Nepotřebujete dílnu. Budete potřebovat tři prázdné plechovky od sody a trochu trpělivosti. To je vše.
Tento projekt obnovuje jeden z prvních komerčně životaschopných alternativních spalovacích motorů: Stirlingův motor. Nejde jen o trik na školní výstavu. Je to kinetická socha, která frčí a bouchá na váš stůl. Otočí setrvačník. A pokud budete mít štěstí, dokáže vyrobit i několik wattů elektřiny.
Ale hlavní je důkaz konceptu. Robert Stirling jej vyvinul v roce 1816. Chtěl nahradit páru vzduchem. Pára byla nebezpečná. Vybuchl. Kotle pravidelně vybuchovaly. Stirlingův motor, který běžel na horký vzduch, byl bezpečnější. Použil „ekonomizér“, nyní nazývaný regenerátor, k udržení tepla a zlepšení účinnosti paliva. Jeho bratr James pomohl zlepšit design. V polovině 19. století již tyto motory poháněly slévárny.
Jejich síla však nestačila nahradit páru v těžkém průmyslu. Průmyslová revoluce vyžadovala obrovský točivý moment. Poskytl to Steam. Stirlingův motor poskytoval eleganci. Dnes to dává nostalgii.
Proč stavět Stirlingův motor z plechovky od coly?
Stavba Stirlingova motoru z plechovky od koly učí termodynamiku způsobem, který učebnice neumí. Sledujete, jak se pracovní tekutina rozpíná. Vidíš, jak se to zmenšuje. Cítíte, jak se mechanická práce dělá.
Princip je jednoduchý. Zdroj tepla, obvykle svíčková peleta, ohřívá vzduch uvnitř sklenice. Vzduch se rozpíná. Tlačí na píst. Vzduch proudí do chladnější části. Stáhne se. Píst se vrací. Připevněte kliku. Přidejte setrvačník. Máš motor.
Většina z toho, co postavíte, bude pro běžného člověka „nezdravé“. Víčka z plastových lahví. Staré CD. Balónová guma. Společně ale vytvářejí pohyb. Toto je DIY inženýrství. To je kreativní přístup. A funguje to.
Seznam dílů pro domácí Stirlingův motor
Budete potřebovat určité materiály. Nesnažte se příliš improvizovat. Důležitá je zde přesnost.
- Tři (3) hliníkové plechovky od sody
- Jedna (1) latexová vzduchová pneumatika (nebo balón)
*Dva (2) paprskové náboje - Čtyři (4) 5A svorkovnice
- Ocelová vlna
- Jedno (1) plastové víčko na láhev
- Ocelový drát
- Měděný drát
- Dřevěná tyč (hmoždinka)
- Elektrický drát
- Rybářský vlasec
- Tři (3) kompaktní disky (CD)
- Otvírák na konzervy
- Kancelářský nůž
- Super lepidlo
Mechanika horkovzdušného motoru
Jak přesně se pohybuje?
Vzduch uvnitř se stává pracovní tekutinou. Když svíčka zahřeje spodní nádobu, molekuly vzduchu se zrychlí. Vytlačují se směrem ven. Tento tlak pohání píst. Píst je spojen s klikou. Klika otáčí setrvačníkem. Setrvačník si zachovává hybnost prostřednictvím svých rotačních mrtvých bodů.
Vzduch pak proudí do horní komory. Horní komora je chladnější. Vzduch ztrácí teplo. Stáhne se. Podtlak táhne píst zpět dolů. Cyklus se opakuje.
Jedná se o termodynamický cyklus. Žádné spalování uvnitř válce. Žádné jiskry. Pouze přenos tepla.
“Stirlingova touha vytvořit bezpečnější alternativu k páře byla překonána potřebou většího výkonu.”
Začínáme: Přípravné kroky
Před řezáním hliníku je třeba se připravit.
