Den Strojařů 2009

1. Den Strojařů 2009 MODEL STIRLINGOVA MOTORU Autor: Jakub ENGL

2. Stirlingův motor Úvod Cílem práce je popis principu práce a pracovního cyklu motoru. Na podkladě dosavadních poznatků řešení konstrukce Stirlingova motoru vytvořit 3D model motoru pomocí programu Autodesk Inventor 2008, včetně výkresové dokumentace. Na základě výkresové dokumentace vytvořit reálný funkční model Stirlingova motoru, ověřit dosavadní zkušenosti v praxi, včetně návrhu vlastního řešení. Vynálezce Stirlingova motoru je reverend Dr. Robert Stirling, který se narodil 25. 10. 1790 v Cloag ve Skotsku.

3. pracovní válec pracovní válec potrubí píst chlazení přeháněč vzduch klika chlazení setrvačník ohřev Stirlingův motor Princip funkce Stirlingova motoru Stirlingův motor je pístový spalovací motor s vnějším spalováním. Má dva pracovní prostory, mezi nimiž může volně proudit plyn. Jeden z prostorů je studený, druhý horký. Toho je docíleno buď přímým ohříváním a chlazením komor nebo vnějším ohřívačem a chladičem. Jako plyn konající práci se dříve používal vzduch. Dnes se kvůli vyšší tepelné vodivosti a menším turbulentním ztrátám používá helium nebo vodík.

4. Stirlingův motor Modifikace Stirlingova motoru Z konstrukčního hlediska existují tři modifikace Stirlingova motoru: α, β a γ. α modifikace Tato modifikace se vyznačuje umístěním chladiče, regenerátoru a ohříváku mezi dvěma válci, horkým a studeným. Toto provedení značně snižuje měrnou hmotnost na jednotku výkonu, a proto je asi nejrozšířenější konstrukční variantou Stirlingových motorů. β modifikace Vyznačuje se tím, že v jednom válci se pohybují oba písty, které se v tomto případě označují jako pracovní, neboť koná práci (studený), a přemísťovací, který u této modifikace slouží pouze pro přemísťování pracovního plynu z prostoru horkého do studeného a naopak.

5. Stirlingův motor Modifikace Stirlingova motoru γ modifikace Tyto motory mají také dva písty, přemísťovací a pracovní, ale každý z nich se pohybuje ve vlastním válci. Tato modifikace se omezuje na modely a velmi malé motory do výkonu v řádech stovek wattů.

6. Stirlingův motor Výhody a nevýhody Stirlingova motoru • Výhody Stirlingova motoru oproti klasickým spalovacím motorům: • díky vnějšímu přívodu tepla lze přímo využít prakticky jakéhokoli paliva (plynné, kapalné a pevné palivo), • lze využít i odpadního tepla z technologických procesů, geotermální energie, solární energie, • vyšší vnitřní tepelná účinnost, • velmi nízká hlučnost, • při správné konstrukci spalovacího systému má motor díky vnějšímu spalování nižší emise škodlivin. • Nevýhody Stirlingova motoru oproti klasickým spalovacím motorům: • vyšší cena z důvodu malé sériovosti, nutnosti použití speciálních materiálů a některých technologií nevhodných pro sériovou výrobu, • pomalejší regulace výkonu, • vyšší měrná hmotnost na jednotku výkonu.

7. Stirlingův motor 3D model Stirlingova motoru Pro vytvoření reálného modelu Stirlingova motoru jsme zvolili γ modifikaci. Tyto motory mají dva písty, přemísťovací a pracovní, každý z nich se pohybuje ve vlastním válci. Model byl vytvořen pomocí programu Autodesk Inventor 2008. Jednotlivé části motoru byly v první fázi navrženy dle různých předloh a zkušeností tvůrců modelů Stirlingova motoru zveřejněných na internetu. Poté byly upravovány do konečné podoby dle problémů, které se vyskytly při montáží a uvedení motoru do provozu. DWF soubor

8. Stirlingův motor Chladič Technický popis návrhu Hlavní válec Setrvačník Klika Stojan Ojnice Základová deska Pracovní píst Pracovní válec

9. Stirlingův motor Řešení vzniklých problémů • Nahříváním horké části válce lihovým kahanem nedochází k rozběhu motoru. • Nejdříve prověřujeme, zda nedochází v systému kanálků k netěsnosti, provádíme kontrolu těsnění hlavního válce a pracovního válce. • Zvyšujeme teplotu horké části válce nahříváním autogenním hořákem. Motor reaguje živěji, ale ani poté nedochází k jeho protočení. • Provádíme pokus s použitím řidšího mazacího oleje, nahradili jsme původní kluzné ložisko dvěma ložisky kuličkovými. • Pro rozběh motoru je nutná příliš vysoká teplota, podle teorie musí motor fungovat i s menším teplotním rozdílem mezi nahřívanou a chlazenou částí hlavního válce.

10. Stirlingův motor Řešení vzniklých problémů Při důkladném pozorování máme dojem, že píst v hlavním válci při pohybu dolů naráží na poměrně vysoký přetlak a nedokáže dolní úvrať překonat. Usuzujeme, že v soustavě motoru je větší objem vzduchu, což se negativně projevuje na činnosti stroje. Uvědomujeme si, že když jsme z technologických důvodů upravili vnitřní rozměr hlavního válce jeho zvětšením, musíme podobný zásah provést i u pracovního válce, tzn. zvětšit jeho objem. I když motor běží, stále dochází k již uvedeným problémům v dolní úvrati. Docházíme k závěru, že by bylo možné uvedené problémy překonat, kdyby setrvačník obsahoval určité protizávaží, které by působilo na píst válce ve vhodném okamžiku.

11. Stirlingův motor Video záznam z funkce motoru

12. Stirlingův motor Závěr Při tvorbě modelu jsme vycházeli z dokumentace a zkušeností tvůrců Stirlingova motoru dostupných na internetu. Podařilo se nám zhotovit funkční model, vytvořit 3D model v programu Autodesk Inventor 2008 včetně animace činnosti motoru. Zhotovili jsme kompletní výkresovou dokumentaci, provedli jsme návrh vhodných materiálů. I když je princip motoru znám téměř dvě století, stává se v dnešní době aktuální. Díky energetickým krizím a hledáním druhotných zdrojů energií se Stirlingův motor dostává do popředí zájmů. Spousta věcí však není doposud vyřešena a týmy odborníků se snaží o praktické využití tohoto vynálezu. Velkou budoucnost má motor při výrobě elektrické energie využitím solární energie. Jeho největší předností je, že při jeho činností nedochází ke znečišťování životního prostředí.

13. Střední škola technická, Opava, Kolofíkovo nábřeží 51, příspěvková organizace Děkuji za pozornost.