются (с этим положение немногим лучше, но в основном заняты ноги, а не голова!), какие технические журналы им известны – «Юный-техник», «Моделист-конструктор», «Наука и техника», «Популярная механика» … (никакие!), и тут мне один студент заявляет, что увлекается двигателями. Один из 20, но это уже что-то! А дальше он рассказывает мне, что сам изготовил двигатель Стирлинга. Я знаю, как сделать такой двигатель из обычной консервной банки, но тут получалось, что он сделал нечто гораздо более эффектное. Говорю: «Принеси!» – и он принес. «Опиши, как делал!» – и он описал, причем его «эссе» мне настолько понравилось, что я привожу его здесь без каких бы то ни было изменений и сокращений.

Начало работы – «творческий хаос».

«Мне всегда нравилась техника, но в особенности двигатели. С большим интересом занимаюсь уходом, ремонтом и настройкой. Узнав про двигатель Стирлинга, я был увлечён им, как никаким другим двигателем. Мир стирлингов настолько разнообразен и велик, что описать все возможные варианты его исполнения просто невозможно. Никакой другой двигатель не даст такого разнообразия в плане конструкции, а главное возможность изготовить его своими руками.

Возникали идеи изготовить модель двигателя из консервной банки и других подручных средств, но делать «как попало и из чего попало» не в моих правилах. Поэтому я решил серьезно подойти к выполнению этой задачи, для начала подготовиться теоретически. Штудировал литературу в интернете, но поиск не приносил желаемого результата: обзорные статьи и видеоролики, отсутствие чертежей моделей этого двигателя. Готовые модели продавались по слишком высокой цене. К тому же огромное желание изготовить всё самому, понять принцип действия, отладить и провести испытания, получить полезную работу от данного двигателя и даже попытаться найти ему применение в хозяйстве.

«Токарные дела!» (Умный студент, весь процесс работы на память отснял. Предъявите, гражданин, кинофотодокументы подтверждающие. а вот они!)

Поспрашивал на форумах, и со мной поделились литературой. Это была книга “Двигатели Стирлинга” (Авторы: Г.Ридер и Ч.Хупер). В ней была отражена вся история этого типа двигателестроения, почему прекратилось бурное развитие, и где до сих пор эти двигатели применяются. Из книги я более подробно узнал все процессы, происходящие в двигателе, нашёл ответы на интересующие вопросы. Читать было интересно, но хотелось практики. Разумеется, чертежей гаражных моделей там не было, как и в интернете, ну, конечно, кроме модели из консервной банки и поролона.

К моему большому счастью, человек, который продавал модели стирлингов, выложил курс по изготовлению таких моделей, выставил он его на тот момент за 20$, я списался с ним и оплатил курс. Просмотрев все ролики, в каждом из которых он объяснял какой-то определённый тип стирлингов, я решил делать именно высокотемпературный стирлинг гамма типа. Так как он заинтересовал меня своей конструкцией, характеристиками и внешним видом. Из видеокурса я узнал приблизительное отношение диаметра цилиндра, диаметров поршней, какие должны быть зазоры, шероховатости, какие материалы использовать в изготовлении, некоторые нюансы постройки. Но нигде не было размеров двигателей автора, только приблизительно отношение размеров узлов.

Сам я живу в селе, можно сказать в пригороде, мама-бухгалтер, а папа-столяр, так что обращаться к ним за советом по постройке двигателя было как-то неуместно. И я обратился к своему соседу, Геннадию Валентиновичу, за помощью, он работал на ныне развалившемся заводе “КЗТМ» в г. Кузнецке. Для него эта поделка показалась довольно необычной, он внимательно меня выслушал, посмотрел мои наброски, что-то подкорректировал.

В общем, на следующий день Геннадий Валентинович привёз мне алюминиевую болванку длиной около 1 м и в диаметре около 50 мм. Я очень обрадовался, отпилил необходимые мне заготовки и уже на следующий день отправился в школу пробовать точить нагреватель и холодильник для моего ДВС. Точил я на учебном токарном станке (на котором ещё дедушка Ленин работал).

Само собой, точность там была никакая, внешняя часть нагревателя получилась довольно неплохая, а вот сама цилиндрическая часть под поршень была на конус. Трудовик мне объяснил, что расточной резец идёт на изгиб, так как станок для таких вещей довольно маленький и слабый. Встал вопрос, что делать дальше. Повезло, что мама на тот момент работала бухгалтером на частном предприятии, которое было бывшим авторемзаводом. Валерий Александрович (директор этого завода) оказался замечательным человеком и здорово мне помог, мне был предоставлен уже профессиональный советский станок и токарь, который мне помогал. Дело пошло веселее, и буквально через неделю было практически всё готово, началась сборка мотора. Были в постройке интересные моменты, например: вал, на который напрессовывался маховик, отдавали в цех точной механики на другой завод (чтобы получить необходимую точность для подшипников); холодильник точили на токарном станке, а места для креплений делали фрезерным станком, маховик шлифовали на шлифовальном. Для меня это было очень интересно и увлекательно. Рабочие на заводе думали, что я студент, и пишу какую-то научную работу. Сидел я на заводе до позднего вечера, и привозили меня домой на служебной машине Валерия Александровича. Запуск двигателя происходил в большом окружении рабочих завода, всем было очень интересно. Запуск удался, но двигатель работал как-то слабо.

Итог венчает дело! Угол подставки обгорел во время испытаний.

Выявились недостатки, пластмассовые шарниры были заменены на фторопластовые, маховик был облегчён и отбалансирован, поршень получил фторопластовую приставку для более низкой теплопередачи, а холодильник стал с большей площадью охлаждения. После доводок двигатель значительно улучшил свои технические показатели.

Сам я был в полном восторге. Приходя ко мне домой, друзья первым делом подходят именно к нему, интересуются, просят запустить. Геннадий Валентинович возил показать стирлинг к себе на работу, всем было очень интересно, даже не надо было кого-то звать, все сами подходили, смотрели, интересовались».

Зовут молодого человека Николай Шевелёв, и он староста группы. Отвел я его к декану, и мы все втроем очень хорошо поговорили. А потом я вспомнил статистику, что для продвижения человечества по пути научно-технического прогресса достаточно всего 2% населения планеты. Посчитал общее количество студентов и понял, что… особенно беспокоиться не стоит. С такими, как Николай, прогресс нам все равно будет обеспечен!

