Wie man eine Cola-Dose Stirling-Motor macht

Wie kann man daraus einen kleinen Motor machen? Möchten Sie mehr erfahren? Schauen Sie sich diese Automotorenbilder an! Sean Ellis / Wahl des Fotografen / Getty Images

Wenn Sie ein paar Getränkedosen und ein paar andere leicht zu findende Zubehörteile haben, können Sie einen der ersten kommerziell realisierbaren Motoren nachbauen, die jemals hergestellt wurden. Obwohl ein Cola-Dosen-Stirling-Motor klein ist, spricht er immer noch unsere kollektive mechanische Seele an, wenn er auf einem Regal herumwirbelt, ein Schwungrad dreht, ein paar Lüfterblätter dreht oder sogar ein paar Watt erzeugt.

Seine Einfachheit erinnert an eine andere Zeit. Und ob als Proof of Concept, als interessantes Modell, als Gesprächsstoff oder als kinetische Skulptur - die Herstellung eines Getränkedosen-Stirling-Motors ist eine großartige Möglichkeit, in die Vergangenheit zu treten.

Der Stirling-Motor war das Gehirnkind von Robert Stirling, der das Konzept 1816 erfand. Die Idee hinter seinem Motor war, Luft zum Antrieb eines Motors zu verwenden und nicht die damals aufstrebende Technologie - Dampf.

Was Stirlings Motor von anderen unterschied, war die Verwendung eines "Economizers", der den Kraftstoffverbrauch verbesserte. Dies ist jetzt als Regenerator bekannt. Zwischen 1816 und 1843 verfeinerten Stirling und sein Bruder James das Design und die Effizienz des Motors. Mitte des 19. Jahrhunderts trieben seine Motoren wichtige Industrien einschließlich Gießereien an. Sein Motor sowie die meisten Heißluftmotoren waren jedoch besser für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch geeignet. Sein Wunsch, eine sicherere Alternative zu den oft explodierenden Dampfmaschinen zu schaffen, wurde durch den Bedarf an mehr Leistung für den Betrieb wachsender Industrien zunichte gemacht.

Das erste, was Sie über einen Stirlingmotor wissen sollten, ist, wie die Teile zusammenpassen und wie sie funktionieren.

Inhalt

1. Zubehör für den Bau eines Cola-Dosen-Stirlingmotors
2. Vorbereitungen für den Bau eines Cola-Dosen-Stirlingmotors
3. Zusammenbau eines Cola-Dosen-Stirlingmotors

Nehmen Sie Stirlings Regenerator weg und Sie haben einen Heißluftmotor. Wie ein Heißluftmotor funktioniert, ist einfach. Luft wird zum sogenannten "Arbeitsmedium". Eine Wärmequelle, bei den meisten Getränkedosen-Stirlingmotoren, dies ist eine Teelichtkerze, erwärmt die Luft und bewirkt, dass sie sich ausdehnt. Die Luft wird dann abgekühlt, wodurch sie sich zusammenzieht. Die Expansion und Kontraktion der Luft oder des Arbeitsmediums ist ein thermodynamischer Zyklus. Verwenden Sie jetzt diesen thermodynamischen Zyklus, um einen Kolben zu bewegen, und Sie haben dem thermodynamischen Zyklus effektiv erlaubt, nützliche mechanische Arbeit zu erzeugen. Wenn Sie eine Kurbelwelle am Kolben befestigen und ein Schwungrad hinzufügen, haben Sie die Grundlagen eines Motors.

Wenn Sie einen Stirling-Motor bauen, lernen Sie mehr als nur ein paar Lektionen über die Hausbrautechnik. Vor allem macht das Erstellen eines solchen eine Menge Spaß und gibt Ihnen die Möglichkeit, kreativ mit dem zu werden, was die meisten Leute als Müll betrachten. Und zu sehen, wie es funktioniert, bringt es auf eine ganz neue Ebene.

Klingt einfach? Es ist so, aber es dauert noch eine Weile, bis der Motor gebaut ist. Sie benötigen mehr Komponenten, ein paar Materialien und ein Verständnis dafür, wie sie alle zusammenpassen, bevor Ihr Motor kaputt geht.

