Научная работа учащихся по физике на тему "Тепловые явления" 8 класс

Министерство  образования и науки  Республики Бурятия

МАОУ   ФМШ  №56  г.Улан-Удэ

Научно-практическая конференция школьников

 «Шаг в будущее»

Исследование и применение двигателя Стирлинга для электростанции на гейзере.

Выполнил:

Серпионов Иван, 8 класс

МАОУ ФМШ №56

Научный руководитель:

Михаэлис А.В.- учитель физики МАОУ ФМШ №56

г.Улан-Удэ

2019г.

Оглавление

Введение…………………………………………….….………………………..1

1. Объект исследования ………………………….….……………………..…..2

1.1. Предмет исследования………………………………………………2

1.2.Цели работы…………….……..….………….……………...............2

1.3. Задачи ………………….……………….…..………...……...............2

2. Как работает двигатель Стирлинга?

2.1. Принцип работы двигателя…………..…………………….……….3

2.2. Цикл работы двигателя………………………….……………..……3

2.3. Гейзеры……………………..………………………………………..5

3. Электростанция на гейзере.

3.1. Моя альтернатива……………………………………………………5

3.2.Расчет мощности электростанции…………………….....…………6

Заключение …………………………………………………………………......6

Список литературы…………………………………………………………......7

Введение

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.

1.    Объект исследования.

Тепловые и электрические явления.

1.1 Предмет исследования.

Использование двигателя Стирлинга при конструировании электростанции на гейзере.

1.2 Цели работы.

1 Изучить историю изобретения и применение двигателей Стирлинга

2 Ознакомиться с устройством и физическими основами работы

3 Придумать альтернативы, использования двигателя Стирлинга

1.3 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.

2.    Как работает двигатель Стирлинга?

2.1 Принцип работы.

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

·                      

2.2 Цикл работы двигателя.

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.

2.3 Гейзеры.

·         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.

3. Электростанция на гейзере.

3.1. Моя альтернатива.

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 t_ср.г.=6°C

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

Q=cmΔt

где с=4200 , m=8*10⁵кг, Δt =t_г-t_ср.г.

Q_в=546 кДж

 Рассчитаем работу, которую может совершить двигатель Стирлинга, получив тепло от гейзера, с КПД =25%(взято из  Графика КПД идеального двигателя Стирлинга)

A_полезн=

Таким образом полезная работа, совершенная двигателем Стирлинга будет равна: А_полезн = 1041*10¹¹Дж.

КПД генератора электрического тока  =80%. Отсюда

w_эл=,

где А_полезн – работа двигателя Стирлинга,  – КПД двигателя Стирлинга.

Получаем W_эл = 832,8Дж*10¹¹.

Посчитаем сколько энергии будет вырабатываться за одно извержение гейзера. Среднее время извержение гейзера t_из=45мин или 2700с

Тогда электрическую мощность электростанции можно найти.

P=

Получаем что мощность электростанции P≈30ГВт

Заключение.

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.

Список литературы.

1.     В.М.Бродянский - Вечный двигатель - прежде и теперь. От утопии - к науке, от науки - к утопии. 260 стр.

2.     Долина гейзеров на Камчатке. http://kamchatkaland.ru/note/dolina-gejzerov

3.     Как образуются гейзеры. https://awesomeworld.ru/prirodnye-yavleniya/geyzeryi.html

4.     Таблица КПД двигателя Стирлинга. https://domolov.ru/tablica-kpd-dvigatelya-stirlinga.html

5.     Г. Ридер, Ч Хупер Двигатели Стирлинга. 1986 г., 453 стр.