Машина линде своими руками
Обновлено: 05.07.2024
Новые двигатели современного автомобилестроения почти достигли своего пика, кажется уже нечего усовершенствовать. Добавление в систему ДВС турбонаддува повышает мощность, но уменьшает ресурс двигателя, оно и понятно, объем двигателя небольшой, а из него выжимают мощь, как у мотора большего объема, но без турбины. Инженеры автоиндустрии начинают перебирать все возможные направления в развитие двигателестроения. Некоторые разрабатывают супертопливо, некоторые ищут нестандартные конструкции силового агрегата, некоторые планируют создать современный двигатель на базе двигателя Роберта Стирлинга, который был создан в 19 веке. Сейчас продаются сувениры ДВС, купить двигатель Стирлинга можно и на алиэкспресс.
Схема работы двигателя Стирлинга
Двигатель Стирлинга — это устройство, которое преобразует внешнюю энергию в полезную механическую. Это достигается за счет изменения температуры жидкости или газа, циркулирующие в замкнутой системе двигателя.
Кто понимает физические законы, тому легко понять принцип работы любого двигателя. Что касается данного силового агрегата, то схема его выглядит следующим образом: внизу устройства устройства находится газ, например, воздух, который нагревается и расширяясь толкает поршень. Затем горячий воздух попадает в верхнюю часть ДВС и охлаждается радиатором. Избыточное давление, которое толкало поршень снижается, и поршень опускается, затем воздух опять нагревается и поднимает поршень. Так повторяются циклы.
Три основных варианта двигателя Стирлинга
Модификация Альфа
Мотор устроен таким образом, что он имеет и горячий цилиндр-поршень, и холодный цилиндр-поршень. Горячий поршень толкается от расширения воздуха, а холодный расположен в системе охлаждения и движется от остывания воздуха.
Модификация Бета
Данная конструкция предполагает, что цилиндр и поршень нагреваются с одной стороны и охлаждаются с другой. Поршень толкает в сторону холодной части, а вытеснитель толкает в сторону горячей. Регенератор перемещает остывший воздух в горячий рабочий объем цилиндра.
Модификация Гамма
Устройство данной модификации состоит из двух цилиндров и поршней. Имеет регенератор циркуляции газа. Один цилиндр горячий с одной стороны и холодный с другой, в нем поршень и вытеснитель. Второй цилиндр полностью холодный, там только поршень.
Плюсы двигателя Стирлинга
Основной плюс такого типа силового агрегата — это то, что может работать на разных видах топлива. На практике было испытано следующее: во внешнюю камеру устройства подавался сначала бензин, потом дизель, потом метан, потом сырая нефть и растительное масло. Все это делалось без остановки двигателя и он продолжал успешно работать.
Также большим плюсом по сравнению с обычными двух тактными или четыерхтактрыми двигателями внутреннего сгорания является то, что двигателю Стирлинга не нужно дополнительное навесное оборудование, такое как газораспределительный механизм, коробка переключения передач, стартер.
Ресурс двигателя Стирлинга — больше 100 тысяч работы без остановки.
Немаловажный плюс — бесшумность работы. Такой двигатель не нуждается в удалении отработанного газа. В нем не может быть детонации двигателя, вибрация практически отсутствует.
Конструкция двигателя Бета
Преимущество для окружающей среды — это двигатель, который не загрязняет экологию, а значит это залог здоровья.
Минусы двигателя Стирлинга
Невозможно в настоящее время массовое применения данного вида двигателя. Для таких агрегатов требуется большие радиаторы охлаждения. Теплообменник должен быть сделать из материалов, устойчивых к высоким температурным воздействиям.
Коэффициент полезного действия
КПД от разности температур в двигателе может достигать около 70%. По циклу Карно на графике КПД выглядит следующим образом.
На практике был установлен 4-х цилиндровый двигатель Стирлинга на автомобиль был установлен вначале 20 века и выдал 35% КПД.
