Als je een paar frisdrankblikjes en een paar andere gemakkelijk te vinden accessoires hebt, kun je een van de eerste commercieel levensvatbare motoren die ooit zijn gemaakt, opnieuw maken. Hoewel klein van formaat, spreekt een colablikje-stirlingmotor nog steeds tot onze collectieve mechanische ziel als hij op een plank puft en wegbrokken, een vliegwiel laat draaien, een paar ventilatorbladen laat draaien of zelfs een paar watt genereert.
Zijn eenvoud roept een andere tijd op. En of het nu wordt beschouwd als een proof of concept, een interessant model, een conversatiestuk of een stuk kinetische sculptuur, het maken van een frisdrankblikje Stirlingmotor is een geweldige manier om in het verleden te stappen.
De Stirlingmotor was het geesteskind van Robert Stirling, die het concept in 1816 uitvond. Het idee achter zijn motor was om lucht te gebruiken om een motor aan te drijven, in plaats van de opkomende technologie van die tijd - stoom.
Wat de motor van Stirling onderscheidde van andere was het gebruik van een "economizer", die het brandstofverbruik verbeterde. Dit staat nu bekend als een regenerator. Tussen 1816 en 1843 verfijnden Stirling en zijn broer James het ontwerp en de efficiëntie van de motor. Tegen het midden van de 19e eeuw dreven zijn motoren grote industrieën aan, waaronder gieterijen. Zijn motor was echter, net als de meeste heteluchtmotoren, meer geschikt voor toepassingen met een laag vermogen. Zijn wens om een veiliger alternatief te creëren voor de vaak exploderende stoommachines werd tenietgedaan door de behoefte aan meer vermogen om groeiende industrieën te laten draaien.
Het eerste dat u moet weten over een Stirlingmotor, is hoe de onderdelen in elkaar passen en hoe ze werken.
Inhoud
Haal de regenerator van Stirling weg en je hebt een heteluchtmotor. Hoe een heteluchtmotor werkt, is eenvoudig. Lucht wordt wat de 'werkvloeistof' wordt genoemd. Een warmtebron, in het geval van de meeste soda can Stirling motoren, dit is een waxinelichtje, verwarmt de lucht waardoor deze uitzet. De lucht wordt dan afgekoeld, waardoor deze samentrekt. De uitzetting en samentrekking van de lucht, of werkvloeistof, is een thermodynamische cyclus. Gebruik nu deze thermodynamische cyclus om een zuiger te bewegen en je hebt effectief toegestaan dat de thermodynamische cyclus nuttig mechanisch werk produceert. Als je een krukas aan de zuiger bevestigt en een vliegwiel toevoegt, heb je de basis van een motor.
Als je één Stirling-motor bouwt, leer je meer dan een paar lessen over thuisbrouwtechniek. Bovenal is het bouwen ervan erg leuk en krijg je de kans om creatief aan de slag te gaan met wat de meeste mensen als rommel beschouwen. En als je ziet dat het werkt, wordt het naar een heel nieuw niveau getild.
Klinkt simpel? Dat is het ook, maar het duurt nog even voordat de motor gebouwd is. Je hebt meer componenten nodig, een paar materialen en inzicht in hoe ze allemaal in elkaar passen voordat je motor begint te prutsen.
Dit heb je nodig:
Laten we een rondleiding volgen langs de componenten die u gaat bouwen, zien hoe ze werken, wat ze doen en hoe het allemaal in elkaar past.
Geschiedenis van StirlingRobert Stirling was niet de eerste die een luchtmotor probeerde, maar hij was de eerste die een levensvatbaar commercieel product creëerde, en zijn motorontwerp werd in 1818 in gebruik genomen om een waterpomp in een steengroeve aan te drijven.
"Je moet denken als een horlogemaker", zegt Jim Larsen, een oude Stirling-motorbouwer, auteur en docent. "Je moet op de details letten. Als je op de details let, heb je meer kans van slagen."
De belangrijkste onderdelen van een Stirlingmotor zijn relatief eenvoudig en duidelijk. Terwijl we ons concentreren op een frisdrankblikjesmotor, zijn motoren gebouwd met materialen variërend van verfblikken tot olievaten. Larsen zei tijdens een Thanksgiving-uitdaging terwijl hij zijn schoonouders bezocht, hij bouwde een Stirling-motor van diverse bouwmaterialen, waaronder potten en pannen.
