Wie erstelle ich einen Coladosen-Stirlingmotor?

Wenn Sie ein paar Getränkedosen und ein paar andere leicht zu findende Zubehörteile haben, können Sie einen der ersten kommerziell brauchbaren Motoren nachbauen, die jemals hergestellt wurden. Obwohl klein, spricht ein Coladosen-Stirlingmotor immer noch zu unserer kollektiven mechanischen Seele, wenn er auf einem Regal schnauft und bröckelt, ein Schwungrad dreht, ein paar Lüfterflügel dreht oder sogar ein paar Watt erzeugt.

Seine Schlichtheit erinnert an eine andere Zeit. Und ob als Proof of Concept, interessantes Modell, Gesprächsstoff oder kinetische Skulptur – die Herstellung eines Getränkedosen-Stirlingmotors ist eine großartige Möglichkeit, in die Vergangenheit einzutauchen.

Der Stirling-Motor war das geistige Kind von Robert Stirling, der das Konzept 1816 erfand. Die Idee hinter seinem Motor war, Luft zum Antreiben eines Motors zu verwenden, und nicht die damals aufstrebende Technologie – Dampf.

Was den Stirling-Motor von anderen unterschied, war die Verwendung eines "Economizers", der den Kraftstoffverbrauch verbesserte. Dies wird jetzt als Regenerator bezeichnet. Zwischen 1816 und 1843 verfeinerten Stirling und sein Bruder James das Design und die Effizienz des Motors. Mitte des 19. Jahrhunderts trieben seine Motoren große Industrien einschließlich Gießereien an. Sein Motor war jedoch, wie auch die meisten Heißluftmotoren, eher für Anwendungen mit geringer Leistung geeignet. Sein Wunsch, eine sicherere Alternative zu den oft explodierenden Dampfmaschinen zu schaffen, wurde durch den Bedarf an mehr Energie für den Betrieb wachsender Industrien zunichte gemacht.

Das erste, was Sie über einen Stirlingmotor wissen sollten, ist, wie die Teile zusammenpassen und wie sie funktionieren.

1. Zubehör für den Bau eines Coladosen-Stirlingmotors
2. Vorbereitungen für den Bau eines Coladosen-Stirlingmotors
3. Zusammenbau eines Coladosen-Stirlingmotors

Nehmen Sie Stirlings Regenerator weg und Sie haben einen Heißluftmotor. Die Funktionsweise eines Heißluftmotors ist einfach. Luft wird zum sogenannten "Arbeitsmedium". Eine Wärmequelle, bei den meisten Sodadosen - Stirlingmotoren , dies ist ein Teelicht, erwärmt die Luft, wodurch sie sich ausdehnt. Die Luft wird dann abgekühlt, wodurch sie sich zusammenzieht. Die Expansion und Kontraktion der Luft oder des Arbeitsmediums ist ein thermodynamischer Kreislauf. Verwenden Sie nun diesen thermodynamischen Zyklus, um einen Kolben zu bewegen, und Sie haben dem thermodynamischen Zyklus effektiv erlaubt, nützliche mechanische Arbeit zu produzieren. Wenn Sie eine Kurbelwelle am Kolben anbringen und ein Schwungrad hinzufügen, haben Sie die Grundlagen eines Motors.

Schaffen Sie es, einen Stirlingmotor zu bauen, und Sie werden mehr als nur ein paar Lektionen über selbstgebraute Technik lernen. Vor allem macht das Bauen eine Menge Spaß und gibt Ihnen die Möglichkeit, mit dem, was die meisten Leute für Müll halten, kreativ zu werden. Und zu sehen, wie es funktioniert, bringt es auf eine ganz neue Ebene.

Klingt einfach? Das ist es, aber es dauert noch eine Weile, bis der Motor gebaut ist. Sie benötigen mehr Komponenten, ein paar Materialien und ein Verständnis dafür, wie sie alle zusammenpassen, bevor Ihr Motor vor sich hin schnauft.

Hier ist, was Sie brauchen:

Lassen Sie uns einen Rundgang durch die Komponenten machen, die Sie konstruieren werden, sehen Sie, wie sie funktionieren, was sie tun und wie alles zusammenpasst.

Stirlings Geschichte

Robert Stirling war nicht der erste, der einen Luftmotor versuchte, aber er war der erste, der ein brauchbares kommerzielles Produkt entwickelte, und sein Motordesign wurde 1818 zum Antrieb einer Wasserpumpe in einem Steinbruch eingesetzt.

„Man muss wie ein Uhrmacher denken“, sagt Jim Larsen, ein langjähriger Stirlingmotorenbauer, Autor und Pädagoge. „Man muss auf die Details achten. Wer auf die Details achtet, hat bessere Erfolgschancen.“

Die Hauptkomponenten eines Stirlingmotors sind relativ einfach und unkompliziert. Während wir uns auf einen Getränkedosenmotor konzentrieren, wurden Motoren aus Materialien gebaut, die von Farbdosen bis hin zu Ölfässern reichen. Larsen sagte während einer Thanksgiving-Herausforderung, als er Schwiegereltern besuchte, er baute einen Stirlingmotor aus verschiedenen Baumarktmaterialien, einschließlich Töpfen und Pfannen.