Двигатель внешнего сгорания можно сделать из консервной банки

Эта статья посвящена одному изобретению, запатентованному ещё в девятнадцатом веке шотландским одним священником Стирлингом. Как и все предшественники, это был двигатель внешнего сгорания. Только отличие его от остальных в том, что он может работать и бензине, и на мазуте, и даже на угле и дровах.

Двигатель внешнего сгорания. История открытия Стирлинга

В XIX веке возникла необходимость замены паровых двигателей на что-то более безопасное, так как котлы часто взрывались из-за высокого давления пара и некоторых серьезных конструктивных недостатков.

Хорошим вариантом стал двигатель внешнего сгорания, который запатентовал в 1816 году шотландский священник Роберт Стирлинг.

Правда, «двигатели горячего воздуха» делали и раньше, ещё в XVII веке. Но Стирлинг добавил в установку очиститель. В современном понимании ‒ регенератор.

Он повысил производительность установки, сохраняя тепло в тёплой зоне машины, в тот момент, когда рабочее тело охлаждалось. Это значительно увеличило эффективность системы.

Изобретение нашло широкое практическое применение, была стадия подъема и развития, но затем Стирлинги были незаслуженно забыты.

Они уступили место паровым машинам и двигателям внутреннего сгорания, а в двадцатом веке снова возродились.

Ввиду того что этот принцип внешнего сгорания сам по себе очень интересен, сегодня над созданием новых моделей трудятся лучшие инженеры и любители в США, Японии, Швеции…

Двигатель внешнего сгорания. Принцип работы

«Стирлинг» ‒ как мы уже упоминали, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основной принцип его работы заключается в постоянном чередовании нагревания и охлаждения рабочего тела в замкнутом пространстве и получении энергии, благодаря возникающему при этом изменению объёма рабочего тела.

Как правило рабочим телом выступает воздух, но может использоваться водород или гелий. В опытных образцах пробовали двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан и даже воду.

Кстати, вода пребывает в жидком состоянии на протяжении всего термодинамического цикла. А сам «стирлинг» с жидким рабочим телом имеет компактные размеры, высокую удельную мощность и высокое рабочее давление.

Виды стирлингов

Существуют три классических вида двигателя Стирлинга:

  • Альфа-Стирлинг ‒ имеет два раздельных силовых поршня расположенных в раздельных цилиндрах. Один из них ‒ горячий, а другой ‒ холодный. Горячая пара «цилиндр и поршень» расположены в теплообменнике с высокой температурой, холодная пара «цилиндр и поршень» ‒ с пониженной температурой. У этого вида соотношение мощности и объёма достаточно велико, хотя, и очень высокая температура «горячего» поршня, что создаёт технические трудности при изготовлении.
    Регенератор расположен между горячей и холодной соединительными трубками;
  • В модели Бета-Стирлинг ‒ всего один цилиндр. Он горячий на одном конце и холодный на другом. Внутри цилиндра перемещаются поршень (с него снимают мощность) и вытеснитель (он изменяет объём горячей зоны). Газ качается из холодной зоны цилиндра в горячую сквозь регенератор. Регенераторы бывают внешними, в виде части теплообменника, или совмещёнными с поршнем-вытеснителем;
  • В варианте Гамма-Стирлинг тоже присутствуют поршень и вытеснитель, но здесь уже два цилиндра: первый холодный (где движется поршень для отбора мощности), и второй ‒ горячий с одной стороны и холодный с другой (там перемещается вытеснитель). Регенератор также может быть внешним, тогда он соединяет горячую зону второго цилиндра с холодной и с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор конструктивно входит в состав вытеснителя;

Применение

Двигатель Стирлинга можно применять в случаях, если требуется простой, компактный преобразователь тепловой энергии или когда эффективность других типов тепловых машин ниже: к примеру, если разница температур недостаточна для использования газовой или паровой турбины.

Вот конкретные примеры использования:

  • Уже сегодня выпускаются автономные генераторы для туристов. Есть модели, которые работают от газовой конфорки;

NASA заказало вариант генератора на основе «стирлинга», который работает от ядерного и радиоизотопного источников тепла. Он будет использоваться в космических экспедициях.

  • «Стирлинг» для перекачки жидкости гораздо проще установки «двигатель-насос». В качестве рабочего поршня он может использовать перекачиваемую жидкость, которая будет заодно охлаждать рабочее тело.Таким насосом можно накачивать воду в ирригационные каналы, используя солнечное тепло, подавать горячую воду от солнечного коллектора в дом, перекачивать химические реагенты, поскольку система полностью герметична;
  • Производителей бытовых холодильников внедряют модели на «стирлингах». Они будут экономнее, а в качестве хладагента предполагается использоваться обычный воздух;
  • Совмещённый Стирлинг с тепловым насосом оптимизирует систему отопления в доме. Он будет отдавать бросовое тепло «холодного» цилиндра, а полученную механическую энергию может использовать для подкачки тепла, которое идет из окружающей среды;
  • Сегодня на всех подводных лодках ВМС Швеции установлены двигатели Стирлинга. Они работают на жидком кислороде, который в дальнейшем используется для дыхания. Очень важный фактор для лодки, низкий уровень шума, а недостатки типа: «большой размер», «необходимость охлаждения» – в условиях подводной лодки не существенны. Аналогичными установками оснащены и новейшие японские подводные лодки типа «Сорю»;
  • Двигатель Стирлинга используется для преобразования солнечной энергии в электрическую. Для этого он монтируется в фокусе параболического зеркала. Компания Stirling Solar Energy строит солнечные коллекторы мощностью до 150 кВт на зеркало. Они используются на крупнейшей в мире солнечной электростанции в южной Калифорнии.

Преимущества и недостатки

Современный уровень проектирования и технологии изготовления позволяют повысить коэффициент полезного действия «Стирлинга» до 70 процентов.

  • Что удивительно, крутящий момент двигателя практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала;
  • Силовая установка не содержит системы зажигания, клапанной системы и распредвала.
  • На протяжении всего срока эксплуатации не нужны регулировки и настройки.
  • Двигатель не «глохнет», а простота конструкции позволяет эксплуатировать его в автономном режиме продолжительное время;
  • Можно использовать любые источники тепловой энергии, от дров до уранового топлива.
  • Сжигание топлива происходит вне двигателя, что способствует его полному дожиганию и минимизации выбросов токсичных веществ.
  • Так как топливо сгорает вне двигателя, то отвод тепла идёт через стенки радиатора, а это дополнительные габариты;
  • Материалоемкость. Чтобы сделать Стирлинг-машину компактной и мощной требуются дорогие жаропрочные стали, способные выдерживать высокое рабочее давление и имеющие низкую теплопроводность;
  • Нужна специальная смазка, обычная для «Стирлингов» не подходит, так как коксуется при высоких температурах;
  • Чтобы получить высокую удельную мощность, рабочее тело в «Стирлингах» применяют водород и гелий.

