Вам не нужна мастерская. Вам понадобятся три пустые банки из-под газировки и немного терпения. Вот и всё.
Этот проект воссоздает один из первых коммерчески жизнеспособных альтернативных двигателей внутреннего сгорания: двигатель Стирлинга. Это не просто трюк для школьной выставки. Это кинетическая скульптура, которая фырчит и стучит на вашем столе. Она вращает маховик. И, если вам повезёт, она даже может генерировать несколько ватт электричества.
Но главное — это доказательство концепции. Роберт Стирлинг разработал её в 1816 году. Он хотел заменить пар воздухом. Пар был опасен. Он взрывался. Котлы регулярно взрывались. Двигатель Стирлинга, работавший на горячем воздухе, был безопаснее. Он использовал «экономайзер», ныне называемый регенератором, для удержания тепла и повышения топливной эффективности. Его брат Джеймс помог усовершенствовать конструкцию. К середине XIX века эти двигатели уже приводили в действие литейные цеха.
Однако их мощности было недостаточно, чтобы заменить пар в тяжелой промышленности. Промышленная революция требовала огромного крутящего момента. Пар обеспечивал его. Двигатель Стирлинга обеспечивал элегантность. Сегодня он дарит ностальгию.
Зачем собирать двигатель Стирлинга из банки из-под колы?
Сборка двигателя Стирлинга из банки из-под колы учит термодинамике так, как не могут учебники. Вы наблюдаете, как рабочее тело расширяется. Вы видите, как оно сжимается. Вы чувствуете совершаемую механическую работу.
Принцип прост. Источник тепла, обычно свеча-таблетка, нагревает воздух внутри банки. Воздух расширяется. Он толкает поршень. Воздух перемещается в более холодную секцию. Он сжимается. Поршень возвращается обратно. Прикрепите кривошип. Добавьте маховик. У вас есть двигатель.
Большая часть того, что вы построите, для обычного человека будет «мусором». Крышки от пластиковых бутылок. Старые компакт-диски. Резина от воздушного шарика. Но вместе они создают движение. Это инженерия, сделанная своими руками. Это творческий подход. И это работает.
Список деталей для самодельного двигателя Стирлинга
Вам понадобятся определенные материалы. Не пытайтесь слишком сильно импровизировать. Здесь важна точность.
- Три (3) алюминиевые банки из-под газировки
- Одна (1) латексная воздушная шина (или воздушный шарик)
- Две (2) спицевые втулки
- Четыре (4) клеммных блока 5A
- Стальная вата
- Одна (1) пластиковая крышка от бутылки
- Стальная проволока
- Медная проволока
- Деревянный стержень (дюбель)
- Электрический провод
- Леска
- Три (3) компакт-диска (CD)
- Консервный нож
- Канцелярский нож
- Суперклей
Механика двигателя на горячем воздухе
Как именно он движется?
Воздух внутри становится рабочим телом. Когда свеча нагревает нижнюю банку, молекулы воздуха ускоряются. Они давят наружу. Это давление приводит в движение поршень. Поршень соединен с кривошипом. Кривошип вращает маховик. Маховик сохраняет импульс через «мертвые точки» вращения.
Затем воздух перемещается в верхнюю камеру. Верхняя камера холоднее. Воздух теряет тепло. Он сжимается. Вакуум тянет поршень обратно вниз. Цикл повторяется.
Это термодинамический цикл. Без сгорания внутри цилиндра. Без искр. Только теплопередача.
«Желание Стирлинга создать более безопасную альтернативу пару было побеждено потребностью в большей мощности».
Начало работы: подготовительные шаги
Прежде чем резать алюминий, нужно подготовиться.
Стирлинг не был первым, кто попытался создать воздушный двигатель. Но он был первым, кто сделал его жизнеспособным. Его конструкция 1818 года приводила в действие водяной насос в шотландском карьере. Это эталон. Вы стремитесь к такой надежности.
Ваш первый шаг — сбор материалов. Разложите их. Проверьте на наличие повреждений. Убедитесь, что ваши банки из-под газировки пусты и чисты. Снимите все этикетки. Остатки клея портят герметичность.
Далее подготовьте воздушный шарик. Позже вам нужно будет вырезать из него определенную форму. Держите канцелярский нож под рукой. Острые лезвия делают чистые разрезы. Тупые лезвия рвут резину.
Затем посмотрите на компакт-диски. Они сформируют основание или корпус маховика. Они должны быть чистыми и без царапин.
Наконец, проверьте свою проволоку. Медь для проводимости. Сталь для прочности. Леска для соединений с низким трением. У каждого материала есть своя задача. Не перепутайте их.
Сборка начинается с цилиндра. Банка из-под газировки обеспечивает герметичность. Но сама по себе банка не делает двигатель. Вам нужны поршни. Вам нужны уплотнения. Вам нужен способ передачи линейного движения во вращательный момент.
Именно здесь пригодятся спицевые втулки. Они действуют как подшипники. Плавное вращение — ключевой фактор. Трение убивает эти двигатели. Если поршень заедает, цикл останавливается. Вы должны убедиться, что каждая движущаяся часть вращается свободно.
Начните с разметки банок. Измеряйте дважды. Режьте один раз. Алюминий легко рвется. Действуйте медленно.
Анатомия двигателя из банки
Философия Ларсена проста до нелепости, если вы не следуете ей. Думайте как часовщик. Точность здесь — не просто рекомендация; это разница между вращающейся банкой и грузилом для бумаг.
