В исследовательской работе и проекте по физике "Исследование и применение двигателя Стирлинга для электростанции на гейзере" учащаяся 8 класса изучила и описала принципы работы двигателя Стирлинга, а также определила целесообразность применения двигателя.

В процессе проведения работы над исследовательским проектом по физике на тему «Исследование и применение двигателя Стирлинга для электростанции на гейзере» обучающаяся 8 класса рассчитала электроэнергию, которую возможно получить с помощью двигателя Стирлинга на гейзере.

Подробнее о работе:

Содержание исследовательского проекта по физике об исследовании и применении двигателя Стирлинга для электростанции на гейзере отражает выводы о том, что на практике можно использовать гейзерные электростанции.Такие электростанции не выбрасывают в атмосферу вредных веществ и безопасны для окружающей среды.

Оглавление

Введение
1. Как работает двигатель Стирлинга?
1.1. Принцип работы двигателя
1.2. Цикл работы двигателя
1.3. Гейзеры
2. Электростанция на гейзере.
2.1. Моя альтернатива
2.2. Расчет мощности электростанции.
Заключение
Список литературы.

Существует множество двигателей и сегодня мы поговорим об одном из самых интересных двигателей. В наши дни главе угла стоят вопросы экологии, экономичности и безопасности. Это заставляет инженеров бросать силы на серийные агрегаты, работающие за счёт возобновляемых источников топлива.

В 16 году девятнадцатого века Роберт Стирлинг зарегистрировал двигатель, работающий от внешних источников тепла. Инженеры считают, что этот агрегат способен сменить современного лидера. Двигатель Стирлинга сочетает экономичность, надёжность, работает тихо, на любом топливе.

Объект исследования: тепловые и электрические явления.
Предмет исследования: использование двигателя Стирлинга при конструировании электростанции на гейзере.

Цели работы:

1. Изучить историю изобретения и применение двигателей Стирлинга
2. Ознакомиться с устройством и физическими основами работы
3. Придумать альтернативы, использования двигателя Стирлинга

Задачи:

1. Изучить и объяснить принцип работы двигателя.
2. Продемонстрировать двигатель Стирлинга.
3. Найти способ применения двигателя Стирлинга.
4. Расчет электроэнергии полученной с помощью двигателя Стирлинга на гейзере.

Принцип работы двигателя Стирлинга: механизм преобразует тепло, полученное от нагревателя, находящегося за пределами изделия в действие силы на тело. Весь процесс происходит благодаря температурному перепаду, в рабочем веществе, находящемся в закрытом контуре.Принцип действия механизма базируется на расширении за счёт тепла.

Уменьшение и увеличение объёма газа при охлаждении либо нагреве соответственно, подтверждается законом термодинамики, согласно которого все составляющие: степень нагрева, величина занимаемого пространства веществом, сила, действующая на единицу площади, связаны и описываются формулой:
P*V=n*R*T, здесь:

• P – сила действия газа в двигателе на единицу площади;
• V – количественная величина, занимаемая газом в пространстве двигателя;
• n – молярное количество газа в двигателе;
• R – постоянная газа;
• T – степень нагрева газа в двигателе

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга, использует одноимённую совокупность явлений. Эффект от протекающего действия в механизме высок. Благодаря этому есть возможность сконструировать двигатель с неплохими характеристиками в рамках нормальных габаритов.
Необходимо учитывать, что в конструкции механизма предусмотрен нагреватель, холодильник и регенератор, устройство, отвода тепла от вещества и возвращения тепла, в нужный момент.

Преимущества
Для двигателя Стирлинга характерны такие плюсы:

• Для работы двигателя необходим температурный перепад, какое топливо вызывает нагрев не важно;
• Нет необходимости использовать навесное и вспомогательное оборудование, конструкция двигателя простая и надёжная;
• Ресурс двигателя, благодаря особенностям конструкции, составляет 100000 часов работы;
• Работа двигателя не создаёт постороннего шума, поскольку отсутствует детонация;
• Процесс работы двигателя не сопровождается выбросом отработанных веществ;
• Работа двигателя сопровождается минимальной вибрацией;
• Процессы в цилиндрах установки экологически безвредны. Использование правильного источника тепла позволяет сделать двигатель «чистым».

Недостатки
К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

• Трудно наладить серийное производство, поскольку конструктивно двигатель требует использования большого количества материалов;
• Высокий вес и большие габариты двигателя, поскольку для эффективного охлаждения надо применять большой радиатор;
• Для повышения эффективности двигатель форсируют, применяя в качестве рабочего тела сложные вещества (водород, гелий), что делает эксплуатацию агрегата опасным;
• Высокотемпературная стойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняет процесс изготовления двигателя. Значительные потери тепла в теплообменнике снижают эффективность агрегата, а применение специфических материалов делают изготовление двигателя дорогим;
• Для регулировки и перехода двигателя с режима на режим надо применять специальные устройства управления.

Гейзер - горячий источник, периодически выбрасывающий фонтаны горячей воды и пара под давлением. Гейзеры являются одним из проявлений поздних стадий вулканизма, распространены в областях современной вулканической деятельности.

Масса воды

• Средняя масса воды, которую извергает гейзер при фонтанировании, 800 тонн.

Температура

• Гейзер извергает воду очень высокой температуры обычно это 124-130 градусов. Вода не превращается в пар потому что, перед извержением она находится в сжатом состоянии.
• Время извержения воды в гейзере в среднем 45 минут.

Для повышения экологичности двигателя предлагаю в качестве источника тепла использовать гейзеры. Пары от гейзера нагревают двигатель и он начинает работать. Таким образом решается проблема постоянного дополнительного нагрева двигателя.
При подсчете электроэнергии, которую будет вырабатывать двигатель, предполагается средняя температура на п.о. Камчатка за год tср.г.=6°C

Средняя температура воды при извержении гейзера tг =130°C. Вычислим количество теплоты, которое будет отдавать гейзер двигателю по формуле:

Посчитаем сколько энергии будет вырабатываться за одно извержение гейзера. Среднее время извержение гейзера tиз=45мин или 2700с
Тогда электрическую мощность электростанции можно найти.
P=
Получаем что мощность электростанции P≈30ГВт

Расчет мощности, вырабатываемой электроэнергии показал, что электростанцию на гейзере можно использовать на практике. Такие электростанции не выбрасывают вредных веществ в окружающую среду, и являются экологически безопасными для использования.

1. В.М.Бродянский - Вечный двигатель - прежде и теперь. От утопии - к науке, от науки - к утопии. 260 стр.
2. Долина гейзеров на Камчатке.
3. Как образуются гейзеры.
4. Таблица КПД двигателя Стирлинга.
5. Г. Ридер, Ч Хупер Двигатели Стирлинга. 1986 г., 453 стр.