Американская автомобильная компания Mechanical Technology Inc (Меканикал Технолоджи Инкопорейтед) создает двигатели Стирлинга. Их ДВС выдают КПД 43,5%.
Примеры успешного применения двигателей Стирлинга
Процесс Linde - это метод сжижения газа, разработанный в 1895 году Карлом фон Линде для разделения газовых смесей . Это позволяет сжижать газовые смеси, такие как воздух, а также атмосферные газы, такие как кислород , азот и аргон ( инертный газ ) в промышленных количествах. Таким образом , он может служить для охлаждения температуры между 77 и 100 K .
Резюме
Исторический
Хотя изначально он был разработан только для академических целей, этот метод, запатентованный одновременно (в 1895 году) немецким инженером Линде и английским юристом Уильямом Хэмпсоном (1854-1926), нашел свое первое важное промышленное применение уже в 1902 году в качестве ключевого шага. в кислородно-экстракционной установке (LZA), построенной Карлом фон Линде. Этот тип реактора всегда используется для получения жидкого или газообразного кислорода, жидкого азота и инертного газа ; для строго криогенных приложений, с другой стороны, примитивный процесс Линде больше не используется, потому что турбошейперы , составляющие процесс Клода , более эффективны: эти машины не используют эффект Джоуля-Томсона , но обеспечивают снижение как можно более адиабатической температуры за счет поглощения кинетической энергии газа в фазе расширения. Напротив, в примитивном процессе Linde, то есть при изэнтальпическом расширении через сопло, эта энергия не только не используется, но и снижает эффективность из-за трения в пористой стенке. Вот почему, например, с гелием, температура инверсии которого очень низка ( 40 K или −233 ° C ), сначала необходимо снизить температуру газа, чтобы сжижать его с помощью процесса Linde.
С 1970 года атмосферные газы сжижаются путем объединения процессов Линде и Клода: часть газа расширяется в процессе Линде, в то время как изэнтропическое расширение (процесс Клода) остальной части газа обеспечивает механическую работу, полезную для сжатия. с верхнего этажа.
Принцип
Изоэнтальпическое расширение из реального газа в сопле сопровождается изменением его температуры ( Джоуля-Томсона эффект ); но модель идеального газа слишком краткая, чтобы объяснить это явление. Направление этого изменения температуры зависит от начальной температуры газа: если она выше температуры инверсии (т. Е. Температуры, при которой коэффициент Джоуля-Томсона газа меняет знак), газ нагревается за счет расширения (а именно изэнтальпийного расширение , потому что энтальпия сохраняется, если расширение происходит при постоянном давлении), а если оно ниже, газ охлаждается: на этом принципе разработан процесс Linde.
Промышленная эксплуатация
Процесс Linde долгое время использовался только для охлаждения и сжижения атмосферных газов (кислорода, азота, аргона и некоторых других инертных газов ).
Сжижение воздуха
Компрессора , как правило , сжимает воздух до приблизительно 200 бар , что увеличивает температуру газа около 45 ° С : предположим, например, его температура повышается от + 20 ° C до + 65 ° C . Затем сжатый и нагретый воздух охлаждается в теплообменнике до тех пор, пока он не вернется к температуре окружающей среды. Блок сжижения нагревает снаружи. Затем воздух промывается и фильтруется, чтобы избавиться от водяного пара, пыли, углеводородов, веселящего газа и углекислого газа, поскольку присутствие углеводорода или закиси углерода может вызвать детонацию или даже взрыв из дистилляционной колонны . Затем турбина заставляет воздух расширяться, понижая его температуру достаточно близко к точке сжижения (примерно -170 ° C ), чтобы второе расширение вызвало его полное сжижение.
Инженер Френкл заменил рекуператор обратной связи на рекуператор, более простой в обработке и более надежный, чем катушка : это стопка полосатых металлических лент (алюминия), гребни которых образуют угол 45 ° с краями ленты. Это изобретение было запатентовано в 1931 году Linde-Fränkl компанией Linde AG и находилось в коммерческой эксплуатации до 1990 года; с тех пор технология противоточных теплообменников снова утвердилась благодаря включению стадии сушки и промывки путем адсорбции.
