Stirling motor kísérlet házilag

Ismertetö

A Stirling motor egy nagyon jó hatásfokú külső égésű motor, melyet igen könnyű házilag megépíteni.

A hőt hasznos mechanikai munkává alakító hőerőgépeknek két fő típusa van: az egyikben a robbanás közvetlenül egy dugattyúra hat, a másikban pedig valamilyen közvetítő munkavégző közegen keresztül fejti ki hatását. Az első belső égésű motorban, amelynek legnyilvánvalóbb példája a benzinmotor, az üzemanyag elégetésekor a gáz halmazállapotú égéstermékek kitágulnak, és közvetlenül elmozdítják a dugattyút. A második típus a külső égésű motor.Ilyen például a gőzgép, amelyben a vízgőz a munkavégző közeg. Első lépésben az égő üzemanyag – például a szén – elgőzölögteti a vizet, majd a gőzt egy hengerbe vezetik, ahol az elmozdítja a dugattyút.

A külső égésű motor egy másik fajtáját Robert Stirling lelkész vezette be 1816-ban, Skóciában. A motor munkavégző közege eredetileg levegő volt, a későbbi típusokban azonban hidrogént vagy héliumot használtak. A Stirling-motor több szempontból is figyelemre méltó. A munkavégző közeget ugyanis folyamatosan újra használja. Üzemeltetéséhez bármilyen hőforrás megfelel. Ezért érdemes a környezetet legkevésbé szennyező anyagot kiválasztanunk üzemeltetéséhez, például a hidrogént, amelyet napenergia felhasználásával vízbontással nyerhetnénk, vagy szerves anyagok bomlása során keletkező biogázt is. Ezenkívül – elméletben legalábbis – a motor nagyon jó hatásfokkal alakítja át a hőt mechanikai munkává. Mindezek ellenére a Stirling motor háttérbe szorult. Az utóbbi időben az ötlet kezd ismét népszerűvé válni, mert környezetbarát és üzemeltetéséhez nemcsak kőolajszármazékok használhatók.

A Stirling-motor egy ideális Carnot-gép (reverzibilisen hűtőgéppé fordítható). Carnot-körfolyamatra más gépet is rá lehet építeni, ha a ciklusnak a hőtartályoktól elszigetelt részfolyamatában a gép munkaközegen kívüli elemei is részt vesznek. Ilyen például a Stirling-motor. Előnye a Carnot-körfolyamat alapján elképzelt géppel szemben, hogy tényleg működik (bár természetesen nem ideálisan). A Stirling-motor a munkaközeggázon kívül belső hőtartályokat is tartalmaz, amelyek a külső hőtartályoktól elszigetelt folyamatrészben a munkaközeggel termikus kölcsönhatásban vannak.

Azt a típust készítettük el osztálytársammal, amelyet Peter I. Tailer írt le egy cikkében. Az eredeti ötlet a philadelphiai K.Rider-től származik (1876). Ez a berendezés valószínűleg nem kelhetne versenyre a hagyományos, korszerű motorokkal, mert teljesítménye kicsi. Előnye viszont, hogy egyszerű anyagokból is elkészíthető, és jól tanulmányozható rajta a hőerőgépek működése. Ráadásul az építése közben felvetődött problémák segítenek abban is, hogy elméleti és gyakorlati ismereteket szerezzünk. A berendezés egyik vonzó tulajdonsága, hogy nincs szükség pontosan megmunkált dugattyúra és hengerekre, mindössze két, részben vízbe merülő konzervdobozra van szükségünk. A vizet a berendezés alján lévő két tartályba töltjük. A dugattyúknak megfelelő konzervdobozokat erősítsük egy-egy rúd végére, a rudak másik végét rögzítsük a berendezés tetején elhelyezett súlyokkal terhelt lendkerék hajtókarjához! A tartályokat, „hengereket” egymással és a bennük lévő konzervdobozokkal levegővel töltött cső köti össze. Ha az egyik tartályban lévő vizet valamilyen hőforrással, például lánggal melegítjük, akkor az összekötő csőben a levegő ide-oda áramlik, a dobozok hol fölemelkednek, hol lesüllyednek, és (percenként) néhány fordulatos sebességgel mozgásba hozzák a lendkereket. A működés a berendezés két, csekélynek tűnő tulajdonságával kapcsolatos. Az egyik a lendkerék hajtókarjának elrendezése: oldalról nézve a külső karok egymásra merőlegesek. A másik tulajdonság azzal függ össze, hogyan terjed a hő a berendezésben a hőforrás és az egyik konzervdobozt kitöltő levegő között.