Folgendes benötigen Sie:

• Drei (3) Getränkedosen
• Ein (1) Ballon
• Zwei (2) Speichennippel
• Vier (4) 5A elektrische Klemmenblöcke
• Stahldrahtwolle
• Ein Flaschenverschluss aus einer Plastikflasche
• Stahldraht
• Kupferkabel
• Dübelstange
• Elektrisches Kabel
• Angeldraht
• Drei (3) CDs
• Dosenöffner
• Allzweckmesser
• Superkleber [Quelle: ScrapToPower.com]

Lassen Sie uns einen Rundgang durch die Komponenten machen, die Sie konstruieren werden, und sehen, wie sie funktionieren, was sie tun und wie alles zusammenpasst.

Stirling Geschichte

Robert Stirling war nicht der erste, der einen Luftmotor versuchte, aber er war der erste, der ein tragfähiges kommerzielles Produkt entwickelte, und sein Motorkonzept wurde 1818 zum Antrieb einer Wasserpumpe in einem Steinbruch verwendet.

Eine einfache Teelichtkerze kann die Wärme für einen Getränkedosen-Stirlingmotor liefern. Lisa Romerein / Die Bilddatenbank / Getty Images

"Man muss wie ein Uhrmacher denken", sagt Jim Larsen, ein langjähriger Stirling-Motorenbauer, Autor und Pädagoge. "Sie müssen auf die Details achten. Wenn Sie auf die Details achten, haben Sie bessere Erfolgschancen."

Die Hauptkomponenten eines Stirlingmotors sind relativ einfach und unkompliziert. Während wir uns auf einen Getränkedosenmotor konzentrieren, wurden Motoren aus Materialien gebaut, die von Farbdosen bis zu Ölfässern reichen. Larsen sagte während einer Thanksgiving-Herausforderung während eines Besuchs bei Schwiegereltern, er habe einen Stirling-Motor aus verschiedenen Baumarktmaterialien gebaut, darunter Töpfe und Pfannen.

Aluminium-Getränkedosen bieten vorgefertigte, vorgeformte Formen, die perfekt für die Motoren geeignet sind. Sie sind auch einfach zu handhaben und natürlich sehr billig. Und obwohl sie nicht robust genug für den ernsthaften Einsatz sind, halten sie der Mikroleistung stand, die von den meisten Motorplänen erzeugt wird.

Das Druckkammer ist ein Gefäß, das die unverlierbare Luft oder Arbeitsflüssigkeit innerhalb des geschlossenen Systems hält. Hier wird die Luft während des thermodynamischen Zyklus erwärmt und gekühlt. Während Luft- und Drucklecks der Fluch vieler Motoren sein können, benötigt die Druckkammer tatsächlich ein kleines kontrolliertes Leck. Ohne dieses Leck würde die Kammer einfach zu einem Barometer werden und nur auf Änderungen des Luftdrucks der sie umgebenden Luft reagieren.

Laut Larsen entscheiden sich viele Stirlingbauer dafür, das Arbeitsmedium in der Druckkammer von Luft auf Helium umzustellen, das während des thermodynamischen Zyklus besser reagiert.

Das Fahrmechanismus nutzt die Expansion und Kontraktion der Luft in der Druckkammer, um eine Kurbelwelle anzutreiben. Der Antriebsmechanismus kann entweder an der Seite des Motors angebracht oder in die Struktur des Motors integriert werden.

Für Larsen ist die Kurbelwelle ist der kritischste Teil des Motors und beeinflusst jeden Teil des Ganzen, vom Timing über die Verdrängerfahrt bis zur Geschwindigkeit des Schwungrads und dem Gleichgewicht des Ganzen. "Dies ist ein Teil, für den Sie Zeit aufwenden möchten, um es richtig zu machen", sagte Larsen.

Das Schwungrad dient als mehr als Anzeige, dass der Motor arbeitet. Es wirkt wie ein Energiespeicher. Ein gut ausbalanciertes Schwungrad nimmt die beim Arbeitshub des Motors entstehende Energie auf und speichert sie. Wenn Energie benötigt wird, um den Verdränger nach unten zu drücken, liefert das Schwungrad seine gespeicherte Energie, um Reibung und andere Kräfte zu überwinden. Ohne ein gutes Schwungrad würde der Verdränger einfach auf die Oberseite der Kammer steigen und dort bleiben.