Водород отличается взрывоопасностью, а при высоких температурах может растворяться в металлах, образуя при этом металлогидриты. Иными словами, происходит разрушение цилиндров двигателя.

А ещё водород и гелий обладают высокой проникающей способностью и легко просачиваются через уплотнения, понижая рабочее давление.

Если вы, познакомившись с нашей статьёй, захотите приобрести устройство — двигатель внешнего сгорания, не бегите в ближайший магазин, такая штука не продаётся, увы…

Сами понимаете, те, кто занимается усовершенствованием и внедрением этой машины, держат свои разработки в секрете и продают их только солидным покупателям.

Но если вы поделитесь ссылкой на статью в социальных сетях, то возможно ваш комментарий прочитают заинтересованные люди и вы сможете пообщаться с единомышленниками на эту тему.

И не забудьте подписаться на наш блог – уверен, вас ждёт много интересного.

Смотрите это видео и делайте своими руками.

Двигатель Стирлинга

Тепловая машина двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела.

Данный тип двигателей изобретен в девятнадцатом веке. Они прошли стадию подъема, затем были забыты, однако пережили паровые двигатели, двигатели внутреннего сгорания и снова возродились в двадцатом веке. Сегодня над их созданием трудятся многие инженеры и любители.

Стоит отметить, что универсальной методики расчета Стирлинг-машин не существует до сих пор. Львиная доля технических решений и методик расчета при создании опытных образцов двигателей Стирлинга автоматически становится «ноу-хау» компаний-разработчиков и тщательно скрывается. Двигатели Стирлинга не встретишь в свободной продаже, как газонокосилки или автономные генераторы. При этом «Стирлинги» используются в качестве энергоустановок на космических спутниках, применяются как маршевые двигатели на современных подводных лодках.

Мембранный Двигатель Стирлинга для солнечных установок

Стирлинг-машины с одинаковым успехом можно «вмонтировать» и в триммер для стрижки газонов, и в марсоход. В конструкции двигателя нет клапанов, распределительных валов, отсутствует система зажигания в ее привычной форме, нет стартера! Некоторые конструкции обладают эффектом самозапуска. Для работы годится любой источник тепла: энергия солнца, навоз, сено, дрова, уголь, нефть, газ, ядерный реактор — подойдет все! И при данной «всеядности» коэффициент полезного действия «Стирлингов» не уступает показателям двигателей внутреннего сгорания. Но и это не все. Стирлинг-машины обратимы. Т.е. подводя тепловую энергию, получаем механическую, раскручивая маховик двигателя вырабатываем холод.

Двигатель Стирлинга зависит только от внешнего поступления тепла. Что это тепло поставляет принципиального значения не имеет. Поэтому двигатель Стирлинга являеться идеальным кандидатом для перевода солнечного излучения в механическую энергию:

1. В двигателе Стирлинга постоянное количество рабочего газа (гелий или водород) постоянно нагреваеться и охлаждаеться.

2. Через расширение при нагревании и сжатии при охлаждении, рабочий газ приводит в движение два поршня, каждый из которых прикреплен к валу — таким образом передаеться энергия.

3. Эфективность двигателя Стирлинга растет при росте температуры, поэтому он являеться идеальной комбинацией для производства энергии через солнечный коллектор.

4. Здесь нет внутреннего сгорания, поэтому установка Стирлинга работает почти бесшумно.

5. Потенциальный жизненный цикл двигателя Стирлинга являеться очень длительным, так как здесь нет внутренного износа из-за горения топлива.

Можно запасать с его помощью энергию, используя в качестве источника тепла теплоаккумуляторы на расплавах солей. Такие аккумуляторы превосходят по запасу энергии химические аккумуляторы и дешевле их. Используя для регулировки мощности изменение фазного угла между поршнями, можно аккумулировать механическую энергию, тормозя двигателем. В этом случае двигатель превращается в тепловой насос.

Плюсы стирлингов

– КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70% КПД от цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. Кроме того крутящий момент двигателя почти не зависит от скорости вращения коленвала. В двигателях внутреннего сгорания напротив максимальный крутящий момент достигается в узком диапазоне частот вращения.

– В конструкции двигателя отсутствует система высоковольтного зажигания, клапанная система и, соответственно, распредвал. Грамотно спроектированный и технологично изготовленный двигатель Стирлинга не требует регулировки и настройки в процессе всего срока эксплуатации.

– В ДВС сгорание томливо-воздушной смеси в цилиндре двигателя является, по сути, взрывом со скоростью распространения взрывной волны 5-7 км/сек. Этот процесс дает чудовищные пиковые нагрузки на шатуны, коленчатый вал и подшипники. Стирлинги лишены этого недостатка.

– Двигатель не будет «капризничать» из-за потери искры, засорившегося карбюратора или низкого заряда аккумулятора, поскольку не имеет этих агрегатов. Понятие «двигатель заглох» не имеет смысла для Стирлингов. Стирлинг может остановиться, если нагрузка превышает расчетную. Повторно запуск осуществляется однократным проворотом маховика коленчатого вала.

-Простота конструкции позволяет длительно эксплуатировать Стирлинг в автономном режиме.

– Двигатель Стирлинга может использовать любой источник тепловой энергии, начиная с дров и заканчивая ядерным топливом.

– Сгорание топлива происходит вне внутреннего объема двигателя (в отличии от ДВС ), что позволяет обеспечить равномерное горение топлива и полное его дожигание (т.е. отбор максимума содержащейся в топливе энергии и минимизация выброса токсичных компонентов).

Минусы стирлингов

– Поскольку сгорание топлива происходит вне двигателя, а отвод тепла осуществляется через стенки радиатора (Стирлинги имеют замкнутый объем) габариты двигателя увеличиваются.

– Еще один минус — материалоемкость. Для производства компактных и мощных Стирлинг-машин требуются жаропрочные стали, выдерживающие высокое рабочее давление и в то же время, обладающие низкой теплопроводностью. Обычная смазка для Стирлингов не годится — коксуется при высокой температуре, по этому необходимы материалы с низким коэффициентом трения.