 

Ötlet forrása / Indíttatás

Hobbi építés.

Felhasználási lehetöségek

Bemutatni a stirling hatékonyságát, valamint egymás készségét tesztelni ennek időre való megépítésével.

Elkészítési utasítás

Mielőtt részleteznénk Tailer berendezésének mûködését, nézzük meg a Stirling-motor mûködési elvét.

A két merev dugattyú pontosan egy hengerbe illeszkedik, amelynek belsejében jobbra-balra mozoghat, akár az ott uralkodó légnyomás hatására, akár egy hozzájuk kapcsolódó gépezet segítségével. A henger közepén egy regenerátor, valamilyen porózus anyag, például fémháló helyezkedik el, amely a gép működése közben átmenetileg hőt tárol. A dugattyúk közelében két állandó hőmérsékleten tartott hőtartály helyezkedik el. A bezárt levegő nyomása, hőmérséklete és térfogata ciklikusan változik: a levegő tehát állapotváltozások körfolyamatán megy keresztül. A dugattyú négy különböző helyzetben látható az 1. ábrán. Vegyük szemügyre először az 1-es állapotot, amely a rajzsorozat első ábrájának, illetve a diagram ferde négyszög bal felső sarkának felel meg (1-2. ábra). A jobb oldali, B jelű dugattyú közvetlenül a regenerátorral szomszédos, míg az A dugattyú attól valamivel távolabb helyezkedik el. A két dugattyú között nagy nyomású levegő helyezkedik el. Amint a hőtartály felmelegíti a levegőt, az kitágul, és az A dugattyút balra tolja. A dugattyúk közötti térfogat növekedése nyomáscsökkenéshez vezet. Táguláskor a levegő hőmérséklete a meleg tartály közelsége miatt állandó, ezért a tágulás izotermikus. A tágulást a nyomás-térfogatdiagram ferde négyszögének felső határoló görbéje írja le. Amikor az A dugattyú eléri bal szélső helyzetét, a levegő a 2-es állapotban van. Ezután mindkét dugattyú jobbra mozdul, de nem a melegítés, hanem a hozzájuk kapcsolt mechanikus szerkezet hatására, egészen addig, amíg A el nem éri a regenerátort, és így B a jobb szélső helyzetbe kerül. Ebben a pillanatban a levegő a 3-as állapotba kerül. Az elmozduló dugattyúk a levegőt átnyomják a regenerátoron, amely felveszi a hő egy részét, s ezáltal lehűti a levegőt. Mivel a dugattyúk összehangoltan mozognak, a közéjük zárt levegő térfogata állandó. Az ilyen állapotváltozást állandó térfogatúnak (izochornak) nevezzük. Ezután a B dugattyút a hozzá kapcsolódó gépezet balra tolja. Az összenyomódó levegő hőt ad le a hideg tartálynak. Mivel a hideg tartály hőmérséklete állandó, a levegő hőmérséklete sem változik. Az ilyen állapotváltozást izotermikus összenyomásnak nevezzük. Az összenyomás végén a levegő a 4-es állapotban van. A teljes körfolyamat befejezésére a gépezet mindkét dugattyút addig tolja balra, amíg azok ismét az 1-es állapotba nem kerülnek. Ez az állapotváltozás ismét állandó térfogaton történik. Miközben a levegő átáramlik a regenerátoron, felveszi azt a hőmennyiséget, amelyet az előző állandó térfogaton már leadott.

