Pokud máte několik plechovek od sody a několik dalších snadno dostupných doplňků, můžete znovu vytvořit jeden z prvních komerčně životaschopných motorů, které byly kdy vyrobeny. Přestože je Stirlingův motor z plechovky koly malý, stále promlouvá k naší kolektivní mechanické duši, když šuká a kousne na polici, otáčí setrvačníkem, roztáčí několik lopatek ventilátoru nebo dokonce generuje několik wattů.
Svou jednoduchostí evokuje jinou dobu. A ať už se na to díváte jako na důkaz konceptu, zajímavý model, kus konverzace nebo kus kinetické sochy, výroba Stirlingova motoru z plechovky sody je skvělý způsob, jak vkročit do minulosti.
Stirlingův motor byl mozkovým dítětem Roberta Stirlinga, který tento koncept vynalezl v roce 1816. Myšlenka jeho motoru spočívala v použití vzduchu k pohonu motoru, spíše než v té době nastupující technologii – páru.
Co odlišovalo Stirlingův motor od ostatních, bylo použití „ekonomizéru“, který zvyšoval spotřebu paliva. Toto je nyní známé jako regenerátor. Mezi lety 1816 a 1843 Stirling a jeho bratr James zdokonalili konstrukci a účinnost motoru. V polovině 19. století jeho motory poháněly hlavní průmyslová odvětví včetně sléváren. Jeho motor, stejně jako většina horkovzdušných motorů, byl však vhodnější pro aplikace s nízkým výkonem. Jeho touha vytvořit bezpečnější alternativu k často explodujícím parním strojům byla poražena potřebou většího výkonu pro provoz rostoucích průmyslových odvětví.
První věc, kterou byste měli vědět o Stirlingově motoru, je to, jak spolu díly jdou a jak fungují.
Obsah
Odeberte Stirlingův regenerátor a máte horkovzdušný motor. Jak horkovzdušný motor funguje, je jednoduché. Vzduch se stává tím, čemu se říká „pracovní tekutina“. Zdroj tepla, v případě většiny Stirlingových motorů na výrobu sody, je to čajová svíčka, ohřívá vzduch a způsobuje jeho expanzi. Vzduch se poté ochladí, což způsobí jeho smrštění. Expanze a kontrakce vzduchu nebo pracovní tekutiny je termodynamický cyklus. Nyní použijte tento termodynamický cyklus k pohybu pístu a účinně jste umožnili termodynamickému cyklu produkovat užitečnou mechanickou práci. Když připojíte klikový hřídel k pístu a přidáte setrvačník, máte základy motoru.
Projděte se stavbou jednoho Stirlingova motoru a naučíte se více než pár lekcí o inženýrství domácího vaření. Stavba jednoho je ze všeho nejvíc zábavná a dává vám šanci být kreativní s tím, co většina lidí považuje za haraburdí. A vidět, jak to funguje, to posouvá na zcela novou úroveň.
Zní to jednoduše? Je, ale ještě chvíli zbývá, než bude motor postaven. Budete potřebovat více komponentů, několik materiálů a pochopení toho, jak do sebe všechny zapadají, než váš motor odfrkne.
Zde je to, co budete potřebovat:
Pojďme si projít komponenty, které budete konstruovat, uvidíme, jak fungují, co dělají a jak to všechno do sebe zapadá.
Stirlingova historieRobert Stirling nebyl první, kdo se pokusil o vzduchový motor, ale byl prvním, kdo vytvořil životaschopný komerční produkt, a jeho konstrukce motoru byla uvedena do provozu v roce 1818 pro pohon vodního čerpadla v lomu.
„Musíte myslet jako hodinář,“ říká Jim Larsen, dlouholetý konstruktér Stirlingových motorů, autor a pedagog. "Musíte věnovat pozornost detailům. Pokud budete věnovat pozornost detailům, máte větší šanci na úspěch."
Hlavní součásti Stirlingova motoru jsou relativně jednoduché a přímočaré. Zatímco se zaměřujeme na motor z plechovky od sody, motory byly vyrobeny z materiálů od plechovek od barev po sudy s olejem. Larsen řekl, že během výzvy na Den díkůvzdání při návštěvě tchánů postavil Stirlingův motor z nejrůznějších materiálů železářství, včetně hrnců a pánví.