– Для получения высокой удельной мощности в качестве рабочего тела в Стирлингах используют водород или гелий . Водород взрывоопасен, при высоких температурах растворяется в металлах, образуя металлогидриды — т.е. разрушает цилиндры двигателя. К тому же водород, как и гелий обладает высокой проникающей способностью и просачивается через уплотнения подвижных частей двигателя, снижая рабочее давление.

Комментарии:

я хочу себе построить для дачи двигатель стирлинга вазможна

— денис · дек 17, 00:35 · #

“- В ДВС сгорание томливо-воздушной смеси в цилиндре двигателя является, по сути, взрывом со скоростью распространения взрывной волны 5-7 км/сек.”
———-
5-7 км/сек – это скорость движения продуктов взрыва ТЭН а в кумулятивном снаряде, её хватает чтобы пробить 20 см пакет гомогенной брони. Не мелите чушь. Продукты сгорания топливной смеси в цилиндре ДВС двигаются со скоростью, не превышающей 360 м(!)/сек, т.е. дозвуковое горение. Сверхзвуковое горение считается детонацией и гробит двигатель.

— Совок · фев 11, 20:53 · #

Под детонацией следует понимать необычно высокую скорость распространения взрывной химической реакции [21]. В цилиндре двигателя при детонации скорость распространения пламени в последней части горючей смеси достигает примерно 2000 м сек

— Ленин · дек 26, 20:15 · #

Двигатель Стирлинга может построить любой для дачи в ручную ,но не в этой жизни.

— Владимир · фев 26, 02:01 · #

Я советую сделать такой двигатель
http://www.valentru.ru/index/gibridja_teplovaja_mashina/0-5

— Valentin.Ru · мар 19, 23:34 · #

Первый рисунок рисовал человек, незнакомый с принципом действия сабжа. По ходу, попутал местами вытеснитель с рабочим поршнем. 1) Цилиндр вытеснителя имеет меньший обьем/диаметр, чем рабочий цилиндр. Иначе оно работать не будет.
2) Принцип действия. Прямой ход. Вытеснитель входит в свой цилиндр, продавливая газ через охладитель, регенератор, нагреватель. Именно в такой последовательности. В нагревателе он расширяется, заполняя рабочий цилиндр, и выдавливает оный. Обратный ход – вытеснитель выходит из своего цилиндра, снижая давление. Газ из рабочего цилиндра проходит нагреватель, регенератор, охладитель, сжимается и может поместиться в цилиндр вытеснителя. Рабочий поршень выжимает газ из своего цилиндра при низшем давлении, чем при прямом ходе. За счет разности давлений прямого и обратного хода получается механическая энергия на валу.

Двигатель Стирлинга(Двигатель внешнего сгорания)

Содержание

  • 1 Описание
  • 2 Принцип Работы
  • 3 Классификация двигателей Стирлинга
  • 4 Плюсы
  • 5 Недостатки
  • 6 Рабочая версия двигателя
  • 7 Ссылки

Описание [ править ]

  • Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Принцип Работы [ править ]

  • Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий.

Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу. Нагрев и охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производится рекуператором. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое рекуператором, одинаково. Полезная работа производится только за счёт изотерм, т.е. зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.

где: a — вытеснительный поршень; b — рабочий поршень; с — маховик; d — огонь (область нагревания); e — область охлаждения. Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам). Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру. Воздух остывает и сжимается, поршень опускается вниз. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется. В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При сдвиге 0 машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение) и не вырабатывает её.

Классификация двигателей Стирлинга [ править ]

  • Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.

Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.

  • Бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

  • Гамма-Стирлинг — тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Плюсы [ править ]

  • КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70% КПД от цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. Кроме того крутящий момент двигателя почти не зависит от скорости вращения коленвала. В двигателях внутреннего сгорания напротив максимальный крутящий момент достигается в узком диапазоне частот вращения.
  • В конструкции двигателя отсутствует система высоковольтного зажигания, клапанная система и, соответственно, распредвал. Грамотно спроектированный и технологично изготовленный двигатель Стирлинга не требует регулировки и настройки в процессе всего срока эксплуатации.
  • В ДВС сгорание томливо-воздушной смеси в цилиндре двигателя является, по сути, взрывом со скоростью распространения взрывной волны 5-7 км/сек. Этот процесс дает чудовищные пиковые нагрузки на шатуны, коленчатый вал и подшипники. Стирлинги лишены этого недостатка.
  • Двигатель не будет “капризничать” из-за потери искры, засорившегося карбюратора или низкого заряда аккумулятора, поскольку не имеет этих агрегатов. Понятие “двигатель заглох” не имеет смысла для Стирлингов. Стирлинг может остановиться, если нагрузка превышает расчетную. Повторно запуск осуществляется однократным проворотом маховика коленчатого вала.
  • Простота конструкции позволяет длительно эксплуатировать Стирлинг в автономном режиме.
  • Двигатель Стирлинга может использовать любой источник тепловой энергии, начиная с дров и заканчивая ядерным топливом!
  • Сгорание топлива происходит вне внутреннего объема двигателя (в отличии от ДВС), что позволяет обеспечить равномерное горение топлива и полное его дожигание (т.е. отбор максимума содержащейся в топливе энергии и минимизация выброса токсичных компонентов).

Недостатки [ править ]

  • Материалоёмкость — основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.
  • Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела — водород, гелий.
  • Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплобменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.
  • Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

Рабочая версия двигателя [ править ]

Самодельный гальванический элемент для автономного питания

Евросамоделки – только самые лучшие самоделки рунета! Как сделать самому, мастер-классы, фото, чертежи, инструкции, книги, видео.

  • Главная
  • Каталог самоделки
  • Дизайнерские идеи
  • Видео самоделки
  • Книги и журналы
  • Форум
  • Обратная связь
  • Лучшие самоделки
  • Самоделки для дачи
  • Самодельные приспособления
  • Автосамоделки, для гаража
  • Электронные самоделки
  • Самоделки для дома и быта
  • Альтернативная энергетика
  • Мебель своими руками
  • Строительство и ремонт
  • Самоделки для рыбалки
  • Поделки и рукоделие
  • Самоделки из материала
  • Самоделки для компьютера
  • Самодельные супергаджеты
  • Другие самоделки
  • Материалы партнеров

Самодельный гальванический элемент для автономного питания

Элемент Вольта

Для питания и зарядки портативной электроники в тех местах, где нет электросети можно успешно использовать на ряду с другими источниками электроэнергии и простейшие химические источники тока, гальванические элементы.