A gép működését a diagramon látható zárt görbe folyamatos, egymás utáni ismétlődése írja le. Az 1-es és a 2-es állapotok közötti átmenet során az egyik dugattyút a levegő tágulása mozgatja. A másik három átmenetben viszont a gépezet hajtja a dugattyúkat. A levegő munkaközegű Stirling-motor alapelve szerint a levegőt egy dugattyú ellenében munkavégzésre kényszerítik oly módon, hogy a levegő kifelé nyomja a dugattyút, és ezáltal növeli a dugattyúk közti térfogatot. A dugattyú mozgása ezután átvihető valamilyen gépezetre, amellyel a felvett energia hasznosítható. Ha azonban a levegő csak egyetlen egyszer tágulna ki, a motornak nem sok hasznát vennénk. A motornak valahogyan periodikusan össze kell nyomnia a levegőt, hogy az periodikusan kitágulhasson, és így a motor folyamatosan munkát végezhessen. Röviden: a levegőmennyiségnek állandó körforgásban kell lennie. Emlékezzünk azonban arra, hogy a levegő összenyomásához a gépezetnek munkát kell végeznie a levegőn. Ha az egyes körfolyamatokban a gépezetnek ugyanannyi munkát kell végeznie a levegőn, mint amennyit a levegő végez rajta, akkor az eredő munkavégzés nulla, azaz a motornak semmi haszna.

A probléma megoldása a levegőtartályok hőmérsékletkülönbségével kapcsolatos. Tételezzük fel, hogy a levegő munkavégzéskor mindig forró! A forró levegő molekulái erőteljesen nekiütköznek a dugattyúnak, ezért a nyomás is nagy lesz. Mivel a dugattyún végzett munka egyenesen arányos a gáz nyomásával, a munkavégzés számottevő. Tegyük fel ezután, hogy amikor a gépezet munkát végez a levegőn, akkor a hőmérséklet alacsony! Hidegben az ütközések gyengébbek, a nyomás is kicsi, így a levegőn végzett munka is csekély. Ha a levegő hőmérsékletét ily módon szabályozni tudjuk, akkor a levegő több munkát fejt ki a gépezetre, mint amekkora munkát a gépezet végez a levegőn. A hőmérséklet és a nyomás ilyen periodikus változása áll a Stirling-motor működésének hátterében. A levegő izotermikus tágulása révén akkor végez munkát az A dugattyún, amikor a hőmérséklete magas. A gépezet ezzel szemben akkor végez az izotermikus összenyomás révén munkát a levegőn, amikor az hideg. A motor tehát végeredményben munkát végez. A motor által egy ciklus alatt végzett munka a nyomás-térfogat-függvény alapján határozható meg. Az izotermikus tágulás során a levegő által végzett munkamennyiséget a megfelelő görbe szakasz alatti területet jelöli. Ezt a területet a görbe szakasz, a diagram vízszintes tengelye és az erre merőleges, az állapotváltozási görbe végpontjaiból kiinduló két szakasz határolja. Az izotermikus összenyomás során a levegőn végzett munkát a megfelelő görbe szakasz alatti terület jelöli. Az izochor állapotváltozáskor nem történik munkavégzés, mert a gáz térfogata változatlan. (Így az ehhez tartozó görbeszakaszok alatt fekvő terület nulla.) Ha ki akarjuk számítani a motor által a teljes körfolyamat alatt végzett nettó munka nagyságát, akkor ki kel vonnunk a tágulási görbe alatti területből az összenyomás szakasza alatti területet. Ez nem más, mint az aszimmetrikus négyszögön belüli terület.

Berendezésünk fázisai

Térjünk most vissza az általunk megépített berendezéshez! Ebben a fűtött tartály a meleg tartály, a másik a hideg tartály, amelynek hőmérsékletét a hősugárzás és a hőáramlás tartja fenn. A levegővel töltött térfogatok – többek közt a tartályokat összekötő cső – töltik most be a hengerek szerepét. Regenerátornak akár a cső, akár a belsejében elhelyezett fémháló is alkalmas, a lendkerék pedig gépezet, amihez a konzervdoboz-dugattyúkat erősítik (3. ábra).

