Je hebt geen machinewerkplaats nodig. Je hebt drie lege frisdrankblikjes en een beetje geduld nodig. Dat is alles.
Dit project herschept een van de eerste commercieel haalbare alternatieven voor interne verbranding: de Stirlingmotor. Het is niet alleen een wetenschappelijke eerlijke truc. Het is een kinetische sculptuur die op je bureau puft en brokkelt. Het laat een vliegwiel draaien. Als je geluk hebt, kan het zelfs een paar watt elektriciteit genereren.
Maar meestal bewijst het een punt. Robert Stirling ontwierp dit in 1816. Hij wilde stoom vervangen door lucht. Stoom was gevaarlijk. Het explodeerde. Ketels ontploften met regelmaat. Stirlings heteluchtmotor was veiliger. Er werd gebruik gemaakt van een ‘economizer’, nu een regenerator genoemd, om de warmte vast te houden en de brandstofefficiëntie te verhogen. Zijn broer James hielp bij het verfijnen van het ontwerp. Tegen het midden van de 19e eeuw draaiden deze motoren in gieterijen.
Ze waren echter niet krachtig genoeg om stoom voor de zware industrie te vervangen. De industriële revolutie vereiste bruut koppel. Stoom geleverd. Stirlings motor zorgde voor elegantie. Tegenwoordig levert het nostalgie op.
Waarom een colablikje Stirlingmotor bouwen?
Door een Colablik Stirlingmotor te bouwen, leer je thermodynamica op een manier die leerboeken niet kunnen. Je ziet de werkvloeistof uitzetten. Je ziet het krimpen. Je voelt het mechanische werk dat gedaan wordt.
Het principe is eenvoudig. Een warmtebron, meestal een theelichtje, verwarmt de lucht in het blikje. De lucht zet uit. Het duwt een zuiger. De lucht verplaatst zich naar een koeler gedeelte. Het contracteert. De zuiger beweegt terug. Bevestig een krukas. Voeg een vliegwiel toe. Je hebt een motor.
Het meeste van wat je bouwt, zal voor de gemiddelde persoon ‘rommel’ zijn. Kunststof flessendoppen. Oude cd’s. Ballonrubber. Maar samen creëren ze beweging. Het is zelfbrouwtechniek. Het is creatief. En het werkt.
Onderdelenlijst voor doe-het-zelf Stirlingmotor
Je hebt specifieke materialen nodig. Improviseer niet te veel. Precisie is hier belangrijk.
- Drie (3) aluminium frisdrankblikjes
- Eén (1) latexballon
- Twee (2) spaaknippels
- Vier (4) elektrische klemmenblokken van 5A
- Staalwol
- Eén (1) plastic flesdop
- Staaldraad
- Koperdraad
- Deuvelstang
- Elektrische draad
- Vislijn
- Drie (3) compact discs (cd’s)
- Blikopener
- Utility mes
- Superlijm
De mechanica van een heteluchtmotor
Hoe beweegt het eigenlijk?
De lucht binnenin wordt de werkvloeistof. Wanneer de kaars het onderste blik verwarmt, versnellen de luchtmoleculen. Ze duwen naar buiten. Deze druk drijft de zuiger aan. De zuiger is verbonden met een krukas. De krukas drijft het vliegwiel aan. Het vliegwiel voert momentum door de “dode plekken” in de rotatie.
De lucht beweegt vervolgens naar de bovenste kamer. De bovenste kamer is koeler. De lucht verliest warmte. Het contracteert. Het vacuüm trekt de zuiger weer naar beneden. De cyclus herhaalt zich.
Het is een thermodynamische lus. Geen verbranding in de cilinder. Geen vonken. Gewoon warmteoverdracht.
“Stirlings wens om een veiliger alternatief voor stoom te creëren werd verslagen door de behoefte aan meer kracht.”
Aan de slag: voorbereidingsstappen
Voordat u aluminium gaat snijden, moet u zich voorbereiden.
