Вам не потрібна майстерня. Вам знадобляться три порожні банки з-під газування та трохи терпіння. Ось і все.
Цей проект відтворює один із перших комерційно життєздатних альтернативних двигунів внутрішнього згоряння: двигун Стірлінга. Це не просто трюк для шкільної виставки. Це кінетична скульптура, яка фирчить та стукає на вашому столі. Вона обертає маховика. І, якщо вам пощастить, вона навіть може генерувати кілька ват електрики.
Але головне це доказ концепції. Роберт Стірлінг розробив її 1816 року. Він хотів замінити пару повітрям. Пара була небезпечна. Він вибухав. Котли регулярно вибухали. Двигун Стірлінга, який працював на гарячому повітрі, був безпечнішим. Він використав «економайзер», нині званий регенератором, для утримання тепла та підвищення паливної ефективності. Його брат Джеймс допоміг удосконалити конструкцію. До середини ХІХ століття ці двигуни вже приводили в дію ливарні цехи.
Проте їхньої потужності було недостатньо, щоб замінити пару у важкій промисловості. Промислова революція вимагала величезного моменту, що крутить. Пара забезпечувала його. Двигун Стірлінга забезпечував елегантність. Сьогодні він дарує ностальгію.
Навіщо збирати двигун Стірлінга з банки з-під коли?
Складання двигуна Стірлінга з банки з-під коли вчить термодинаміки так, як не можуть підручники. Ви бачите, як робоче тіло розширюється. Ви бачите, як воно стискується. Ви відчуваєте механічну роботу.
Принцип простий. Джерело тепла, зазвичай свічка-пігулка, нагріває повітря всередині банки. Повітря розширюється. Він штовхає поршень. Повітря переміщається у більш холодну секцію. Він стискається. Поршень повертається. Прикріпіть кривошип. Додати маховик. Ви маєте двигун.
Більшість того, що ви збудуєте, для звичайної людини буде «сміттям». Кришки від пластикових пляшок. Старий компакт-диски. Гума від повітряної кульки. Але разом вони творять рух. Це інженерія, зроблена своїми руками. Це — творчий підхід. І це працює.
Список деталей для саморобного двигуна Стірлінга
Вам потрібні певні матеріали. Не намагайтеся надто сильно імпровізувати. Тут важлива точність.
- Три (3) алюмінієві банки з-під газування
- Одна (1) латексна повітряна шина (або повітряна кулька)
- Дві (2) спицеві втулки
- Чотири (4) клемні блоки 5A
- Сталева вата
- Одна (1) пластикова кришка від пляшки
- Сталевий дріт
- Мідний дріт
- Дерев’яний стрижень (дюбель)
- Електричний провід
- Лісочка
- Три (3) компакт-диски (CD)
- Консервний ніж
- Канцелярський ніж
- Суперклей
Механіка двигуна на гарячому повітрі
Як саме він рухається?
Повітря всередині стає робочим тілом. Коли свічка нагріває нижню банку, прискорюються молекули повітря. Вони давлять назовні. Цей тиск призводить до руху поршень. Поршень з’єднаний із кривошипом. Кривошип обертає маховик. Маховик зберігає імпульс через “мертві точки” обертання.
Потім повітря переміщається у верхню камеру. Верхня камера холодніша. Повітря втрачає тепло. Він стискається. Вакуум тягне поршень назад униз. Цикл повторюється.
Це – термодинамічний цикл. Без згоряння усередині циліндра. Без іскор. Лише теплопередача.
«Бажання Стірлінга створити більш безпечну альтернативу пару було переможено потребою у більшій потужності».
Початок роботи: підготовчі кроки
Перш ніж різати алюміній, потрібно підготуватись.
Стірлінг не був першим, хто спробував створити повітряний двигун. Але він був першим, хто зробив його життєздатним. Його конструкція 1818 року приводила у дію водяний насос у шотландському кар’єрі. Це стандарт. Ви прагнете такої надійності.
Ваш перший крок – збір матеріалів. Розкладіть їх. Перевірте наявність пошкоджень. Переконайтеся, що ваші банки з-під газування порожні та чисті. Зніміть усі етикетки. Залишки клею псують герметичність.
Далі підготуйте повітряну кульку. Пізніше вам потрібно буде вирізати із нього певну форму. Тримайте канцелярський ніж під рукою. Гострі леза роблять чисті розрізи. Тупі леза рвуть гуму.
Потім подивіться на компакт-диски. Вони сформують основу або корпус маховика. Вони мають бути чистими і без подряпин.
Зрештою, перевірте свій дріт. Мідь для провідності. Сталь для міцності. Лісочка для з’єднань з низьким тертям. Кожен матеріал має своє завдання. Не переплутайте їх.
Складання починається з циліндра. Банку з-під газування забезпечує герметичність. Але сама собою банку не робить двигун. Вам потрібні поршні. Вам потрібні ущільнення. Вам потрібен спосіб передачі лінійного руху у момент обертання.
Саме тут стануть у нагоді спицеві втулки. Вони діють як підшипники. Плавне обертання – ключовий фактор. Тертя вбиває ці двигуни. Якщо поршень заїдає, цикл зупиняється. Ви повинні переконатися, що кожна частина, що рухається, обертається вільно.
Почніть із розмітки банок. Вимірюйте двічі. Ріжте один раз. Алюміній легко рветься. Дійте повільно.
Анатомія двигуна з банки
Філософія Ларсена проста до безглуздя, якщо ви не слідуєте їй. Думайте як годинникар. Точність тут – не просто рекомендація; це різниця між банкою, що обертається, і грузилом для паперів.