Aluminium frisdrankblikjes bieden kant-en-klare, voorgevormde vormen die perfect zijn voor de motoren. Ze zijn ook gemakkelijk om mee te werken en natuurlijk erg goedkoop. En hoewel ze niet robuust genoeg zijn voor serieus gebruik, zijn ze bestand tegen de micro-pk's die door de meeste motorplannen worden geproduceerd.
De drukkamer is een vat dat de lucht of werkvloeistof in het gesloten systeem vasthoudt. Hier wordt de lucht verwarmd en gekoeld tijdens de thermodynamische cyclus. Hoewel lucht- en druklekken de vloek van veel motoren kunnen zijn, heeft de drukkamer eigenlijk een klein gecontroleerd lek nodig. Zonder dit lek zou de kamer gewoon een barometer worden en alleen reageren op veranderingen in de luchtdruk van de lucht eromheen.
Larsen zei dat veel Stirling-bouwers ervoor kiezen om de werkvloeistof in de drukkamer te veranderen van lucht in helium, dat beter reageert tijdens de thermodynamische cyclus.
Het aandrijfmechanisme gebruikt de uitzetting en samentrekking van de lucht in de drukkamer om een krukas aan te drijven. Het aandrijfmechanisme kan aan de zijkant van de motor worden bevestigd of in de structuur van de motor worden geïntegreerd.
Voor Larsen, de krukas is het meest kritische onderdeel van de motor en beïnvloedt elk onderdeel van het geheel, van timing tot verplaatsing van de verdringer, tot de snelheid van het vliegwiel en de balans van het geheel. "Dit is een onderdeel waar je tijd aan wilt besteden om het goed te krijgen," zei Larsen.
Het vliegwiel dient als meer dan een indicatie dat de motor werkt. Het fungeert als een soort energieopslagapparaat. Een goed uitgebalanceerd vliegwiel neemt de energie op die ontstaat tijdens de arbeidsslag van de motor en slaat deze op. Wanneer energie nodig is om de verdringer naar beneden te duwen, levert het vliegwiel de opgeslagen energie om wrijving en andere krachten te overwinnen. Zonder een goed vliegwiel zou de verdringer gewoon naar de top van de kamer stijgen en daar blijven.
Larsen zei dat het hebben van een goed uitgebalanceerd vliegwiel de sleutel is tot efficiëntie. Als het wiel niet in balans is, moet de motor harder werken om het te verplaatsen. "Je wilt niet dat de motor meer werk doet dan nodig is", zei hij.
De verdringer in een heteluchtmotor dient om de lucht in de drukkamer te verplaatsen. Onthoud dat de motor niet kan draaien zonder de thermodynamische cyclus waarbij lucht wordt verwarmd en gekoeld, waardoor uitzetting en krimp ontstaat. Als de drukkamer gewoon verwarmd zou worden, zonder iets erin om de lucht te verdringen, zou de lucht binnenin opwarmen en uitzetten, maar nooit samentrekken.
Met de warmtebron aan de onderkant, gebruikt de heteluchtmotor ook koeling aan de bovenkant, meestal ijs of koud water, om de lucht te koelen. Als de lucht wordt verwarmd, zet deze uit en beweegt de verdringer naar de bovenkant van de drukkamer. Boven in de kamer wordt de lucht gekoeld, samengetrokken en de verdringer naar beneden verplaatst. Dit gebeurt allemaal met behulp van het aandrijfmechanisme, de krukas en het vliegwiel.
De verdringer is meestal een opgerold stuk staalwol met een lichte draad die door het midden loopt. Weet je nog dat Larsen sprak over denken als een horlogemaker? Dit is een van die momenten. De verdringer moet vrij in de drukkamer kunnen schuiven en tegelijkertijd het grootste deel ervan vullen. Het moet de vrije luchtstroom mogelijk maken, terwijl een deel van de stroom wordt beperkt. Het idee is om wrijving te minimaliseren en de effectiviteit te maximaliseren. Dit thema is een constante tijdens de constructie van de motor.
De warmtebox is gewoon een standaard waarop de motor zit. De warmtebron is onder de motor geplaatst.
Dit lijkt veel werk voor niet veel rendement. Maar er is een tastbaar gevoel wanneer je de motor afmaakt, problemen oplost om hem aan de gang te krijgen en hem vanzelf ziet puffen. Voor Larsen begon zijn fascinatie meer dan een half decennium geleden, terwijl die van jou over een paar dagen zou kunnen beginnen.
VideoBekijk deze video en verschillende andere online om een frisdrankblikje Stirling-motor in actie te zien.
Bronnen