Stirling was niet de eerste die een luchtmotor uitprobeerde. Maar hij was de eerste die het levensvatbaar maakte. Zijn ontwerp uit 1818 dreef een waterpomp in een Schotse steengroeve aan. Dat is de maatstaf. Je streeft naar dat soort betrouwbaarheid.
Je eerste stap is het verzamelen van de materialen. Sorteer ze. Controleer op schade. Zorg ervoor dat uw frisdrankblikjes leeg en schoon zijn. Verwijder alle etiketten. Lijmresten beschadigen afdichtingen.
Maak vervolgens de ballon klaar. Je zult er later een specifieke vorm uit moeten knippen. Houd uw mes gereed. Scherpe messen maken zuivere sneden. Botte messen scheuren het rubber.
Kijk dan eens naar de cd’s. Ze vormen de basis of het vliegwielhuis. Ze moeten schoon en krasvrij zijn.
Controleer ten slotte uw draad. Koper voor geleidbaarheid. Staal voor sterkte. Vislijn voor wrijvingsarme schakels. Elk materiaal heeft een taak. Meng ze niet.
De bouw begint met de cilinder. Het frisdrankblikje zorgt voor de insluiting. Maar een blikje alleen maakt nog geen motor. Je hebt zuigers nodig. Je hebt zegels nodig. Je hebt een manier nodig om de lineaire beweging om te zetten in rotatiekracht.
Dat is waar de spaaknippels binnenkomen. Ze fungeren als lagers. Soepele rotatie is de sleutel. Wrijving doodt deze motoren. Als de zuiger blijft hangen, stopt de cyclus. Je moet ervoor zorgen dat elk bewegend onderdeel vrij kan draaien.
Begin met het markeren van uw blikjes. Meet twee keer. Eén keer knippen. Aluminium scheurt gemakkelijk. Ga langzaam.
De anatomie van een blikmotor
De filosofie van Larsen is eenvoudig genoeg om vervelend te zijn als je hem niet volgt. Denk als een horlogemaker. Precisie is hier niet alleen een suggestie; het is het verschil tussen een draaiblik en een presse-papier.
De meeste bouwers gaan ervan uit dat een Stirlingmotor complex is. Dat is het niet. De kerncomponenten zijn eenvoudig. Je kunt er een bouwen van olievaten. Je kunt er een maken van verfblikken. Larsen trok er zelf een uit verschillende potten en pannen terwijl hij voor Thanksgiving in het huis van zijn schoonfamilie zat. Het werkte.
Maar voor de frisdrankblikjesmotor is aluminium koning. Het is goedkoop. Het is voorgevormd. Het is gemakkelijk te snijden. Het zal uiteraard een racecircuit niet overleven. Het kan geen serieuze belasting aan. Maar het kan prima overweg met de micro-pk van een doe-het-zelf-thermodynamische cyclus.
De deal sluiten
In de drukkamer gebeurt de magie. Of de ellende. Het houdt de werkvloeistof (meestal lucht) vast in een gesloten systeem. De lucht warmt op. Het koelt af. Het breidt zich uit. Het contracteert.
Lekkages zijn de vijand. Iedereen wil een perfecte afdichting. Larsen is het daar niet mee eens. Je hebt eigenlijk een klein, gecontroleerd lek nodig. Zonder dit wordt de kamer een barometer. Het reageert alleen op veranderingen in de atmosferische druk. Het doet niets nuttigs. Een klein lek houdt de interne druk ontkoppeld van de buitenwereld, waardoor de cyclus kan functioneren.
Sommige enthousiastelingen ruilen de lucht in voor helium. Het reageert beter tijdens de thermodynamische cyclus. Meer efficiëntie. Meer kracht. Maar lucht is gratis. Helium is dat niet. Begin met lucht.
De hartslag
Het aandrijfmechanisme vertaalt uitzetting en samentrekking in beweging. Het wordt meestal aan de zijkant bevestigd, maar kan in de structuur van de motor worden geïntegreerd. Deze drijft een krukas aan.
Larsen noemt de krukas het meest kritische onderdeel van de hele constructie. Het dicteert alles. Tijdstip. Verdringer reizen. Vliegwiel snelheid. Evenwicht. Als je dit verprutst, verpest je de hele motor. Besteed er tijd aan. Doe het goed. Het hoort niet bij haast.
