Nie potrzebujesz warsztatu. Będziesz potrzebować trzech pustych puszek po napojach i odrobiny cierpliwości. To wszystko.
W ramach tego projektu odtwarzany jest jeden z pierwszych opłacalnych z komercyjnego punktu widzenia alternatywnych silników spalinowych: silnik Stirlinga. To nie jest tylko popis na szkolną wystawę. To rzeźba kinetyczna, która prycha i uderza w twoje biurko. Obraca kołem zamachowym. A jeśli masz szczęście, może wygenerować nawet kilka watów energii elektrycznej.
Ale najważniejsze jest potwierdzenie koncepcji. Robert Stirling opracował ją w 1816 roku. Chciał zastąpić parę powietrzem. Para była niebezpieczna. Eksplodował. Kotły regularnie eksplodowały. Silnik Stirlinga napędzany gorącym powietrzem był bezpieczniejszy. Użył „ekonomizera”, zwanego obecnie regeneratorem, aby zatrzymać ciepło i poprawić efektywność paliwową. Jego brat James pomógł ulepszyć projekt. W połowie XIX wieku silniki te napędzały już odlewnie.
Jednak ich moc nie wystarczyła, aby zastąpić parę w przemyśle ciężkim. Rewolucja przemysłowa wymagała ogromnego momentu obrotowego. Steam to zapewnił. Silnik Stirlinga zapewnił elegancję. Dziś wywołuje nostalgię.
Po co budować silnik Stirlinga z puszki po coli?
Budowa silnika Stirlinga z puszki po coli uczy termodynamiki w sposób, którego nie potrafią podręczniki. Obserwujesz, jak płyn roboczy rozszerza się. Widzisz jak się kurczy. Czujesz wykonywaną mechaniczną pracę.
Zasada jest prosta. Źródło ciepła, zwykle pellet świecy, podgrzewa powietrze wewnątrz słoika. Powietrze się rozszerza. Naciska tłok. Powietrze przemieszcza się do chłodniejszej części. Kurczy się. Tłok powraca. Zamocuj korbę. Dodaj koło zamachowe. Masz silnik.
Większość tego, co zbudujesz, będzie dla przeciętnego człowieka „śmiecią”. Zakrętki z plastikowych butelek. Stare płyty CD. Guma balonowa. Ale razem tworzą ruch. To jest inżynieria DIY. To kreatywne podejście. I to działa.
Lista części do domowego silnika Stirlinga
Będziesz potrzebować pewnych materiałów. Nie próbuj za bardzo improwizować. Dokładność jest tutaj ważna.
- Trzy (3) aluminiowe puszki po napojach gazowanych
- Jedna (1) lateksowa opona powietrzna (lub balon)
*Dwie (2) piasty szprychowe - Cztery (4) listwy zaciskowe 5A
- Wełna stalowa
- Jedna (1) plastikowa zakrętka do butelki
- Drut stalowy
- Drut miedziany
- Drewniany pręt (kołek)
- Przewód elektryczny
- Żyłka
- Trzy (3) płyty kompaktowe (CD)
- Otwieracz do puszek
- Nóż biurowy
- Superklej
Mechanika silnika na gorące powietrze
Jak dokładnie się porusza?
Znajdujące się w środku powietrze staje się płynem roboczym. Kiedy świeca podgrzewa dolny słoik, cząsteczki powietrza przyspieszają. Wypychają na zewnątrz. To ciśnienie napędza tłok. Tłok jest połączony z korbą. Korba obraca koło zamachowe. Koło zamachowe zachowuje pęd poprzez obrotowe martwe punkty.
Następnie powietrze przemieszcza się do górnej komory. Górna komora jest chłodniejsza. Powietrze traci ciepło. Kurczy się. Podciśnienie ściąga tłok z powrotem w dół. Cykl się powtarza.
Jest to cykl termodynamiczny. Brak spalania w cylindrze. Żadnych iskier. Tylko transfer ciepła.
„Pragnienie Stirlinga stworzenia bezpieczniejszej alternatywy dla pary zostało przezwyciężone potrzebą większej mocy”.
Pierwsze kroki: kroki przygotowawcze
Przed cięciem aluminium należy się przygotować.