Stirling nebyl první, kdo se pokusil vytvořit vzduchový motor. Ale on byl první, kdo to udělal životaschopným. Jeho návrh z roku 1818 poháněl vodní čerpadlo ve skotském lomu. Toto je standard. Snažíte se o takovou spolehlivost.
Vaším prvním krokem je shromažďování materiálů. Rozložte je. Zkontrolujte, zda nedošlo k poškození. Ujistěte se, že jsou vaše plechovky od sody prázdné a čisté. Odstraňte všechny štítky. Zbytky lepidla kazí těsnění.
Dále připravte balónek. Později jej budete muset oříznout do konkrétního tvaru. Mějte po ruce praktický nůž. Ostré nože dělají čisté řezy. Tupé čepele trhají gumu.
Pak se podívejte na CD. Ty budou tvořit základ nebo pouzdro setrvačníku. Musí být čisté a bez škrábanců.
Nakonec zkontrolujte drát. Měď pro vodivost. Ocel pro pevnost. Vedení pro spojení s nízkým třením. Každý materiál má svůj vlastní úkol. Nepleťte si je.
Montáž začíná válcem. Plechovka na sodovku poskytuje těsnění. Ale plechovka sama o sobě motor nedělá. Potřebujete písty. Potřebujete těsnění. Potřebujete způsob, jak převést lineární pohyb na točivý moment.
Zde se hodí paprskové náboje. Fungují jako ložiska. Klíčem je plynulé otáčení. Tření tyto motory zabíjí. Pokud se píst zasekne, cyklus se zastaví. Musíte zajistit, aby se každá pohyblivá část volně otáčela.
Začněte označením plechovek. Dvakrát měřte. Řez jednou. Hliník se snadno rozbije. Pomalu.
Anatomie plechovkového motoru
Larsenova filozofie je směšně jednoduchá, pokud se jí neřídíte. Myslete jako hodinář. Přesnost zde není jen doporučení; to je rozdíl mezi rotačkou a hloubkou papíru.
Většina mechaniků se domnívá, že Stirlingův motor je složitý. To je špatně. Hlavní komponenty jsou jednoduché. Můžete jej sestavit z olejových sudů. Můžete ho postavit z plechovek od barev. Larsen sám sestavil jeden z nejrůznějších hrnců a pánví, když uvízl v domě svého tchána na Den díkůvzdání. Vysloužil si to.
Ale pro motor na výrobu sody je hliník králem. Je to levné. Už má požadovaný tvar. Snadno se stříhá. Na závodní dráze to evidentně nevydrží. Nevydrží velké zatížení. Velmi dobře ale zvládá mikrowatty DIY termodynamického cyklu.
Těsnění
Tlaková komora je místo, kde se děje kouzlo. Nebo utrpení. Udržuje pracovní tekutinu – obvykle vzduch – v uzavřeném systému. Vzduch se zahřívá. Ochlazuje se. Rozšiřuje se. Stáhne se.
Úniky jsou nepřítel. Každý chce dokonalé těsnění. Larsen nesouhlasí. To, co opravdu chcete, je malý, kontrolovaný únik. Bez něj se z fotoaparátu stane barometr. Jednoduše reaguje na změny okolního atmosférického tlaku. Nedělá žádnou užitečnou práci. Malá netěsnost odděluje vnitřní tlak od vnějšího světa a umožňuje fungování cyklu.
Někteří nadšenci nahrazují vzduch heliem. Lépe reaguje během termodynamického cyklu. Více efektivity. Více síly. Ale vzduch je zdarma. Helium – ne. Začněte vzduchem.
Tlukot srdce
Pohonný mechanismus přeměňuje expanzi a kontrakci na pohyb. Obvykle se montuje na stranu, ale lze jej integrovat do konstrukce motoru. Pohání klikový hřídel.
Larsen nazývá klikovou hřídel nejdůležitější částí celé sestavy. Všechno diktuje. Čas. Zdvih přestavníku. Rychlost setrvačníku. Váhy. Pokud se zde spletete, zničíte celý motor. Věnujte tomu čas. Udělejte to správně. Toto není díl, na jehož výrobu byste měli spěchat.