Разложение воздуха
Как только воздух сжижается, его можно разделить на его различные компоненты путем фракционной перегонки , используя их различные температуры кипения; но температуры кипения кислорода и азота одинаковы, и поэтому мы прибегаем к дистилляционной колонне : жидкий воздух впрыскивается вниз через ряд теплообменников против потока газообразного воздуха, который конвектируется вверх. . Жидкий воздух забирает кислород из газообразного воздуха и соответственно обогащает его азотом. Эта операция выполняется под давлением примерно 5–6 бар. Таким образом, жидкий воздух обогащается кислородом, а газообразный - азотом.
Сжижение водорода и гелия
Физическая интерпретация
Процесс Линде основан на эффекте Джоуля-Томсона. В идеальном газе размер молекул незначителен: вот почему температура этих газов не зависит от объема, который они занимают; но в реальных газах, напротив, молекулы ограничивают пространство, доступное другим молекулам, что отражено в понятии коволма . Энергия реального газа изменяется при адиабатическом расширении (расширение без теплообмена), не обеспечивая для этого никакой механической работы: это изменение измеряется температурой газа.
Если две камеры соединены между собой, A и B содержат газ первоначально при одинаковой температуре и давлении через пористую стенку , а газ в камере A сжимается путем медленного толкания поршня, поры в стенке, которые предотвращают образование вихри и непрерывно изгибают струи жидкости, поглощают микроскопическую кинетическую энергию частиц, и температура двух камер становится немного разной. Для получения диоксида углерода , понижение температуры 0,75 К до 1 бар вакуум, и воздух около 0,25 K .
Объяснение заключается в том, что в камере А объем изменяется, поршень обеспечивает газу механическую работу . Кожух B принимает поток газа и препятствует работе поршня . Разница энергии преобразуется во внутреннюю энергию U газа. V В п 1 V 1 V_ > п 2 V 2 V_ >
Поскольку энтальпия сохраняется, соответствующая точная дифференциальная форма равна нулю:
Выведем разность температур : d Т
Следовательно, изменение температуры положительно при высоких температурах и меняет знак, когда мы опускаемся ниже температуры , которая является температурой инверсии. Т я знак равно 2 в р б = >>
Для реального газа высокая константа означает, что его температура резко падает при расширении. Фактически, расширение газа при расширении означает среднее расстояние от молекул, расстояние, которое противостоит силам межмолекулярного притяжения, характеризуемым константой . Механическая работа, потребляемая этим взаимодействием, уменьшает микроскопическую кинетическую энергию или молекулярное перемешивание газа и, следовательно, снижает его температуру. в в
Альтернативы
Производство азота и кислорода высокой чистоты сегодня осуществляется более экономичными способами:
Сертификат и скидка на обучение каждому участнику
Описание презентации по отдельным слайдам:
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение городского округа Балашиха "Средняя общеобразовательная школа №26" Балашиха 2018 г. Выполнила ученица 10.1 класса: Герасимова Алиса Александровна Проверила учитель по физике: Елькина Галина Владимировна Презентация на тему: Тепловые двигатели
Тепловые двигатели Теплово́й дви́гатель — тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры.
История создания теплового двигателя 1690 – пароатмосферная машина Д.Папена Который совершал полезную работу за счёт нагревания и конденсации пара. Это был один из первых паровых котлов. Папен изобрел и впервые применил в конструкции парового котла предохранительный клапан. Конструкцию паровой машины (цилиндр и поршень) Дени Папену подсказал Лейбниц.
