Sie brauchen keine Maschinenwerkstatt. Sie benötigen drei leere Getränkedosen und etwas Geduld. Das ist es.
Dieses Projekt stellt eine der ersten kommerziell nutzbaren Verbrennungsalternativen nach: den Stirlingmotor. Es ist nicht nur ein wissenschaftlich fairer Trick. Es ist eine kinetische Skulptur, die auf Ihrem Schreibtisch klappert und klackert. Es dreht ein Schwungrad. Wenn Sie Glück haben, erzeugt es sogar ein paar Watt Strom.
Aber meistens beweist es einen Punkt. Robert Stirling entwarf dies im Jahr 1816. Er wollte Dampf durch Luft ersetzen. Dampf war gefährlich. Es explodierte. Regelmäßig explodierten Kessel. Der Heißluftmotor von Stirling war sicherer. Es nutzte einen „Economizer“, heute Regenerator genannt, um Wärme einzufangen und die Kraftstoffeffizienz zu steigern. Sein Bruder James half bei der Verfeinerung des Designs. Mitte des 19. Jahrhunderts liefen diese Motoren in Gießereien.
Sie waren jedoch nicht leistungsstark genug, um Dampf in der Schwerindustrie zu ersetzen. Die industrielle Revolution erforderte rohes Drehmoment. Dampf geliefert. Der Stirlingmotor sorgte für Eleganz. Heute weckt es Nostalgie.
Warum einen Stirlingmotor für Cola-Dosen bauen?
Der Bau eines Cola-Dosen-Stirlingmotors vermittelt Ihnen Thermodynamik auf eine Art und Weise, wie es in Lehrbüchern nicht möglich ist. Sie beobachten, wie sich die Arbeitsflüssigkeit ausdehnt. Sie sehen, wie es sich zusammenzieht. Sie spüren, wie die mechanische Arbeit verrichtet wird.
Das Prinzip ist einfach. Eine Wärmequelle, meist ein Teelicht, erwärmt die Luft im Inneren der Dose. Die Luft dehnt sich aus. Es drückt einen Kolben. Die Luft bewegt sich in einen kühleren Bereich. Es zieht sich zusammen. Der Kolben bewegt sich zurück. Befestigen Sie eine Kurbelwelle. Fügen Sie ein Schwungrad hinzu. Du hast einen Motor.
Das meiste, was Sie bauen, wird für den Durchschnittsmenschen „Schrott“ sein. Plastikflaschenverschlüsse. Alte CDs. Ballongummi. Aber zusammen erzeugen sie Bewegung. Es ist hausgemachte Technik. Es ist kreativ. Und es funktioniert.
Teileliste für DIY-Stirlingmotor
Sie benötigen bestimmte Materialien. Improvisieren Sie nicht zu viel. Hier kommt es auf Präzision an.
- Drei (3) Getränkedosen aus Aluminium
- Ein (1) Latexballon
- Zwei (2) Speichennippel
- Vier (4) elektrische 5A-Klemmenblöcke
- Stahlwolle
- Ein (1) Plastikflaschenverschluss
- Stahldraht
- Kupferdraht
- Dübelstange
- Elektrischer Draht
- Angelschnur
- Drei (3) Compact Discs (CDs)
- Dosenöffner
- Allzweckmesser
- Sekundenkleber
Die Mechanik eines Heißluftmotors
Wie bewegt es sich eigentlich?
Die Luft im Inneren wird zum Arbeitsmedium. Wenn die Kerze den Boden der Dose erhitzt, beschleunigen sich die Luftmoleküle. Sie drängen nach außen. Dieser Druck treibt den Kolben an. Der Kolben ist mit einer Kurbelwelle verbunden. Die Kurbelwelle dreht das Schwungrad. Das Schwungrad transportiert den Impuls durch die „Totpunkte“ in der Rotation.
Die Luft bewegt sich dann in die obere Kammer. Die obere Kammer ist kühler. Die Luft verliert Wärme. Es zieht sich zusammen. Das Vakuum zieht den Kolben wieder nach unten. Der Zyklus wiederholt sich.
Es ist eine thermodynamische Schleife. Keine Verbrennung im Zylinder. Keine Funken. Nur Wärmeübertragung.
„Stirlings Wunsch, eine sicherere Alternative zum Dampf zu schaffen, wurde durch den Bedarf an mehr Leistung zunichte gemacht.“
Erste Schritte: Vorbereitungsschritte
Bevor Sie Aluminium schneiden, müssen Sie sich vorbereiten.