Laut Larsen ist ein ausgewogenes Schwungrad der Schlüssel zur Effizienz. Wenn das Rad nicht ausgewuchtet ist, muss der Motor härter arbeiten, um es zu bewegen. "Sie wollen nicht, dass der Motor mehr Arbeit leistet als nötig", sagte er.

Das Verdränger in einem Heißluftmotor dient dazu, die Luft innerhalb der Druckkammer zu verdrängen. Denken Sie daran, dass der Motor nicht ohne den thermodynamischen Zyklus laufen kann, in dem Luft erwärmt und gekühlt wird, was zu Expansion und Kontraktion führt. Wenn die Druckkammer einfach erwärmt würde, ohne dass sich darin etwas befindet, um die Luft zu verdrängen, würde sich die Luft im Inneren erwärmen und ausdehnen, sich aber niemals zusammenziehen.

Mit der Wärmequelle unten nutzt der Heißluftmotor auch die Kühlung oben, normalerweise Eis oder kaltes Wasser, um die Luft zu kühlen. Wenn die Luft erwärmt wird, dehnt sie sich aus und bewegt den Verdränger in die Nähe der Oberseite der Druckkammer. Am oberen Ende der Kammer wird die Luft gekühlt, zieht sich zusammen und bewegt den Verdränger nach unten. Dies alles geschieht mit Hilfe des Antriebsmechanismus, der Kurbelwelle und des Schwungrads.

Der Verdränger ist am häufigsten ein gerolltes Stück Stahlwolle mit einem leichten Draht, der durch die Mitte verläuft. Erinnerst du dich, als Larsen davon sprach, wie ein Uhrmacher denken zu müssen? Dies ist eine dieser Zeiten. Der Verdränger muss in der Lage sein, frei in der Druckkammer zu gleiten und gleichzeitig den größten Teil davon zu füllen. Es muss den freien Luftstrom ermöglichen und gleichzeitig einen Teil des Luftstroms einschränken. Die Idee ist, die Reibung zu minimieren und die Wirksamkeit zu maximieren. Dieses Thema ist eine Konstante während des gesamten Aufbaus des Motors.

Das Wärmebox ist einfach ein Ständer, auf dem der Motor sitzt. Die Wärmequelle befindet sich unter dem Motor.

Dies scheint eine Menge Arbeit für nicht viel Rendite zu sein. Aber es gibt ein spürbares Gefühl, wenn Sie den Motor fertig stellen, Fehler beheben, um ihn zum Laufen zu bringen, und sehen, wie er von selbst aufbläst. Für Larsen begann seine Faszination vor mehr als einem halben Jahrzehnt, während Ihre Faszination in nur wenigen Tagen beginnen konnte.

Video

Schauen Sie sich dieses Video und einige andere online an, um einen Getränkedosen-Stirling-Motor in Aktion zu sehen.

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Quellen

• Brown, Buster. "Wie Heißluftmotoren funktionieren." Heißluftmotoren. (29. Februar 2012) http://www.hotairengines.com/WorkingDescription/Work.htm
• Herausgeber des Make Magazine; "Das Beste aus Make." O'Reilly Media, Inc. 2007. Seiten. 306-317.
• Larsen, Jim. StirlingBuilder.com. (29. Februar 2012) http://www.stirlingbuilder.com/
• Larsen, Jim. Persönliches Interview. 2. März 2012
• Larsen, Jim. "Elf Stirlingmotorprodukte, die Sie bauen können." Eigenverlag, Januar 2012. (29. Februar 2012)
• Larsen, Jim. "Schneller und einfacher Stirlingmotor." Eigenverlag. September 2011. (29. Februar 2012)
• Schön, Karim. "Wie Stirlingmotoren funktionieren." .com. 4. Mai 2001. (29. Februar 2012) https: //www..com/stirling-engine.htm
• Purvis, Ben. "Dean Kamen entwickelt einen Öko-Hybrid, der auf alles läuft, was brennt." Gizmag.com, 28. Juni 2009. (1. März 2012) http://www.gizmag.com/dean-kamen-segway-hybrid-scooter/12096/