Stirling nie był pierwszym, który próbował stworzyć silnik powietrzny. Ale był pierwszym, który sprawił, że stało się to wykonalne. Jego projekt z 1818 roku napędzał pompę wodną w szkockim kamieniołomie. To jest standard. Dążysz do tego rodzaju niezawodności.
Pierwszym krokiem jest zebranie materiałów. Rozłóż je. Sprawdź, czy nie ma uszkodzeń. Upewnij się, że puszki po napojach są puste i czyste. Usuń wszystkie etykiety. Resztki kleju niszczą uszczelkę.
Następnie przygotuj balon. Później będziesz musiał przyciąć go do określonego kształtu. Trzymaj nóż uniwersalny pod ręką. Ostre ostrza zapewniają czyste cięcia. Tępe ostrza rozdzierają gumę.
Następnie spójrz na płyty CD. Będą one stanowić podstawę lub obudowę koła zamachowego. Muszą być czyste i wolne od zadrapań.
Na koniec sprawdź przewód. Miedź dla przewodności. Stal na siłę. Linia do połączeń o niskim współczynniku tarcia. Każdy materiał ma swoje własne zadanie. Nie myl ich.
Montaż rozpoczyna się od cylindra. Puszka po napojach zapewnia uszczelnienie. Ale sama puszka nie tworzy silnika. Potrzebujesz tłoków. Potrzebujesz uszczelek. Potrzebujesz sposobu na przeniesienie ruchu liniowego na moment obrotowy.
Tutaj z pomocą przychodzą piasty szprychowe. Działają jak łożyska. Płynny obrót jest kluczem. Tarcie zabija te silniki. Jeśli tłok się zablokuje, cykl się zatrzyma. Musisz upewnić się, że każda ruchoma część obraca się swobodnie.
Zacznij od oznaczenia puszek. Zmierz dwa razy. Wytnij raz. Aluminium łatwo pęka. Zrób to powoli.
Anatomia silnika puszki
Filozofia Larsena jest śmiesznie prosta, jeśli się jej nie przestrzega. Myśl jak zegarmistrz. Dokładność nie jest tu jedynie zaleceniem; to jest różnica pomiędzy wirującą puszką a papierowym ciężarkiem.
Większość mechaników uważa, że silnik Stirlinga jest skomplikowany. To jest błędne. Główne elementy są proste. Można go złożyć z beczek po oleju. Można go zbudować z puszek po farbie. Larsen sam złożył jeden z różnorodnych garnków i patelni, kiedy utknął w domu swojego teścia na Święto Dziękczynienia. Zasłużył na to.
Ale w przypadku silnika sodowego króluje aluminium. To jest tanie. Ma już pożądany kształt. Jest łatwy do cięcia. Wiadomo, że nie sprawdzi się na torze wyścigowym. Nie wytrzyma dużych obciążeń. Ale bardzo dobrze radzi sobie z mikrowatami cyklu termodynamicznego DIY.
Uszczelnienie
Komora ciśnieniowa to miejsce, w którym dzieje się magia. Albo cierpienie. Utrzymuje płyn roboczy – zwykle powietrze – w układzie zamkniętym. Powietrze się nagrzewa. To się ochładza. Rozszerza się. Kurczy się.
Wycieki są wrogiem. Każdy chce idealnej pieczęci. Larsen się z tym nie zgadza. Tak naprawdę zależy Ci na małym, kontrolowanym wycieku. Bez tego aparat staje się barometrem. Reaguje po prostu na zmiany ciśnienia atmosferycznego otoczenia. Ona nie wykonuje żadnej pożytecznej pracy. Niewielki wyciek oddziela ciśnienie wewnętrzne od świata zewnętrznego, umożliwiając funkcjonowanie cyklu.
Niektórzy entuzjaści zastępują powietrze helem. Lepiej reaguje podczas cyklu termodynamicznego. Większa wydajność. Więcej mocy. Ale powietrze jest wolne. Hel – nie. Zacznij od powietrza.
Bicie serca
Mechanizm napędowy przekształca rozszerzanie i kurczenie się w ruch. Zwykle montowany jest z boku, ale można go zintegrować z konstrukcją silnika. Napędza wał korbowy.
Larsen nazywa wał korbowy najważniejszą częścią całego zespołu. On dyktuje wszystko. Czas. Skok wypornika. Prędkość koła zamachowego. Balansować. Jeśli się tutaj pomylisz, zniszczysz cały silnik. Spędzaj na tym czas. Zrób to dobrze. To nie jest część, z którą należy się spieszyć.