Stirling war nicht der erste, der einen Luftmotor ausprobierte. Aber er war der Erste, der es möglich machte. Sein Entwurf aus dem Jahr 1818 trieb eine Wasserpumpe in einem schottischen Steinbruch an. Das ist der Maßstab. Sie streben nach dieser Art von Zuverlässigkeit.
Ihr erster Schritt ist das Sammeln der Materialien. Sortieren Sie sie. Auf Schäden prüfen. Stellen Sie sicher, dass Ihre Getränkedosen leer und sauber sind. Entfernen Sie alle Etiketten. Klebereste zerstören die Dichtungen.
Als nächstes bereiten Sie den Ballon vor. Später müssen Sie daraus eine bestimmte Form ausschneiden. Halten Sie Ihr Universalmesser bereit. Scharfe Klingen sorgen für saubere Schnitte. Stumpfe Klingen zerreißen Gummi.
Schauen Sie sich dann die CDs an. Sie bilden die Basis oder das Schwungradgehäuse. Sie müssen sauber und frei von Kratzern sein.
Überprüfen Sie abschließend Ihren Draht. Kupfer für Leitfähigkeit. Stahl für Stärke. Angelschnur für reibungsarme Verbindungen. Jedes Material hat eine Aufgabe. Verwechseln Sie sie nicht.
Der Aufbau beginnt mit dem Zylinder. Die Getränkedose sorgt für die Eindämmung. Aber eine Dose allein macht noch keinen Motor. Du brauchst Kolben. Sie brauchen Siegel. Sie benötigen eine Möglichkeit, die lineare Bewegung in eine Rotationskraft umzuwandeln.
Hier kommen die Speichennippel ins Spiel. Sie dienen als Lager. Eine reibungslose Rotation ist der Schlüssel. Reibung tötet diese Motoren. Wenn der Kolben klemmt, stoppt der Zyklus. Sie müssen sicherstellen, dass sich jedes bewegliche Teil frei dreht.
Markieren Sie zunächst Ihre Dosen. Zweimal messen. Einmal schneiden. Aluminium reißt leicht. Gehen Sie langsam.
Die Anatomie eines Can-Motors
Larsens Philosophie ist so einfach, dass sie nervig sein kann, wenn man sie nicht befolgt. Denken Sie wie ein Uhrmacher. Präzision ist hier nicht nur ein Vorschlag; Es ist der Unterschied zwischen einer Spinndose und einem Briefbeschwerer.
Die meisten Hersteller gehen davon aus, dass ein Stirlingmotor komplex ist. Das ist es nicht. Die Kernkomponenten sind einfach. Sie können eines aus Ölfässern bauen. Sie können eines aus Farbdosen bauen. Larsen selbst stellte aus verschiedenen Töpfen und Pfannen einen zusammen, während er zu Thanksgiving im Haus seiner Schwiegereltern festsaß. Es hat funktioniert.
Aber für den Getränkedosenmotor ist Aluminium das A und O. Es ist billig. Es ist vorgeformt. Es ist leicht zu schneiden. Eine Rennstrecke wird es natürlich nicht überleben. Es kann keine schwere Last bewältigen. Aber es bewältigt die Mikroleistung eines selbstgebauten thermodynamischen Zyklus ganz gut.
Den Deal besiegeln
In der Druckkammer geschieht die Magie. Oder das Elend. Es hält das Arbeitsmedium – normalerweise Luft – in einem geschlossenen System. Die Luft erwärmt sich. Es kühlt ab. Es dehnt sich aus. Es zieht sich zusammen.
Lecks sind der Feind. Jeder möchte eine perfekte Abdichtung. Larsen ist anderer Meinung. Sie benötigen tatsächlich ein kleines, kontrolliertes Leck. Ohne sie wird die Kammer zum Barometer. Es reagiert lediglich auf Änderungen des atmosphärischen Umgebungsdrucks. Es bringt nichts Nützliches. Ein winziges Leck sorgt dafür, dass der Innendruck von der Außenwelt entkoppelt bleibt und der Kreislauf funktioniert.
Einige Enthusiasten tauschen die Luft gegen Helium. Es reagiert besser während des thermodynamischen Zyklus. Mehr Effizienz. Mehr Leistung. Aber Luft ist kostenlos. Helium ist nicht. Beginnen Sie mit Luft.
Der Herzschlag
Der Antriebsmechanismus übersetzt Expansion und Kontraktion in Bewegung. Normalerweise wird es seitlich angebracht, kann aber auch in die Struktur des Motors integriert werden. Es treibt eine Kurbelwelle an.