Большинство мастеров считают, что двигатель Стирлинга сложен. Это не так. Основные компоненты просты. Вы можете собрать его из бочек из-под масла. Вы можете собрать его из банок из-под краски. Сам Ларсен собрал один из assorted кастрюль и сковородок, когда застрял в доме своих тестя и тещи на День благодарения. Он заработал.
Но для двигателя из-под газировки алюминий — король. Он дешев. Он уже имеет нужную форму. Его легко резать. Он, очевидно, не выдержит гоночного трека. Он не выдержит серьезной нагрузки. Но он отлично справляется с микроваттами DIY-термодинамического цикла.
Герметизация
Камера давления — это место, где происходит магия. Или страдание. Она удерживает рабочую жидкость — обычно воздух — в замкнутой системе. Воздух нагревается. Он остывает. Он расширяется. Он сжимается.
Утечки — это враг. Все хотят идеальной герметичности. Ларсен не согласен. Вам на самом деле нужна небольшая, контролируемая утечка. Без нее камера становится барометром. Она просто реагирует на изменения атмосферного давления окружающей среды. Она не выполняет никакой полезной работы. Крошечная утечка отделяет внутреннее давление от внешнего мира, позволяя циклу функционировать.
Некоторые энтузиасты заменяют воздух гелием. Он лучше реагирует в течение термодинамического цикла. Больше КПД. Больше мощности. Но воздух бесплатен. Гелий — нет. Начните с воздуха.
Сердцебиение
Приводной механизм преобразует расширение и сжатие в движение. Обычно он крепится сбоку, но может быть интегрирован в конструкцию двигателя. Он приводит в движение коленчатый вал.
Ларсен называет коленчатый вал самой важной частью всей сборки. Он диктует все. Время. Ход вытеснителя. Скорость маховика. Баланс. Если вы ошибетесь здесь, вы испортите весь двигатель. Потратьте время на него. Сделайте правильно. Это не та деталь, которую стоит торопиться изготавливать.
Инерция и трение
Маховик — это не просто декорация. Это устройство накопления энергии. Когда рабочий ход срабатывает, маховик поглощает эту энергию. Когда двигателю нужно толкнуть вытеснитель обратно вниз против трения и сопротивления, маховик возвращает эту энергию.
Сбалансированный маховик — это не обсуждается. Если он несбалансирован, двигателю приходится работать тяжелее. Вам не нужна лишняя работа. Вам нужна эффективность. Несбалансированное колесо означает, что вытеснитель достигает вершины камеры и остается там. Мертвая остановка.
Термодинамический танец
Вытеснитель перемещает воздух. Он не создает мощность. Он просто перемещает воздух из горячей зоны в холодную.
Вот цикл. Источник тепла внизу. Источник охлаждения сверху — обычно работает лед или холодная вода. Воздух нагревается. Он расширяется. Вытеснитель движется вверх. Вверху воздух касается холодной поверхности. Он остывает. Он сжимается. Вытеснитель движется вниз.
Повторяйте.
Это не происходит автоматически. Вам нужен приводной механизм, коленчатый вал и маховик для координации движения.
Вытеснитель обычно представляет собой свернутый кусок стальной ваты с легкой проволокой, продетой через центр. Опять же, применяется логика часовщика. Он должен свободно скользить. Он должен заполнять большую часть камеры. Он должен позволять воздуху течь, но ограничивать его ровно настолько, чтобы это было эффективно. Минимизируйте трение. Максимизируйте эффективность. Это постоянная тема. Каждая деталь борется за эффективность.
Тепловой бокс
Тепловой бокс — это подставка. Все просто. Он удерживает двигатель над источником тепла.
Кажется, что это много усилий для очень малого результата. Есть ощутимое удовлетворение, когда вы заканчиваете сборку. Вы устраняете утечки. Вы балансируете колесо. Вы зажигаете спичку. Вы наблюдаете, как он дымит и работает самостоятельно.
Увлечение Ларсена началось пять лет назад. Ваше может начаться сегодня.
Посмотрите в действии
Если вы все еще скептичны, посмотрите видео. Банка из-под газировки вращается ни на чем, кроме пламени свечи. Это не магия. Это термодинамика.
Больше о тепловых двигателях
- Как работают двигатели Стирлинга
- Как работают двигатели автомобилей
- Как работают дизельные двигатели
- Как работают двухтактные двигатели
- Как работают двигатели с горячей лампой
Источники
- Браун, Бастер. «Как работают двигатели горячего воздуха.» Hot Air Engines. (29 февраля 2012 г.) http://www.hotairengines.com/WorkingDescription/Work.htm
- Редакторы журнала Make Magazine; «Лучшее из Make.» O’Reilly Media, Inc. 2007. Стр. 306-317.
- Ларсен, Джим. StirlingBuilder.com. (29 февраля 2012 г.) http://www.stirlingbuilder.com/
- Ларсен, Джим. Личное интервью. 2 марта 2012 г.
- Ларсен, Джим. «Одиннадцать продуктов двигателей Стирлинга, которые вы можете построить.» Самостоятельно издано, январь 2012 г. (29 февраля 2012 г.)
- Ларсен, Джим. «Быстрый и легкий двигатель Стирлинга.» Самостоятельно издано. Сентябрь 2011 г. (29 февраля 2012 г.)
- Найс, Карим. «Как работают двигатели Стирлинга.» HowStuffWorks.com. 4 мая 2001 г. (29 февраля 2012 г.) https://www.howstuffworks.com/stirling-engine.htm
- Пёрвис, Бен. «Дин Кеймен разрабатывает эко-гибрид, который будет работать на всем, что горит.» Gizmag.com, 28 июня 2009 г. (1 марта 2012 г.) http://www.gizmag.com/dean-kamen-segway-hybrid-scooter/12096/