То́мас Нью́комен 1705 - пароатмосферная машина Т.Ньюкомена для подъема воды из шахты
Николаус Август О́тто 1865 – двигатель внутреннего сгорания К 1863 году был готов первый образец атмосферного газового двигателя с поршнем от авиационного мотора и ручным стартером, работавшим на смеси бензина и воздуха. Двигатель внутреннего сгорания Н.Отто
Карл фон Линде 1871 – холодильная машина В 1870 и 1871 годах Линде опубликовал несколько статей в журнале о баварской промышленности и торговле, в которых он описывал свои исследования в области холодильного оборудования. Статьи заинтересовали пивоварню Guinness, которая, с целью упрощения хранения пива, решилась заказать у Линде ряд холодильных установок. Таким образом появились первые холодильные машины Линде. К 1880 году было продано в общей сложности 747 машин. В 1910 году был получен первый процесс на технологию.
Рудо́льф Кристиа́н Карл Ди́зель 1897 – двигатель внутреннего сгорания 1878 – 1888 гг. Рудольф Дизель работает над созданием двигателя принципиально новой конструкции. В голову ему приходит создание абсорбционного двигателя, работавшего на аммиаке, а в роли топлива должна была выступать специальная пудра, полученная из каменного угля.
Виды тепловых двигателей 1) Двигатель Стирлинга 2) Поршневой двигатель внешнего сгорания 3) Поршневой двигатель внутреннего сгорания 4) Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания 5) Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания 6) Реактивные и ракетные двигатели 7) Твёрдотельные двигатели
Все тепловые двигатели обладают общим свойством — периодичностью действия (цикличностью), в результате чего рабочее тело периодически возвращается в исходное состояние. Принцип действия теплового двигателя рассмотрим на примере поршневого двигателя. Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника.
Рабочее тело (пар или газ) получает некоторое количество теплоты Q1 от нагревателя, у которого за счет сгорания топлива поддерживается постоянная высокая температура T1. Это количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа и совершение им работы A1. В результате газ, расширяясь, переходит из состояния 1 в состояние 2 (линия 1а2), совершая работу A1, равную площади фигуры В1а2С.
Чтобы процесс был циклическим, поршень необходимо вернуть в исходное положение. Если процесс сжатия провести в обратном порядке (линия 2а1), то работы газа и над газом будут одинаковы и суммарная работа будет равна нулю. Поэтому, чтобы работа сжатия A2 была по абсолютному значению меньше работы расширения, нужно, чтобы каждому значению объема при сжатии соответствовало меньшее давление, чем при расширении (линия 2b1). А это возможно осуществить, только если газ перед сжатием охладить. Для этого рабочее тело приводят в контакт с телом меньшей температуры T2
Карл фон Линде – человек, который успел все
Компания Linde, входящая сегодня в концерн Carrier, занимает лидирующее положение в мире по производству холодильного оборудования для предприятий торговли.
Компания контролирует более 40% современного европейского рынка холодильной индустрии. Заводы Linde работают по всему миру: в Германии, Франции, Италии, Великобритании, Греции, Чехии, Бразилии, Тайланде.
Продукция Linde получила признание во всем мире. Ее отличительные характеристики: немецкое качество, надежность и большой срок службы, разнообразие ассортимента (около 200 типов холодильных прилавков, витрин, шкафов всех диапазонов температур, как с подключением к центральной холодильной установке, так и со встроенным холодильным агрегатом), низкое энергопотребление, высокая эргономичность, оптимальная конструкция холодильных прилавков.
История компании интересна и незаурядна. Она была основана в 1879 году в Германии одним из основоположников холодильной техники Карлом фон Линде. Именно этот человек изобрел первый холодильник, положив начало современным технологиям хранения продуктов. В 1873 году он разработал первый агрегат, который стал позднее сердцем современных охлаждающих машин. Одного этого было вполне достаточно для истории. Но Карл фон Линде осуществил, по меньшей мере, три исторически важных проекта. Об этом наш материал.
Добрую Золушку злая мачеха заставляла отделять просо от ячменя. Задача эта хоть и трудная, но выполнимая: необходимы лишь терпение и внимательность. В другой сказке злая ведьма заставляла бедную девушку разделять смешанные жидкости, и разделить их оказалось возможным только с помощью доброй феи. В жизни это делают, используя разницу температур кипения компонентов. Именно так с незапамятных времен производят самогон. Имя того, кто первым научился получать спирт перегонкой, забылось с течением веков. Зато имя человека, который смог использовать этот принцип для разделения других жидкостей, известно хорошо - Карл фон Линде.