Larsen bezeichnet die Kurbelwelle als den kritischsten Teil des gesamten Aufbaus. Es diktiert alles. Timing. Verdrängerweg. Schwungradgeschwindigkeit. Gleichgewicht. Wenn Sie das vermasseln, bringen Sie den ganzen Motor durcheinander. Nehmen Sie sich Zeit dafür. Machen Sie es richtig. Es ist kein Grund, sich zu beeilen.
Schwung und Reibung
Das Schwungrad ist nicht nur eine Requisite. Es handelt sich um einen Energiespeicher. Wenn der Krafthub ausgelöst wird, absorbiert das Schwungrad diese Energie. Wenn der Motor den Verdränger gegen Reibung und Widerstand wieder nach unten drücken muss, gibt das Schwungrad diese Energie zurück.
Ein ausgewuchtetes Schwungrad ist nicht verhandelbar. Bei einer Unwucht muss der Motor mehr leisten. Sie wollen keine zusätzliche Arbeit. Sie wollen Effizienz. Ein unausgeglichenes Rad bedeutet, dass der Verdränger die Oberseite der Kammer berührt und dort verbleibt. Stillstand.
Der thermodynamische Tanz
Der Verdränger bewegt die Luft. Es erzeugt keine Macht. Es verlagert lediglich die Luft von der heißen Zone in die kalte Zone.
Hier ist der Zyklus. Wärmequelle unten. Kühlquelle oben – Eis oder kaltes Wasser funktionieren normalerweise. Luft erwärmt sich. Es dehnt sich aus. Der Verdränger bewegt sich nach oben. Oben trifft die Luft auf die kalte Oberfläche. Es kühlt. Es zieht sich zusammen. Der Verdränger bewegt sich nach unten.
Wiederholen.
Dies geschieht nicht automatisch. Um die Bewegung zu koordinieren, benötigen Sie den Antriebsmechanismus, die Kurbelwelle und das Schwungrad.
Der Verdränger ist typischerweise ein gerolltes Stück Stahlwolle mit einem leichten Draht in der Mitte. Auch hier gilt die Uhrmacherlogik. Es muss frei gleiten können. Es muss den größten Teil der Kammer füllen. Es muss den Luftstrom zulassen, ihn aber gerade ausreichend einschränken. Reibung minimieren. Maximieren Sie die Wirksamkeit. Das ist das ständige Thema. Jeder Teil kämpft für Effizienz.
Die Wärmebox
Die Wärmebox ist ein Ständer. So einfach ist das. Es hält den Motor über der Wärmequelle.
Es fühlt sich an wie viel Aufwand für sehr wenig Output. Wenn Sie mit dem Bau fertig sind, verspüren Sie eine spürbare Zufriedenheit. Sie beheben die Lecks. Sie balancieren das Rad. Du zündest das Streichholz an. Sie sehen zu, wie es von alleine weiterbläst.
Larsens Faszination begann vor fünf Jahren. Heute könnte es für Sie losgehen.
Sehen Sie es in Aktion
Wenn Sie immer noch skeptisch sind, schauen Sie sich das Video an. Eine Getränkedose dreht sich nur um eine Kerzenflamme. Es ist keine Zauberei. Es ist Thermodynamik.
Mehr über Wärmekraftmaschinen
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Quellen
- Brown, Buster. „Wie Heißluftmotoren funktionieren.“ Heißluftmotoren. (29. Februar 2012) http://www.hotairengines.com/WorkingDescription/Work.htm
- Herausgeber des Make Magazine; „Das Beste aus der Welt der Herstellung.“ O’Reilly Media, Inc. 2007. Seiten. 306-317.
- Larsen, Jim. StirlingBuilder.com. (29. Februar 2012) http://www.stirlingbuilder.com/
- Larsen, Jim. Persönliches Interview. 2. März 2012
- Larsen, Jim. „Elf Stirlingmotorprodukte, die Sie bauen können.“ Selbstveröffentlicht, Januar 2012. (29. Februar 2012)
- Larsen, Jim. „Schneller und einfacher Stirlingmotor.“ Selbstveröffentlicht. September 2011. (29. Februar 2012)
- Schön, Karim. „Wie Stirlingmotoren funktionieren.“ HowStuffWorks.com. 4. Mai 2001. (29. Februar 2012) https://www.howstuffworks.com/stirling-engine.htm
- Purvis, Ben. „Dean Kamen entwickelt einen Öko-Hybrid, der mit allem läuft, was brennt.“ Gizmag.com, 28. Juni 2009. (1. März 2012) http://www.gizmag.com/dean-kamen-segway-hybrid-scooter/12096/