Hliníkové plechovky od sody nabízejí hotové, předtvarované tvary ideální pro motory. Také se s nimi snadno pracuje a jsou samozřejmě velmi levné. A přestože nejsou dostatečně robustní pro seriózní použití, vydrží výkon mikrokoní, který produkuje většina motorů.
tlaková komora je nádoba, která zadržuje vzduch nebo pracovní tekutinu v uzavřeném systému. Zde se vzduch ohřívá a ochlazuje během termodynamického cyklu. Zatímco úniky vzduchu a tlaku mohou být postrachem mnoha motorů, tlaková komora ve skutečnosti potřebuje malý kontrolovaný únik. Bez tohoto úniku by se komora jednoduše stala barometrem a reagovala by pouze na změny barometrického tlaku vzduchu kolem ní.
Larsen řekl, že mnoho Stirlingových stavitelů se rozhodlo změnit pracovní tekutinu v tlakové komoře ze vzduchu na helium, které lépe reaguje během termodynamického cyklu.
mechanismus pohonu využívá expanzi a kontrakci vzduchu uvnitř tlakové komory k pohonu klikového hřídele. Hnací mechanismus může být buď připevněn k boku motoru, nebo může být integrován do konstrukce motoru.
U Larsena klikový hřídel je nejkritičtější částí motoru a ovlivňuje každou část celku, od načasování, přes zdvih přestavníku až po rychlost setrvačníku a rovnováhu celku. "Toto je část, kterou chcete strávit čas, abyste to udělali správně," řekl Larsen.
setrvačník slouží pouze jako indikace, že motor funguje. Funguje jako něco jako zařízení pro ukládání energie. Dobře vyvážený setrvačník odebírá energii vytvořenou během zdvihu motoru a ukládá ji. Když je potřeba energie ke stlačení přestavníku dolů, setrvačník poskytuje svou uloženou energii k překonání tření a dalších sil. Bez dobrého setrvačníku by přemísťovač jednoduše vystoupal do horní části komory a zůstal by tam.
Larsen řekl, že dobře vyvážený setrvačník je klíčem k účinnosti. Není-li kolo vyváženo, motor musí vynaložit větší úsilí, aby s ním pohnul. "Nechcete, aby motor dělal více práce, než musí," řekl.
Vytlačovač v horkovzdušném motoru slouží k vytlačení vzduchu v tlakové komoře. Pamatujte, že motor nemůže běžet bez termodynamického cyklu, kde se vzduch ohřívá a ochlazuje, což způsobuje expanzi a kontrakci. Pokud by byla tlaková komora jednoduše zahřátá, aniž by v ní bylo cokoli, co by vytlačilo vzduch, vzduch uvnitř by se zahřál a expandoval, ale nikdy by se nestáhl.
Když je zdroj tepla dole, horkovzdušný motor využívá k chlazení vzduchu i chlazení nahoře, obvykle ledovou nebo studenou vodou. Jak se vzduch ohřívá, expanduje a posunuje přetlačovač do blízkosti horní části tlakové komory. V horní části komory se vzduch ochlazuje, smršťuje a posunuje přetlačovač dolů. To vše se děje pomocí hnacího mechanismu, klikového hřídele a setrvačníku.
Vytlačovač je nejčastěji válcovaný kus ocelové vlny s lehkým drátem procházejícím středem. Pamatujete si, když Larsen mluvil o nutnosti myslet jako výrobce hodinek? Tohle je jeden z těch časů. Vytěsňovač musí mít možnost volně klouzat v tlakové komoře a zároveň ji většinu plnit. Musí umožnit volné proudění vzduchu a zároveň omezit část proudění. Cílem je minimalizovat tření a maximalizovat účinnost. Toto téma je konstantní v celé konstrukci motoru.
tepelný box je prostě stojan, na kterém sedí motor. Zdroj tepla je umístěn pod motorem.
Zdá se, že je to hodně práce za malou návratnost. Ale je tu hmatatelný pocit, když dokončíte motor, vyřešíte práce, aby se rozběhl, a uvidíte, jak sám od sebe bafá. Pro Larsena začala jeho fascinace před více než půl dekádou, zatímco ta vaše by mohla začít již za pár dní.
VideoChcete-li sledovat Stirlingův motor v plechovce od limonády v akci, podívejte se na toto video a několik dalších online.
Zdroje