Их использование возможно на дачах при долгосрочном проживании при отсутствии электросети,а также в отдалённых деревнях где или нет совсем электроэнергии, или постоянные перебои с электроснабжением. В советской России химические источники тока или гальванические элементы получили широкое распространение в радиолюбительской технике в середине прошлого столетия, так как эти источники просты в изготовлении и изготовляются из легкодоступных материалов.

Сейчас, когда портативная электроника стала очень экономична в плане электропотребления, её питание от самодельных химических источников тока может оказаться очень эффективным, так как такие источники тока с успехом применяли ещё на заре развития радиотехники. Тогда техника потребляла в разы больше электроэнергии чем современная аппаратура,а сейчас с развитием энергосберегающей светотехники. Например, светодиодной, на освещение тратится в 4-5 раз меньше электроэнергии, чем от потребления обычной лампочки. Также современные мобильные телефоны, КПК и другие гаджеты потребляют ни чуть не больше, а даже меньше, чем радиоаппаратура прошлых десятилетий.

Внимание!

В статье имеются орфографические и пунктуационные ошибки, т.к. материал взят с сайта http://soliaris2010.narod2.ru , и редактирование текста практически осталось как у оригинала. Не судите строго, пожалуйста.

ПРОСТЕЙШИЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, ЭЛЕМЕНТ ВОЛЬТА

Вольтов столб Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был элемент Вольта — сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа Вольтовым столбом. Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги.

В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля».В 1859 году французский физик Гастон Планте изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.В 1865 году французский химик Ж.Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца (IV) MnO2 с угольным токоотводом.

Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia». Самый долгоживущий гальванический элемент – серно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 г. Подключенный к ней звонок работает и по сей день.

Простейший медно-цинковый элемент состоит из двух электродов-пластин, погруженных в раствор электролита, при погружении в электролит между металлами возникает разница потенциалов. При погружении в раствор повареной соли медной пластины и цинковой возникает разница потенциалов примерно в 1 вольт, и один элемент независимо от размеров имеет напряжение в один вольт, а мощность такого элемента зависит от его размеров и площади пластин погруженных в электролит. Для получения более высокого напряжение эти элементы, как и зоводские батарейки соеденяют последовательно для получения нужного напряжения.

ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕДНОЦИНКОВОГО ЭЛЕМЕНТА

Медно-цинковые источники тока. Производство этих химических источников тока началось еще в 1889 г. В настоящее время они выпускаются в небольших масштабах в виде элементов емкостью от 250 до 1000 А·ч. Гладкие цинковые пластины и пластины из смеси оксида меди, меди и связующего помещают в стеклянный или металлический сосуд с 20%-ным раствором NaОН. Элементы имеют напряжение 0,6-0,7 В и удельную энергию 25-30 Вт·ч/кг. К их достоинствам относится постоянство разрядного напряжения, очень малый саморазряд, безотказность в работе и невысокая цена. Применялись в системах сигнализации и связи на железных дорогах.

В реальных условиях энергоёмкость может сильно отличатся и зависит она от площади пластит, чистоты металлов и плотности электролита.Элемент собранный в литровой банке,с пластинами максимальной площади, двадцати процентным раствором соли в виде электролита, выдаёт напряжение от 0,6-1,1 вольта,10-20а/ч,но в таких элементах очень маленький разрядный ток маленький ,и ток замыкания может быть около 100-150мА/ч.,а чем меньше подсоединенный источник потребляет, тем больше медно-цинковый элемент может вырабатывать электроэнергии. Элемент собранный в литровой банке при токе разряда 50 мА/ч проработает от 200часов до 400часов и более и более,но со временем пластины окисляются и напряжение падает и в итоге элемент перестаёт работать. Для восстановления элемента надо заменить электролит и очистить пластины от окисления и элемент снова будет работать.

Процесс окисления зависит от разрядного тока чем он выше ,тем быстрее элемент выйдет из строя,но в среднем элемент в литровой банке до чистки и перезарядки ,при разрядном токе 50 мА/ч проработает около 3-4 месяца,а при разрядном токе в 2-5 мА/ч его хватит на год и более.Простого литрового элемента не хватит для питания даже простого миниатюрного радиоприемника,и для того чтобы получить нужные характеристики нужно собрать блок из нескольких элементов.

Сейчас в основном вся портативная электроника питается напряжением в 3,6-4,5 вольта ,и для того чтобы получить такие числа нужно соединить последовательно 4-5 таких элементов,если соединить 5 литровых элементов ,то получится примерно 3,5-4,8 вольта, и ёмкость возрастает до 40-50 А/ч,а ток разряда может достигать 400-600 мА/ч,следовательно такой источник легко справится с питанием маленького радиоприёмника или светодиодного фонарика, а также с зарядкой миниатюрных аккумуляторов телефонов в течении 10-30 часов. Но для питания мощных светодиодных фонарей и питания современных телефонов и КПК такого источники будет маловато.

ДЛЯ СТАБИЛЬНОГО ДОЛГОСРОЧНОГО АВТОНОМНОГО ПИТАНИЯ ПОРТАТИВНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

понадобится что-то побольше, например, элемент ёмкостью как на рисунке, объем 40-50 литров,для стабильного питания портативных комнатных светодиодных светильников и другой техники. Для изготовления такого химического источника электроэнергии на понадобятся: 5 медных пластин размерами 20х40, и 5 таких же цинковых, далее на каждую пластинку нужно припаять или запрессовать путём загибания уголка пластины вставить проводок и заплющить молотком.

После надо пластины через электронопроводящие прокладки (деревянный брусочек или пластмассовая трубка) закрепить между собой, потом опускаем их в ёмкости с электролитом, это или раствор поваренной соли или раствор нашатыря или раствор серной кислоты (авто электролит), после соединяем получившиеся батарейки последовательно, то есть медная пластина одного элемента через проводок соединяется с цинковой пластиной другого элемента. В итоге, с одной стороны получившегося блока остаётся пластина медная с проводком (+), а с другой цинковая (-). Чем больше площадь пластин и чем лучше электролит, тем выше эффективность такого источника тока.