A 4. ábra rajzsorozata azt szemlélteti, hogyan viselkedik a berendezés alsó részében rekedt levegő melegítéskor és a lendkerék mozgásakor. A rajzok nyolc különböző helyzetben a konzervdobozok és a vízszint emelkedését, levegő áramlásának irányát és a hajtókarok helyzetét mutatják. A hajtókarokon azt jelöltük m, ill. h betűvel, hogy melyik tartozik a meleg és melyik a hideg tartályhoz. A modell hasonló a tankönyvekben szereplőkhöz, azzal a különbséggel, hogy hiányoznak a valódi izotermikus és izochor átmenetek. Ennek ellenére, ha a levegő nyomását a hőmérséklete függvényében ábrázolnánk, akkor a tankönyvben szereplő motornál leírthoz hasonló körfolyamatot kapnánk. Kövessük a körfolyamatot, és figyeljük meg a motort abban a pillanatban, amikor a h-állapotot elhagyva éppen az a-ban van! Az a-állapotban meleg konzervdoboz gyorsabban emelkedik, mint ahogy a hideg süllyed. Ezután c eléréséig mindkét doboz emelkedik, majd a d-állapotig a hideg konzervdoboz gyorsabban emelkedik, mint ahogy a meleg süllyed. Figyeljük meg, hogy h és d között a meleg konzervdobozban több levegő van, mint a hidegben! Ez azt jelenti, hogy több levegő melegszik fel, mint amennyi lehűl, vagyis a levegő nyomása növekszik. Figyeljük meg azt is, hogy a h-tól d-ig tartó állapotváltozás során a levegő térfogata nő! A tágulást a többletnyomás hozza létre, tehát a levegő valóban végez munkát a konzervdobozokon és ezen keresztül a lendkeréken.

Amikor a motor a d-és az a-állapotok között mozog, a térfogat és a nyomás változása éppen ellentétes, itt a lendkerék végez munkát a levegőn. A konzervdobozok végső elmozdulásának következtében összenyomódik a levegő, a légáram a hideg doboz felé tartva csökkenti a hőmérsékletet és a nyomást. Amikor a gázt összenyomjuk, nyomása kicsi, a lendkerék által a levegőn végzett munka kisebb, mint amekkorát a korábbi h és d közötti szakaszban a levegő végzett a lendkeréken.

Építési instrukciók

A Tudomány című (sajnos azóta már megszűnt) folyóiratban találtunk ugyan a Stirling-motor összeállításához szükséges jól használható terveket, de az építés során a rendelkezésünkre álló anyagoktól tulajdonságaik miatt sok változtatást kellett végrehajtanunk. A hajtókarokat merev műanyagból (4 mm széles) alakítottuk ki, hogy az ne hajoljon el a motor működése közben. A forgattyús tengely 3 mm vastag alumíniumcsíkokra támaszkodik. A csíkokba lyukakat fúrtunk, tetejébe hornyot mélyítettünk a forgattyús tengely alátámasztására. A csíkokat – ezután az ábra szerint – egy fából készült kar belsejébe csavaroztuk. Lendkerékként olyan 20 cm átmérőjű csigát használtunk, amelynek kerületére szimmetrikusan elrendezve súlyokat rögzítettünk. A forgattyús-tengelyt úgy rögzítettük a lendkerékbe, hogy a hajtókarok egymással 90 fokos szöget zárjanak be.

A hideg- és melegvíz-tartályokat konzervdobozból készítettük. Az összekötő rudat merev műanyag pálcák alkotják, amelyek kb. 80 cm hosszúak. Az összekötő rudak végére 10 mm hosszan M5-ös menetet vágtunk, és csavarkötéssel rögzítettük az összekötő rúdhoz a kólás dobozból (felnőtteknek sörös dobozból) készült hengert. A hengerben biztosítani kellett a nyomás állandóságát (vagyis ne szökjön el a munkaközeg), ezért a levegő páratartalmának hatására vulkanizálódó szilikonkaucsukot (FBS tömítő és ragasztó) használtunk. Ez a hőhatásnak nagyon jól ellenáll.