Setrvačnost a tření
Setrvačník není jen dekorace. Toto je zařízení pro ukládání energie. Když je spuštěn silový zdvih, setrvačník tuto energii absorbuje. Když motor potřebuje zatlačit přetlačovač zpět dolů proti tření a odporu, setrvačník tuto energii vrátí.
Vyvážený setrvačník není na diskuzi. Pokud je nevyvážený, motor musí pracovat více. Nepotřebujete práci navíc. Potřebujete efektivitu. Nevyvážené kolo znamená, že přemísťovač dosáhne horní části komory a zůstane tam. Mrtvá zastávka.
Termodynamický tanec
Vytlačovač pohybuje vzduchem. Nevytváří moc. Jednoduše přesouvá vzduch z horké zóny do studené zóny.
Tady je cyklus. Zdroj tepla dole. Zdroj chlazení je shora – většinou funguje led nebo studená voda. Vzduch se zahřívá. Rozšiřuje se. Posunovač se pohybuje nahoru. Nahoře se vzduch dotýká studeného povrchu. Ochlazuje se. Stáhne se. Posunovač se pohybuje směrem dolů.
Opakovat.
To se neděje automaticky. Ke koordinaci pohybu potřebujete hnací mechanismus, klikový hřídel a setrvačník.
Vytlačovač je obvykle válcovaný kus ocelové vlny s lehkým drátem provlečeným středem. Opět platí hodinářská logika. Mělo by to volně klouzat. Měl by zaplnit většinu komory. Měla by umožnit proudění vzduchu, ale omezit ho jen natolik, aby byla účinná. Minimalizujte tření. Maximalizujte efektivitu. Toto je opakující se téma. Každý detail se snaží o efektivitu.
Termální box
Termobox je stojan. Je to jednoduché. Drží motor nad zdrojem tepla.
Zdá se, že je to hodně úsilí pro velmi malý výsledek. Když dokončíte stavbu, je hmatatelný pocit zadostiučinění. Opravíte netěsnosti. Vyvažujete kolo. Zapálíš sirku. Sledujete, jak kouří a funguje samostatně.
Larsenova vášeň začala před pěti lety. Ten váš může začít ještě dnes.
Podívejte se na to v akci
Pokud jste stále skeptičtí, podívejte se na video. Sodovka se točí na ničem jiném než na plameni svíčky. Není to magie. To je termodynamika.
Více o tepelných motorech
- Jak fungují Stirlingovy motory
- Jak fungují motory automobilů?
- Jak fungují dieselové motory
- Jak fungují dvoudobé motory
- Jak fungují motory s horkými lampami
Zdroje
- Brown, Buster. “Jak fungují horkovzdušné motory.” Horkovzdušné motory. (29. února 2012) http://www.hotairengines.com/WorkingDescription/Work.htm
- redaktoři časopisu Make; “To nejlepší z výroby.” O’Reilly Media, Inc. 2007. Pp. 306-317.
- Larsene, Jime. StirlingBuilder.com. (29. února 2012) http://www.stirlingbuilder.com/
- Larsene, Jime. Osobní pohovor. 2. března 2012
- Larsene, Jime. “Jedenáct produktů Stirlingova motoru, které můžete sestavit.” Vlastní vydání, leden 2012 (29. února 2012)
- Larsene, Jime. “Rychlý a lehký Stirlingův motor.” Vlastní vydání. září 2011 (29. února 2012)
- Pěkné, Karime. “Jak fungují Stirlingovy motory.” HowStuffWorks.com. 4. května 2001 (29. února 2012) https://www.howstuffworks.com/stirling-engine.htm
- Purvisi, Bene. “Dean Kamen vyvíjí ekohybrid, který poběží na všem, co hoří.” Gizmag.com, 28. června 2009 (1. března 2012) http://www.gizmag.com/dean-kamen-segway-hybrid-scooter/12096/