САМОДЕЛЬНЫЙ МЕДНО-КУПОРОСНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

В этой самодельной конструкции из-за недоступности чистого цинка,применён алюминиевый электрод,но э.д.с. алюминия ниже чем у цинка,составляет 0,5 В, то есть одна банка даёт всего 0,5 вольт, из-за этого прибор состоит не из 4-х банок для напражения в 3,5-4 вольты,а из 6-ти,чтобы получить как минимум 3,6 вольт.

При испытании данного прибора не было никаких измерительных приборов, но как видно из фото ,прибор свободно обеспечивает свечение 12-ти светодиодов-ток потребления150-200мА, и заряжает мобильный телефон-ток потребления около 400мА.
При испытании элемент зарядил батарею телефона ёмкостью 750мА за 2,40 минут.

Примерные технические характеристики батареи элементов, состоящей из 6-ти банок, емкостью 0,33л.: 3,7 Вольт, ток замыкания около 500мА, ёмкость 25-30А/ч.

В ходе испытания батарея элементов стабильно проработала на одной столовой ложке купороса около 100 часов при токе разряда примерно 200мА/ч,сейчас прибор так-же работает, но сила тока значительно меньше и составляет около 80мА/ч,купарос практически истрачен,таким образом если посчитать ,то можно определить,сколько времени вообще элементы проработают на определённом количестве купороса, питая определенные приборы.

ПОРЯДОК ИЗГОТОВЛЕНИЯ

В ЭТОЙ КОНСТРУКЦИИ В КАЧЕСТВЕ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОДА ИСПОЛЬЗОВАЛИСЬ АЛЮМИНИЕВЫЕ БАНКИ (ПИВНЫЕ) И ДРУГИЕ ИЗДЕЛИЯ ИЗ АЛЮМИНИЯ.

ЕСЛИ БУДУТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ АЛЮМИНИЕВЫЕ БАНКИ, ТО ИХ НУЖНО ТЩАТЕЛЬНО ЗАЧИСТИТЬ ОТ ЗАЩИТНОГО ВНУТРЕННЕГО СЛОЯ И ВНЕШНИХ НАДПИСЕЙ, ТАК КАК ОНИ НЕ ПРОПУСКАЮТ ТОК.

Сначала внутренняя поверхность банки обмазывается вазелином или салом на расстоянии 3-4 сантиметра от верхнего края банки,это делается для того чтобы предупредить выползание кристаллов солей из сосуда элемента.

Далее из тонкого листа меди,или латуни или свинца изготавливается цилиндр по внутреннему диаметру и высоте банки.

Далее в цилиндре надо с одной стороны сделать двойные прорези на глубину 4-5 мм., и получившиеся скобки загнуть наружу,для того что-бы цилиндр висел на них, на горлышке банки, не доходя до дна банки на 5 см.,после изготовления припаять к нему медный провод,это и будет (+).

Далее изготавливается диафрагма,диафрагма изготавливается из картона ,делается цилиндр из картона по длине банки ,или короче банки на 5 см.,а потом к нему пришивается нитками картонное дно ,так что-бы не оставалось щелей,а места сшивки пропитываются горячим парафином чтобы герметизировать дно от вытекания жидкости.

Далее на цилиндр плотно наматывают несколько слоёв пергамента или газетной бумаги,предварительно вымоченного в солёном растворе,чтобы не оставалось воздушных прослоек,а после получившейся “стакан” плотно обшивается обёрнутой в несколько слоёв тканью ,для механической прочности.

Потом на верх диафрагмы наклеивают или пришивают кольцо ,чтобы стакан не проваливался,и места крепления обмазывают горячим парафином,в кольце делают отверстие, через которое в банку наливается вода и вставляется мешалка для помешивания купороса.

Потом в диафрагму надо налить раствор поваренной соли и оставить на несколько часов,правильно собранная диафрагма не должна подтекать ,а её поверхность должна быть всего-лишь влажной.далее по внутреннему диаметру диафрагмы изготавливается из листа цинка цилиндр к нему припаивается медный провод который будет служить (-),цинковый цилиндр должен свободно входить в диафрагму ,но при этом быть как можно ближе к её стенкам,то есть ближе к медному цилиндру,чтобы уменьшить внутренне сопротивление ,и соответственно повысить эффективность.

СБОРКА ЭЛЕМЕНТА.

В чистую банку ,если 0,5л.,насыпают столовую ложку медного купороса ,вставляют мешалку,а потом устанавливают диафрагму,наполненную раствором поваренной соли,после в то отверстие,которое для мешалки,в банку наливается вода ,а за тем вставляется в диафрагму цинковый цилиндр ,после сборки элемент полностью готов к работе,остаётся соединить элементы последовательно ,как обычные батарейки,и питать и заряжать приборы.

Применение пористой диафрагмы обусловлено разделением электролитов, тоесть разделением кристаллов купороса,и соляного раствора от смешивания,иначе купорос бурно вступает в реакцию и слишком быстро расходуется, даже когда элемент не используется,а через диафрагму расход купороса равномерен и экономичен,что обеспечивает долгую работу источника тока-гальванического элемента..

Удод за элементом заключается в периодической заправке купороса, смене электролита и очистке от окисления электродов. При потреблении тока около 600мА(сотовый телефон), батарея состоящая из 4-х пол-литровых элементов элементов проработает на одной заправке купороса(4 стол.л.) около месяца ,при условии использования его каждый день около 6 часов. .При падении мощности периодически мешалкой надо взбалтывать медный купорос.За время работы в течении месяца израсходуется около 100г.купороса, и 40г. цинка.

Примечание. Если заменить цинк на алюминий,то элементов надо не 4 или 5, а 6 или 7 ,соединенных последовательно,так как э.д.с. алюминия ниже чем у цинка,и состовляет 0,4-0,6 V.