Momentum en wrijving
Het vliegwiel is niet zomaar een rekwisiet. Het is een apparaat voor energieopslag. Wanneer de krachtslag wordt afgevuurd, absorbeert het vliegwiel die energie. Wanneer de motor de verdringer tegen wrijving en weerstand weer naar beneden moet duwen, geeft het vliegwiel die energie terug.
Over een gebalanceerd vliegwiel valt niet te onderhandelen. Als de balans uit balans is, moet de motor harder werken. Je wilt geen extra werk. Je wilt efficiëntie. Een ongebalanceerd wiel betekent dat de verdringer de bovenkant van de kamer raakt en daar blijft. Doodlopende stop.
De thermodynamische dans
De verdringer verplaatst de lucht. Het creëert geen macht. Het verplaatst alleen de lucht van de hete zone naar de koude zone.
Hier is de cyclus. Warmtebron onderaan. Koelbron bovenaan – ijs of koud water werkt meestal. Lucht warmt op. Het breidt zich uit. De verdringer beweegt omhoog. Bovenaan raakt de lucht het koude oppervlak. Het koelt af. Het contracteert. De verdringer beweegt naar beneden.
Herhalen.
Dit gebeurt niet automatisch. Je hebt het aandrijfmechanisme, de krukas en het vliegwiel nodig om de beweging te coördineren.
De verdringer is meestal een opgerold stuk staalwol met een lichte draad door het midden. Nogmaals, de logica van de horlogemaker is van toepassing. Het moet vrij kunnen glijden. Het moet het grootste deel van de kamer vullen. Het moet lucht laten stromen, maar het net voldoende beperken. Minimaliseer wrijving. Maximaliseer de effectiviteit. Dit is het constante thema. Elk onderdeel vecht voor efficiëntie.
De warmtebox
De warmtebox is een standaard. Zo simpel is het. Het houdt de motor boven de warmtebron.
Het voelt als veel moeite voor heel weinig output. Er is een tastbare voldoening wanneer u klaar bent met het bouwen. Je verhelpt de lekkages. Jij balanceert het wiel. Jij steekt de lucifer aan. Je ziet hem vanzelf verder puffen.
Larsens fascinatie begon vijf jaar geleden. Voor jou kan het vandaag beginnen.
Zie het in actie
Als je nog steeds sceptisch bent, bekijk dan de video. Een frisdrankje draait op niets anders dan een kaarsvlam. Het is geen magie. Het is thermodynamica.
Meer over warmtemotoren
- Hoe Stirling-motoren werken
- Hoe automotoren werken
- Hoe dieselmotoren werken
- Hoe tweetaktmotoren werken
- Hoe een gloeilampmotor werkt
Bronnen
- Bruin, Buster. “Hoe heteluchtmotoren werken.” Heteluchtmotoren. (29 februari 2012) http://www.hotairengines.com/WorkingDescription/Work.htm
- Redactie Make Magazine; “Het beste van makelij.” O’Reilly Media, Inc. 2007. Blz. 306-317.
- Larsen, Jim. StirlingBuilder.com. (29 februari 2012) http://www.stirlingbuilder.com/
- Larsen, Jim. Persoonlijk interview. 2 maart 2012
- Larsen, Jim. “Elf Stirlingmotorproducten die u kunt bouwen.” In eigen beheer uitgegeven, januari 2012. (29 februari 2012)
- Larsen, Jim. “Snelle en gemakkelijke Stirlingmotor.” In eigen beheer uitgegeven. September 2011. (29 februari 2012)
- Leuk, Karim. “Hoe Stirling-motoren werken.” HowStuffWorks.com. 4 mei 2001. (29 februari 2012) https://www.howstuffworks.com/stirling-engine.htm
- Purvis, Ben. “Dean Kamen ontwikkelt een eco-hybride die werkt op alles wat brandt.” Gizmag.com, 28 juni 2009. (1 maart 2012) http://www.gizmag.com/dean-kamen-segway-hybrid-scooter/12096/