Aluminium -Getränkedosen bieten fertige, vorgeformte Formen, die perfekt für die Motoren geeignet sind. Sie sind auch einfach zu verarbeiten und natürlich sehr billig. Und obwohl sie für den ernsthaften Einsatz nicht robust genug sind, halten sie den Mikro-Pferdestärken stand, die von den meisten Motorplänen erzeugt werden.

Die Druckkammer ist ein Behälter, der die eingeschlossene Luft oder das Arbeitsfluid innerhalb des geschlossenen Systems hält. Hier wird die Luft während des thermodynamischen Kreislaufs erwärmt und gekühlt. Während Luft- und Drucklecks der Fluch vieler Motoren sein können, benötigt die Druckkammer tatsächlich ein kleines kontrolliertes Leck. Ohne dieses Leck würde die Kammer einfach zu einem Barometer werden und nur auf Änderungen des barometrischen Drucks der Luft um sie herum reagieren.

Laut Larsen entscheiden sich viele Stirlingbauer dafür, das Arbeitsmedium in der Druckkammer von Luft auf Helium umzustellen, das während des thermodynamischen Zyklus besser reagiert.

Der Antriebsmechanismus nutzt die Expansion und Kontraktion der Luft innerhalb der Druckkammer, um eine Kurbelwelle anzutreiben. Der Antriebsmechanismus kann entweder seitlich am Motor angebracht oder in die Struktur des Motors integriert werden.

Für Larsen ist die Kurbelwelle der kritischste Teil des Motors und beeinflusst jeden Teil des Ganzen, vom Timing über den Hub des Verdrängers bis hin zur Drehzahl des Schwungrads und der Balance des Ganzen. „Dies ist ein Teil, für den Sie Zeit aufwenden möchten, um es richtig zu machen“, sagte Larsen.

Das Schwungrad dient nicht nur als Hinweis darauf, dass der Motor funktioniert. Es fungiert als eine Art Energiespeicher. Ein gut ausbalanciertes Schwungrad nimmt die beim Krafthub des Motors entstehende Energie auf und speichert sie. Wenn Energie benötigt wird, um den Verdränger nach unten zu drücken, stellt das Schwungrad seine gespeicherte Energie bereit, um Reibung und andere Kräfte zu überwinden. Ohne ein gutes Schwungrad würde der Verdränger einfach auf die Oberseite der Kammer steigen und dort bleiben.

Larsen sagte, ein gut ausbalanciertes Schwungrad sei der Schlüssel zur Effizienz. Wenn das Rad nicht ausgewuchtet ist, muss der Motor härter arbeiten, um es zu bewegen. "Sie wollen nicht, dass der Motor mehr Arbeit macht, als er muss", sagte er.

Der Verdränger in einem Heißluftmotor dient dazu, die Luft innerhalb der Druckkammer zu verdrängen. Denken Sie daran, dass der Motor nicht ohne den thermodynamischen Zyklus laufen kann, in dem Luft erwärmt und abgekühlt wird, was zu Ausdehnung und Kontraktion führt. Wenn die Druckkammer einfach erhitzt würde, ohne dass irgendetwas darin die Luft verdrängt, würde sich die Luft darin erwärmen und ausdehnen, aber niemals zusammenziehen.

Mit der Wärmequelle unten nutzt der Heißluftmotor auch die Kühlung oben, normalerweise Eis oder kaltes Wasser, um die Luft zu kühlen. Wenn die Luft erwärmt wird, dehnt sie sich aus und bewegt den Verdränger in die Nähe der Oberseite der Druckkammer. Oben in der Kammer wird die Luft gekühlt, zieht sich zusammen und bewegt den Verdränger nach unten. Dies alles geschieht mit Hilfe von Antriebsmechanismus, Kurbelwelle und Schwungrad.

Der Verdränger ist meistens ein gerolltes Stück Stahlwolle mit einem dünnen Draht, der durch die Mitte läuft. Erinnern Sie sich, als Larsen darüber sprach, wie ein Uhrmacher denken zu müssen? Dies ist eine dieser Zeiten. Der Verdränger muss in der Druckkammer frei gleiten können und gleichzeitig den größten Teil ausfüllen. Es muss den freien Luftstrom ermöglichen, während ein Teil des Luftstroms eingeschränkt wird. Die Idee ist, die Reibung zu minimieren und die Effektivität zu maximieren. Dieses Thema zieht sich durch die gesamte Konstruktion des Motors.

Die Wärmebox ist einfach ein Ständer, auf dem der Motor sitzt. Die Wärmequelle ist unterhalb des Motors angeordnet.

Das scheint viel Arbeit für wenig Rendite zu sein. Aber es gibt ein greifbares Gefühl, wenn Sie den Motor fertigstellen, die Arbeiten beheben, um ihn zum Laufen zu bringen, und sehen, wie er von selbst schnauft. Für Larsen begann seine Faszination vor mehr als einem halben Jahrzehnt, während Ihre bereits in wenigen Tagen beginnen könnte.

Video

Um einen Getränkedosen-Stirlingmotor in Aktion zu sehen, sehen Sie sich dieses Video und einige andere online an.

Quellen