Tartályként kb. 0,7 literes konzervdobozokat használtunk. A tartályokat 3/4 colos belső átmérőjű horganyzott acélcső köti össze. A tartályok alját átlyukasztottuk, és egy-egy 14 cm hosszú csődarabot illesztettünk a lyukba úgy, hogy a tartály alatt a cső mintegy 2,5 cm darabja álljon ki. A csöveket odaforrasztottuk a tartályokhoz. Miután mindkét tartályt ily módon előkészítettük, összeillesztettük a tartályokat az összekötő csővel, amelyet egy elvezetőnyílással láttunk el, ebbe menetet fúrtunk, hogy az összekötő csövet vízteleníteni tudjuk. Az összekötő cső egyik oldalába zárható nyílást készítettünk, hogy ha később regenerátort kívánunk behelyezni vagy kicserélni, könnyen szétbontható legyen.

A forgattyús-tengelyeken levő csavarokat úgy állítottuk be, hogy a lökethossz kb. négy centiméteres legyen. A lendkerékre erősített súlyokat úgy állítottuk be, hogy elég nagy legyen a tömege ahhoz, hogy a motor működése közben teljes fordulatot végezzen. Végül megolajoztuk a forgópontokat, és gondoskodtunk arról, hogy lendkerék és a dobozok könnyen mozogjanak.

A motor beindítása előtt a forgattyús-tengelyt olyan helyzetbe kell hozni, hogy mindkét hajtókar fölfelé mutasson, a függőlegessel 45 fokos szöget bezárva. Ezután kinyitva a lefolyót, töltsük fel a hideg tartályt hideg vízzel egészen addig, amíg a víz az összekötő csövön és a lefolyón keresztül ki nem folyik! Ezután engedjünk a meleg tartályba forró vizet, szintén addig, amíg a víz túl nem folyik! Majd zárjuk le a lefolyót, és kezdjük hevíteni a meleg tartályt, pl. borszeszégővel vagy merülőforralóval.

Működés közben

A lendkerék forgási sebessége a két tartály hőmérsékletkülönbségétől függ. Az általunk készített motor pl. percenként 10 és 20 közötti fordulatszámot ért el, amikor a tartályokban a víz hőmérséklete 93, ill. 16 Celsius-fok körül volt. Ha azonban a meleg tartályban egészen a forráspont közeléig melegítettük a vizet, a fordulatszám meghaladta a percenkénti 20-at. A motor működése hatékonyabbá tehető, ha az összekötő csőbe regenerátorként sűrű fémhálós, összetekert csíkokat helyezünk. Az is a működési tulajdonságok változását okozta, ha más munkaközeget használtunk. Mi boltban is kapható habpatronban található dinitrogén-oxidot használtunk. Az jelentette az egyetlen gondot, hogyan cseréljük le az eredetileg benn lévő levegőt erre a gázra, hogy csak az új munkaközeg legyen jelen. A megoldás végül az volt, hogy feltöltöttük vízzel a munkaközeget tartalmazó rudat, és kinyomtuk belőle a gázzal a vizet. Persze ehhez először egy szódásszifont feltöltöttünk gázzal, majd egy hajlékony műanyag csővel toldottuk meg a kiömlőnyílását. Az új munkaközeggel a motor már kisebb hőmérsékleten forgásba jött (kb. 80 Celsius-fok). Az ok, ami miatt ez a változás bekövetkezett, az lehet, hogy a levegő és a gáz átlagos molekulatömege más. A gáz esetén ez egy mólra 44 gramm, a levegő esetén kevesebb (29 gramm/mól az átlagos érték levegőre), mivel a levegő nagy része nitrogénből áll, a gáz nyomása pedig függ az őt alkotó gáz molekuláinak tömegétől! Úgy látjuk, ezt még tovább kell gondolni, hiszen nem biztos, hogy mindent figyelembe vettünk.