Самодельный гальванический элемент для автономного питания

Буэнос диас камрады, в особенности рукастые… На сайте както мелькала конструкция самодельной батарейки, но не совсем функциональной… А тут мне на глаза попалась книженция 1956го года (считавшаяся потерянной) так что спешу поделится парой конструкций…

САМОДЕЛЬНЫЙ УГОЛЬНО-ЦИНКОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ
Простой элемент можно собрать в стеклянной пол-
литровой банке из-под консервов, внутри которой поме-
щают электроды — уголь и цинк. Положительный элект-
род такого элемента делают из угольного стержня
длиною .12 — 15 см, изготовленного из старого угля от
проекционного, или кинофонаря. В крайнем случае
можно применить уголь от старой батарейки для кар-
манного фонарика или любого старого угольно-цинко-
вого элемента.
К угольному стержню с помощью хомутика и винта
с гайкой прикрепляется гибкий провод. Угольный
электрод устанавливают в центре мешочка, напол-
ненного толченым углем, смешанным с перекисью
марганца и нашатыря. Их можно приобрести в
аптеке.
Смесь заливают водой так, чтобы получилась густая
кашица.
Кашицу плотно набивают в мешочек, сшитый из
плотной материи — бязи или холста. Диаметр мешочка
5- 5,5 см. Длина его на 1 см короче длины угольного
стержня.
Отрицательный электрод изготовляют в виде цин-
кового цилиндра без дна диаметром 6 —.6,5 см, рав-
ным длине мешочка. К цинковому электроду припаи-
вают гибкую проволоку длиною 15 — 20 см. Цилиндр.
опускают в стеклянную банку, туда.же опускают мешо-
чек. Чтобы мешочек не касался дна банки, на кото-.
ром будут осаждаться нерастворившиеся частички
-электролита, положите на дно банки прокладку, сде-
ланную из двух перекрещенных палочек, пропитанных
парафином. Между мешочком и цинком также вставьте
несколько деревянных палочек, покрытых парафином
или воском.
Теперь элемент можно залить электролитом. Для при-
готовления’ электролита 120 граммов кристаллического
нашатыря растворяют в 1 литре теплой воды. Остыв-
ший раствор заливают вбанку и дают ему время
(около полутора часов) впитаться в смесь мешочка,
после чего раствор доливают так, чтобы электро-
лит закрывал мешочек на1 — 1,5 см.
.Сверху банку, в которуюпомещен элемент, закройте
картонной или фанернойкрышкой. Для крышки вы-
режьте два кружочка: один по внутреннему и один по
внешнему диаметру банки и скрепите их- между со-
бой. В крышке шилом сде-лайте два отверстия для
вывода’ проводов (рис. 20).Вместо стеклянной банки
можно употребить глиняную или изготовить банку
из цинка, но тогда ей удоб-нее придать не круглую,
а четырехугольную форму.
Если место закрепления
хомутика будет окисляться, то следует снять хомутик,
очистить уголь, снова закрепить хомутик и покрыть
эту часть угля (вместе с хомутиком) воском или
парафином.

САМОДЕЛЬНЫЙ СОДОВЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
Работа такого выпрямителя основана на односто-
ронней проводимости тока от железной пластинки
к алюминиевой, если их поместить в раствор соды.
Выпрямитель собирают в стеклянной банке из-под
консервов, в бутылке с широким горлышком или в гли-
няном сосуде. Электроды изготовляют из листового
железа и алюминия толщиною 0,5 — 1 мм.
Для железного электрода вырезают пластинку ши-
риною около 2,5 см и длиною — по высоте сосуда. Из
. алюминия вырезают пластинку такой же длины, но
шириною 1 см.
Пластинки прикрепляют к деревянной крышке, сде-
ланной из нетолстой дощечки или фанеры, Для крышки
вырезают две круглые дощечки: диаметр одной на 1—
1,5 см больше диаметра отверстия банки,, а другой,
наоборот, меньше на О,5 — 1 см, чем отверстие банки.
Обе

дощечки сколачивают гвоздиками. Края крышки
выравнивают напильником или наждачной бумагой
(шкуркой).
Посредине крышки на расстоянии 3 см друг от
друга ножом прорезают два отверстия, равные ширине
пластинок. В отверстия пропускают верхние концы
пластинок так, чтобы нижние не касались дна банки.
Выведенные наружу концы отгибают под прямым
углом в разные стороны. Предварительно в них ши-
лом или гвоздем пробивают по два отверстия для шу-
. рупов.
Каждую из пластинок прикрепляют к крышке двумя
шурупами. Ближний к сгибу шуруп, служащий для
крепления, сразу завинчивают до конца, а другой
предназначен для подключения соединительных прово-
дов, — под его головку нужно положить шайбу.
Теперь банку можно наполнить электролитом. Для
этого налейте в банку воду (если есть, лучше
дистиллированную) и приготовьте насыщенный раствор
питьевой соды.
При составлении электролита для лучшего раство-
рения соды рекомендуем воду все время мешать или
взбалтывать легким встряхиванием банки. Соду можно
приобрести в любой аптеке или аптекарском магазине.
Для раствора понадобится 20 — 25 граммов нормальной
питьевой соды.
После приготовления электролита крышку с при-
крепленными к. ней электродами надевают на банку, и
сборка выпрямителя закончена.
Для работы выпрямитель включают последовательно
с приборами, применяемыми для опыта. Как это сделать,
показано на рисунке- 28.
Выпрямитель хорошо работает при непродолжитель-
ных включениях по 10 — 15 минут, после чего требует
кратковременного перерыва — выключения на 5 — 7 ми-
нут. При продолжительных включениях без перерыва
электролит может нагреться и выпрямление прекратится.
При работе нужно учитывать, что ток; проходящий
через выпрямитель,.теряет примерно половину своего
первоначального напряжения,
При изготовлении выпрямителя в бутылке пластинки
(электроды) прижимают пробкой, а на выходящих на-
ружу концах укрепляют зажимы. Проследите за тем,
чтобы пластинки в таком выпрямителе не соприкасались
друг с другом.

ВЫПРЯМИТЕЛЬ-РЕОСТАТ
Электролитические выпрямители нашей конструкции
удобны и тем, что их можно использовать как реостат.
Сопротивление такого реостата для снятия тока боль-
шей или меньшей силы можно изменять, уменьшая или
увеличивая расстояние между электродами внутри
банки, или выдвигая одну из пластин наружу.

САМОДЕЛЬНЫЙ МЕДНО-КУПОРОСНЫЙ ЭЛЕМЕНТ.

Ниже описана подробная информация по изготовлению самодельного медно-купоросного элемента, а моя сборка, это быстрая, грубая сборка, которая наглядно показывает работу медно-купоросного элемента.Как видно из фото элементы сделаны по ниже описанной схеме, но с грубыми нарушениями, но как показала практика, и такие элементы объединенные в батарею, способны питать светодиодные фонари и заряжать мобильные телефоны.В этой самодельной конструкции из-за недоступности чистого цинка, применён алюминиевый электрод, но э.д.с.алюминия ниже чем у цинка, составляет 0,6 В, то есть одна банка даёт 0,6 вольт, из-за этого прибор состоит не из 4-х банок, а из 6-ти, чтобы получить 3,6 вольт.