Більшість майстрів вважають, що двигун Стірлінга складний. Це негаразд. Основні складові прості. Ви можете зібрати його з бочок з-під олії. Ви можете зібрати його із банок з-під фарби. Сам Ларсен зібрав один з величезних каструль і сковорідок, коли застряг у будинку своїх тестя і тещі на День подяки. Він заробив.
Але для двигуна з-під газованого газу алюміній — король. Він дешевий. Він має потрібну форму. Його легко різати. Він, мабуть, не витримає гоночного треку. Він не витримає серйозного навантаження. Але він чудово справляється з мікроватами DIY-термодинамічного циклу.
Герметизація
Камера тиску – це місце, де відбувається магія. Або страждання. Вона утримує робочу рідину – зазвичай повітря – у замкнутій системі. Повітря нагрівається. Він остигає. Він розширюється. Він стискається.
Витоку – це ворог. Усі хочуть ідеальної герметичності. Ларсен не згоден. Вам насправді потрібний невеликий, контрольований витік. Без неї камера стає барометром. Вона просто реагує зміни атмосферного тиску довкілля. Вона не виконує жодної корисної роботи. Крихітний витік відокремлює внутрішній тиск від зовнішнього світу, дозволяючи циклу функціонувати.
Деякі ентузіасти замінюють повітря гелієм. Він найкраще реагує протягом термодинамічного циклу. Більше ККД. Більше потужності. Але повітря безкоштовне. Гелій – ні. Почніть із повітря.
Серцебиття
Привідний механізм перетворює розширення та стиск у рух. Зазвичай він кріпиться збоку, але може бути інтегрований у конструкцію двигуна. Він надає руху колінчастий вал.
Ларсен називає колінчастий вал найважливішою частиною всього складання. Він диктує все. Час. Хід витіснювача. Швидкість маховика. Баланс. Якщо ви помилитесь тут, ви зіпсуєте весь двигун. Витратьте час на нього. Зробіть правильно. Це не та деталь, яку варто поспішати виготовляти.
Інерція та тертя
Маховик – це не просто декорація. Це пристрій накопичення енергії. Коли робочий хід спрацьовує, маховик поглинає цю енергію. Коли двигуну потрібно штовхнути витискувач назад вниз проти тертя та опору, маховик повертає цю енергію.
Збалансований маховик це не обговорюється. Якщо він незбалансований, двигуну доводиться працювати важче. Вам не потрібна зайва робота. Вам потрібна ефективність. Незбалансоване колесо означає, що вимикач досягає вершини камери і залишається там. Мертва зупинка.
Термодинамічний танець
Витискувач переміщає повітря. Він створює потужність. Він просто переміщає повітря із гарячої зони в холодну.
Ось цикл. Джерело тепла внизу. Джерело охолодження зверху – зазвичай працює лід чи холодна вода. Повітря нагрівається. Він розширюється. Витіснювач рухається нагору. Угорі повітря стосується холодної поверхні. Він остигає. Він стискається. Витіснювач рухається вниз.
Повторюйте.
Це не відбувається автоматично. Вам потрібен приводний механізм, колінчастий вал та маховик для координації руху.
Витіснювач зазвичай є згорнутий шматок сталевої вати з легким дротом, протягнутим через центр. Знову ж таки, застосовується логіка годинникаря. Він має вільно ковзати. Він повинен заповнювати більшу частину камери. Він повинен дозволяти повітрю текти, але обмежувати його настільки, щоб це було ефективно. Мінімізуйте тертя. Максимізуйте ефективність. Це стала тема. Кожна деталь виборює ефективність.
Тепловий бокс
Тепловий бокс – це підставка. Все просто. Він утримує двигун над джерелом тепла.
Здається, це багато зусиль для дуже малого результату. Є відчутне задоволення, коли ви закінчуєте складання. Ви усуваєте витоку. Ви балансуєте колесо. Ви запалюєте сірник. Ви спостерігаєте, як він димить та працює самостійно.
Захоплення Ларсена розпочалося п’ять років тому. Ваше може розпочатися сьогодні.
Подивіться у дії
Якщо ви все ще скептичні, перегляньте відео. Банк з-під газування обертається ні на чому, крім полум’я свічки. Не магія. Це термодинаміка.
Більше про теплові двигуни
- Як працюють двигуни Стірлінга
- Як працюють двигуни автомобілів
- Як працюють дизельні двигуни
- Як працюють двотактні двигуни
- Як працюють двигуни з гарячою лампою
Джерела
- Браун, Бастер. “Як працюють двигуни гарячого повітря.” Hot Air Engines. (29 лютого 2012 р.) http://www.hotairengines.com/WorkingDescription/Work.htm
- редактори журналу Make Magazine; “Найкраще з Make.” O’Reilly Media, Inc. 2007. Стор. 306-317.
- Ларсен, Джіме. StirlingBuilder.com. (29 лютого 2012 р.) http://www.stirlingbuilder.com/
- Ларсен, Джіме. Особисте інтерв’ю. 2 березня 2012 р.
- Ларсен, Джіме. “Одинадцять продуктів двигунів Стірлінга, які ви можете побудувати.” Самостійно видано, січень 2012 р. (29 лютого 2012 р.)
- Ларсен, Джіме. “Швидкий та легкий двигун Стірлінга.” Самостійно видано. Вересень 2011 р. (29 лютого 2012 р.)
- Найс, Каріме. “Як працюють двигуни Стірлінга.” HowStuffWorks.com. 4 травня 2001 р. (29 лютого 2012 р.) https://www.howstuffworks.com/stirling-engine.htm
- Первіс, Бен. “Дін Кеймен розробляє еко-гібрид, який працюватиме на всьому, що горить.” Gizmag.com, 28 червня 2009 р. (1 березня 2012 р.) http://www.gizmag.com/dean-kamen-segway-hybrid-scooter/12096/