Fejlesztés

A hőmérséklet mellett a készülék más paramétereit is megváltoztathatjuk. Például a következő változásokat szeretnénk kipróbálni, hogy a kérdésekre választ kaphassunk: gyorsabban forog-e a lendkerék, ha a megváltoztatjuk a lökethosszat? Mi történik, ha a hajtókarok által bezárt szög nem 90 fokos? Más regenerátoranyagok javíthatják-e a motor teljesítményét? Növekszik- e a teljesítmény, ha víz helyett más folyadékot használunk? Növekszik-e a teljesítmény, ha levegő helyett más munkaközeget használunk? Mi történik ha megváltoztatjuk az összekötő rúd hosszát, és ezáltal növeljük vagy csökkentjük a dobozokba zárt levegőoszlop magasságát?

 Hozzávalók, beszerzési útmutató

Ezt még össze kell szedni…

Ssz. Megnevezés Menny. Egység ra Pénznem Beszállító neve
1 példa alkatrész 3 db 25,2 EUR példa cég1 Kft; példa cég2 Kft
2 stb…

Melléklet

Irodalom

Dede Miklós – Demény András: Kísérleti Fizika 2. Tankönyvkiadó, Bp., 1983
Budó Ágoston: Kísérleti Fizika I. kötet, Tankönyvkiadó, Bp., 1978
Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete, Gondolat Kiadó, Bp., 1978
Jearl Walker: Egyszerûbb anyagokból házilag is készíthetünk Stirling-motort, Tudomány (Sajnos csak a cikk fénymásolata van meg, így az évfolyamot nem tudtuk eddig kideríteni)

Készítette

MIHUCZ SÁNDOR – MOLNÁR JÓZSEF Bánki Donát Mûszaki Középiskola, Nyíregyháza

Hasonló termékek

Ha találok, írok ide…

Ssz. Megnevezés ra Pénznem Beszállító neve
1 példa kütyü 243,2 EUR példa cég1 Kft; példa cég2 Kft
2 stb…

 

Kategória: Gépészet, Műhelyek, Zöld energia | A közvetlen link.

2 Responses to Stirling motor kísérlet házilag

  1. A Stirling motorról van irodalmam. Átnézem ,aztán küldöm.

  2. Révész József szerint:

    Tisztelt mérnök jelölt, vagy már mérnök urak? ‘minden vélemény számit’, ime itt van egy. : A meghajtó tengelyen a 40 mm hosszú emelőkar miatt, gyengébb és lassabb a forgás. Érdemes volna kb 1 harmad távolsággal (13 mm) csökkenteni azt.Ez löket hossz rövidülést, gyorsabb ütemet, és nagyobb erőt eredményez, szerintem. A viz a legjobb hőtároló közé tartozik,de egyben nagyon leárnyékolja az állandó hőt. Jelen esetben 100 c fok körülire. Ez nagyon alacsony. Érdemes volna olyan olajat keresni amely magasabb forrás ponton forr, és még jól tömiti, a sörös dobozba zárt levegőt. A kukta jellegű nagy nyomású forró viz is szóba jöhetne, de ez nagyon macerás is lehet, viszont azonnal láng takarékosságot, tüzelőszer takarékosságot jelent.Ez viszont a láng tartomány magasságát, méretét, biztositó berendezés megteremtését igényli.Volna még néhány gondolatom, de ennyi egyenlőre elég. Ha önök ezt a néhány gondolatot gatyába rázzák, lehet hogy nagyot lépnek előrre. Köszönöm a türelmüket. Ha nem esik nehezükre azért egy rövid kritikát irhatnak. Üdvözlettel Ré Jó

Minden vélemény számít!

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.

*

Ez a weboldal az Akismet szolgáltatását használja a spam kiszűrésére. Tudjunk meg többet arról, hogyan dolgozzák fel a hozzászólásunk adatait..