При испытании данного прибора не было никаких измерительных приборов, но как видно из фото, прибор свободно обеспечивает свечение 12-ти светодиодов-ток потребления 200мА, и заряжает мобильный телефон-ток потребления 400мА.
При испытании элемент зарядил батарею телефона ёмкостью 750мА за 1,40 минут.
Примерные технические характеристики батареи элементов, состоящей из 6-ти банок, емкостью 0,33л.: 3,7Вольт, ток замыкания около 500мА, ёмкость 25-30А/ч.

В ходе испытания батарея элементов стабильно проработала на одной столовой ложке купороса около 100 часов при токе разряда примерно 200мА/ч, сейчас прибор так-же работает, но сила тока значительно меньше и составляет около 80мА/ч, купорос практически истрачен, таким образом если посчитать, то можно определить, сколько времени вообще элементы проработают на определённом количестве купороса, питая определенные приборы.

ПОРЯДОК ИЗГОТОВЛЕНИЯ.

В ЭТОЙ КОНСТРУКЦИИ В КАЧЕСТВЕ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОДА ИСПОЛЬЗОВАЛИСЬ, АЛЮМИНИЕВЫЕ БАНКИ (ПИВНЫЕ), И ДРУГИЕ ИЗДЕЛИЯ ИЗ АЛЮМИНИЯ, ЕСЛИ БУДУТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ АЛЮМИНИЕВЫЕ БАНКИ, ТО ИХ НУЖНО ТЩАТЕЛЬНО ЗАЧИСТИТЬ ОТ ЗАЩИТНОГО, ВНУТРЕННЕГО СЛОЯ, И ВНЕШНИХ НАДПИСЕЙ, ТАК КАК ОНИ НЕ ПРОПУСКАЮТ ТОК.

МЕДНО-ЦИНКОВЫЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ С МЕДНЫМ КУПОРОСОМ.

Эти элементы чаще всего применялись для питания радиолюбительской аппаратуры, так как они наиболее просты в изготовлении, и обладают устойчивым напряжением по сравнению с другими химическими источниками питания, и практически почти не поляризуются.Кроме того они очень дёшевы и удобны в эксплуатации.Благодаря этим качествам они получили широкое распространение и применение в радиолюбительской среде прошлых лет.Сейчас же когда портативная электроника стала очень экономична, такие химические источники питания могут обеспечивать, как зарядку телефонов, фонарей, к примеру на даче, так и автономное, длительное питание КПК, телефонов, светодиодных фонарей, светильников.Простейшие медно-купоросные элементы собираются обычно в среклянных банках объемом в 0,5-1 литр.

ПОРЯДОК ИЗГОТОВЛЕНИЯ.
Сначала внутренняя поверхность банки обмазывается вазелином или салом на расстоянии 3-4 сантиметра от верхнего края банки, это делается для того чтобы предупредить выползание кристаллов солей из сосуда элемента.Далее из тонкого листа меди, или латуни или свинца изготавливается цилиндр по внутреннему диаметру и высоте банки.Далее в цилиндре надо с одной стороны сделать двойные прорези на глубину 4-5 мм., и получившиеся скобки загнуть наружу, для того что-бы цилиндр весел на них, на горлышке банки, не доходя до дна банки на 5 см., после изготовления припаять к нему медный провод, это и будет (+).Далее изготавливается диафрагма, диафрагма изготавливается из картона, делается цилиндр из картона по длине банки, или короче банки на 5 см., а потом к нему пришивается нитками картонное дно, так что-бы не оставалось щелей, а места сшивки пропитываются горячим парафином чтобы герметизировать дно от вытекания жидкости.Далее на цилиндр плотно наматывают несколько слоёв пергамента или газетной бумаги, предварительно вымоченного в солёном растворе, чтобы не оставалось воздушных прослоек, а после получившейся «стакан» плотно обшивается обёрнутой в несколько слоёв тканью, для механической прочности.Потом на верх диафрагмы наклеивают или пришивают кольцо, чтобы стакан не проваливался, и места крепления обмазывают горячим парафином, в кольце делают отверстие, через которое в банку наливается вода и вставляется мешалка для помешивания купороса.Потом в диафрагму надо налить раствор поваренной соли и оставить на несколько часов, правильно собранная диафрагма не должна подтекать, а её поверхность должна быть всего-лишь влажной.далее по внутреннему диаметру диафрагмы изготавливается из листа цинка цилиндр к нему припаивается медный провод который будет служить (-), цинковый цилиндр должен свободно входить в диафрагму, но при этом быть как можно ближе к её стенкам, то есть ближе к медному цилиндру, чтобы уменьшить внутренне сопротивление, и соответственно повысить эффективность.
СБОРКА ЭЛЕМЕНТА.
В чистую банку, если 0,5л., насыпают столовую ложку медного купороса, вставляют мешалку, а потом устанавливают диафрагму, наполненную раствором поваренной соли, после в то отверстие, которое для мешалки, в банку наливается вода, а за тем вставляется в диафрагму цинковый цилиндр, после сборки элемент полностью готов к работе, остаётся соединить элементы последовательно, как обычные батарейки, и питать и заряжать приборы.Применение пористой диафрагмы обусловлено разделением электролитов, тоесть разделением кристаллов купороса, и соляного раствора от смешивания, иначе купорос бурно вступает в реакцию и слишком быстро расходуется, даже когда элемент не используется, а через диафрагму расход купороса равномерен и экономичен, что обеспечивает долгую работу источника тока-гальванического элемента…

Удод за элементом заключается в периодической заправке купороса, смене электролита и очистке от окисления электродов. При потреблении тока около 600мА(сотовый телефон), батарея состоящая из 4-х пол-литровых элементов элементов проработает на одной заправке купороса(4 стол.л.) около месяца, при условии использования его каждый день около 6 часов..При падении мощности периодически мешалкой надо взбалтывать медный купорос.За время работы в течении месяца израсходуется около 100г.купороса, и 40г. цинка,

примечание.если заменить цинк на алюминий, то элементов надо не 4 или 5, а 6 или 7, соединенных последовательно, так как э.д.с. алюминия ниже чем у цинка, и состовляет 0,4-0,6V…
Взято отсюда.
soliaris2010.narod2.ru/dobicha_elektroenergii_-primitivnii_istochnik_.html

Читайте также:  Бестопливный генератор Мотор Дяди Васи своими руками
Ссылка на основную публикацию