Bezwładność i tarcie
Koło zamachowe to nie tylko dekoracja. Jest to urządzenie magazynujące energię. Po uruchomieniu suwu roboczego koło zamachowe pochłania tę energię. Kiedy silnik musi wcisnąć pływak z powrotem w dół, pokonując tarcie i opór, koło zamachowe zwraca tę energię.
Wyważone koło zamachowe nie podlega dyskusji. Jeśli jest niewyważone, silnik musi pracować ciężej. Nie potrzebujesz dodatkowej pracy. Potrzebujesz wydajności. Niewyważone koło oznacza, że wypornik dociera do górnej części komory i tam pozostaje. Martwy przystanek.
Taniec termodynamiczny
Wypornik porusza powietrze. To nie tworzy mocy. Po prostu przenosi powietrze ze strefy gorącej do strefy zimnej.
Oto cykl. Poniżej źródło ciepła. Źródło chłodzenia znajduje się z góry – zwykle działa lód lub zimna woda. Powietrze się nagrzewa. Rozszerza się. Wypornik porusza się w górę. Na górze powietrze styka się z zimną powierzchnią. To się ochładza. Kurczy się. Wypornik przesuwa się w dół.
Powtarzać.
To nie dzieje się automatycznie. Do koordynowania ruchu potrzebny jest mechanizm napędowy, wał korbowy i koło zamachowe.
Wypornik to zwykle zwinięty kawałek wełny stalowej z lekkim drutem przewleczonym przez środek. Ponownie obowiązuje logika zegarmistrza. Powinien się swobodnie przesuwać. Powinien wypełniać większą część komory. Powinien umożliwiać przepływ powietrza, ale ograniczać go na tyle, aby był skuteczny. Zminimalizuj tarcie. Maksymalizuj wydajność. Jest to powracający temat. Każdy szczegół dąży do wydajności.
Skrzynka termiczna
Skrzynka termiczna to stojak. To proste. Utrzymuje silnik nad źródłem ciepła.
Wydaje się, że jest to duży wysiłek przy bardzo niewielkim efekcie. Po ukończeniu budowy odczuwa się wyraźną satysfakcję. Naprawiasz nieszczelności. Wyważasz koło. Zapalasz zapałkę. Patrzysz, jak dymi i pracuje samodzielnie.
Pasja Larsena rozpoczęła się pięć lat temu. Twoje może rozpocząć się już dziś.
Zobacz to w akcji
Jeśli nadal masz wątpliwości, obejrzyj wideo. Puszka napoju gazowanego kręci się wyłącznie na płomieniu świecy. To nie magia. To jest termodynamika.
Więcej o silnikach cieplnych
- Jak działają silniki Stirlinga
- Jak działają silniki samochodowe?
- Jak działają silniki Diesla
- Jak działają silniki dwusuwowe
- Jak działają silniki z gorącymi lampami
Źródła
- Brown, Buster. „Jak działają silniki na gorące powietrze”. Silniki na gorące powietrze. (29 lutego 2012 r.) http://www.hotairengines.com/WorkingDescription/Work.htm
- Redaktorzy magazynu Make; „Najlepsze dzieło”. O’Reilly Media, Inc. 2007. Str. 306-317.
- Larsen, Jim. StirlingBuilder.com. (29 lutego 2012 r.) http://www.stirlingbuilder.com/
- Larsen, Jim. Wywiad osobisty. 2 marca 2012
- Larsen, Jim. „Jedenaście produktów silników Stirlinga, które możesz zbudować”. Opublikowano samodzielnie, styczeń 2012 (29 lutego 2012)
- Larsen, Jim. „Szybki i lekki silnik Stirlinga”. Opublikowane samodzielnie. Wrzesień 2011 (29 lutego 2012)
- Miło, Karimie. „Jak działają silniki Stirlinga”. HowStuffWorks.com. 4 maja 2001 (29 lutego 2012) https://www.howstuffworks.com/stirling-engine.htm
-Purvis, Ben. „Dean Kamen opracowuje eko-hybrydę, która będzie działać na wszystkim, co się pali”. Gizmag.com, 28 czerwca 2009 (1 marca 2012) http://www.gizmag.com/dean-kamen-segway-hybrid-scooter/12096/