11 июня 1842 года в семье немецкого аристократа фон Линде родился третий ребенок. Его назвали Карл. Потом родятся еще шестеро детей. Все они получат хорошее образование. Но блестящее образование - только один. Самый умный и самый способный - Карл.
Образование Карл фон Линде получил в Швейцарии, в самом престижном техническом вузе Европы - Цюрихском политехническом институте. Освоенная им специальность инженера-механика становилась модной, очень перспективной и сулила хороший заработок (Карл был третьим ребенком в семье, и на особое наследство ему рассчитывать не приходилось).
Стремление к прибыли сыграло не последнюю роль в карьере фон Линде. Так, уже, будучи профессором Высшей политехнической школы в Мюнхене, он всерьез занялся теорией не существовавшей тогда еще холодильной отрасли. Стимулами были необходимость кормить жену и шестерых детей, а также. премия, присужденная в 1870 году другому ученому за разработку машины по кристаллизации парафина с помощью охлаждения. Уже в 1873 году Карл фон Линде разработал аппарат, в котором одна порция охлажденного воздуха (эффект Джоуля-Томсона) предварительно охлаждает следующую, которая затем в свою очередь расширяется с уменьшением температуры. Так был разработан первый холодильник - механический, работающий от парового насоса, 10 метров в длину и с низкой производительностью. Но именно машина Линде, усовершенствованная и сильно уменьшенная, стала позднее сердцем домашнего холодильника.
Деньги из воздуха
Казалось бы, создания холодильника вполне достаточно для истории. Но Карл фон Линде запомнился миру совсем другим изобретением. В школе мы изучали эффект Джоуля-Томсона, который дает возможность получать жидкий воздух, состоящий из двух жидких газов - азота и кислорода. Именно эту смесь независимо друг от друга исследовали двое ученых - англичанин Бейли и немец Линде. И в 1895 году они одновременно обнаружили, что жидкий воздух, частично испарившись, обогащается кислородом.
Что сделал англичанин? Защитил диссертацию. Что сделал немец? Наладил производство из воздуха чистого кислорода, свободного от других примесей. Им наполняли кислородные подушки для тяжелобольных. Так была заложена основа главного направления деятельности компании Linde - производства газов для промышленности и медицинской отрасли. Очень скоро компания Linde начала выпускать столько дешевого кислорода, что его можно было использовать не только для дыхания, но и для ускорения физических процессов, например горения.
Попутно выяснилось, что если горючий газ (например, ацетилен) горит в чистом кислороде, то пламя получается значительно более горячим и можно плавить любой металл. Так была изобретена автогенная сварка. Вскоре был найден и способ автогенной резки металлов, без которой невозможно современное самолето- и кораблестроение. Открытие это состоялось только благодаря Линде, который не просто научился дешево получать кислород, но и создал промышленные установки для его производства.
Человек-холодильник и человек-мотор
Разве мало двух эпохальных открытий для того, чтобы быть всемирно известным? Но Карл фон Линде вписал свое имя в историю трижды.
Преуспевающий предприниматель и блестящий ученый, он преподавал курс термодинамики в Мюнхенской высшей политехнической школе. Его лекции о тепловых двигателях - паровых и внутреннего сгорания, только-только появившихся благодаря изобретениям еще одного немца, Николауса Августа Отто, - заинтересовали талантливого студента по имени Рудольф Дизель. Линде заметил молодое дарование и предложил Дизелю должность директора филиала своей фирмы в Париже. Именно здесь Дизель получил возможность вплотную заняться двигателем собственной конструкции.
Сегодня на дизелях работает значительная часть выпускаемых Linde автопогрузчиков - это еще одно отделение корпорации. Правда, основано оно было уже после смерти Карла фон Линде, который, впрочем, прожив 92 года, успел насладиться дивидендами от изобретений, сделанных в молодости.
Читайте также: