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MODELLIEREN
Modell eines Stirlingmotors. Tipps für einen Modellbauer
Verzeichnis / Funksteuerungsausrüstung Der Stirlingmotor ist ein externer Verbrennungsmotor, bei dem dem Arbeitsmedium (in unserem Fall der Luft) Wärmeenergie von außen zugeführt wird – durch die Zylinderwand. Sein Funktionsprinzip basiert auf einem bekannten physikalischen Gesetz – der Ausdehnung und Kontraktion von Luft beim Erhitzen und Abkühlen. Daher wird Stirling auch als luftthermische Maschine bezeichnet. Um die Funktionsweise des Motors zu verstehen, den Stirling bereits 1816 entwickelte, hilft uns das in S. Baranovs Buch „Working Models of Thermal Engines“ (veröffentlicht 1936) beschriebene Modell. Lassen Sie uns zunächst darüber sprechen, wie das Stirling-Modell funktioniert. Es besteht aus vier Hauptteilen: zwei kommunizierenden Zylindern – Wärmetauscher 6 und Arbeitszylinder 3, einer Heizkammer – nennen wir sie Feuerraum 4 – und einem Kaltwassertank (er ist in den Diagrammen I-III nicht dargestellt, siehe im Allgemeinen). Blick auf den Motor).
Im oberen Teil des Wärmetauscherzylinders 6 ist eine Kammer 7 für Wasser hermetisch abgeschlossen. Seine Aufgabe ist es, die erwärmte Luft abzukühlen. Durch diese Kammer verläuft die Kolben-Verdrängerstange 5. Der Verdränger ist mit Spalt in den Zylinder 6 eingebaut, ohne die Wände zu berühren. Der Arbeitskolben 2 hingegen sitzt fest am Zylinder 3 und bewegt sich praktisch spaltfrei an diesem entlang. Untereinander sind der Verdränger 5 und der Arbeitskolben 2 über einen Kurbeltrieb verbunden, wobei Kurbel und Exzenter mit einer Phasenverschiebung von 90° zueinander eingebaut sind. Die Zylinder sind durch ein Rohr miteinander verbunden, sodass Luft problemlos vom Wärmetauscher zum Arbeitszylinder und umgekehrt gelangen kann. Der Kurbeltrieb besteht aus einer Kurbel mit Pleuel und einer Achse (Knoten 8), einem Exzenter 1 und einem Schwungrad 9. Der Schwungraddurchmesser beträgt 80 mm und der Abstand von der Achse zum Exzenterzapfen beträgt 14 mm. Angenommen, wir stellen die Spirituslampe in Ofen 4 und beginnen, den Boden von Zylinder 6 zu erhitzen. Nach einer Weile erwärmt sich die Luft unter dem Verdrängerkolben (und dehnt sich daher aus) und strömt nach oben (denken Sie daran: Es gibt einen Spalt zwischen Verdränger und Zylinderwand). Bewegen wir das Schwungrad 9 aus dem Totpunkt und der Kolben-Verdränger 5 beginnt zu steigen, während er kalte Luft von oben nach unten verdrängt. Auch der Arbeitskolben 2 beginnt sich langsam zu bewegen. Kalte Luft, die mit dem heißen Boden des Zylinders 6 in Kontakt kommt, erwärmt sich, der Druck steigt und die Luft strömt durch das Rohr in den Arbeitszylinder 3. Unter ihrem Einfluss strömt der Kolben 2 beginnt seinen Arbeitstakt. Der Kolben bewegt sich nach oben und der Verdränger hat inzwischen bereits begonnen, sich nach unten zu bewegen, da ihre Phasen, wie bereits erwähnt, um 90° verschoben sind. Der Kolben hat die obere Position eingenommen und beginnt unter dem Einfluss der Trägheit des Schwungrads 9 abzusinken, wodurch die abgesaugte Luft, die ihre ursprüngliche Wärme verloren hat, in den Zylinder 6 verdrängt wird. Im oberen Teil des Wärmetauscherzylinders kühlt es noch stärker ab und nimmt an Volumen ab. Beim Rückwärtshub des Arbeitskolbens beginnt der Verdränger wieder zu steigen und destilliert erneut kalte Luft von oben nach unten. Bei Kontakt mit dem heißen Boden des Zylinders 6 erwärmt sich die kalte Luft, dehnt sich aus und der Zyklus wiederholt sich. Das Wichtigste beim Betrieb eines solchen Motors ist die Luftkühlung. In unserem Modell geschieht dies durch Wasser, das aus einem neben dem Motor installierten Reservoir kommt. Sobald das Wasser in Kammer 7 durch heiße Luft erhitzt wird, strömt es durch das Rohr nach oben und gelangt in den Tank. Und stattdessen fließt durch das untere Rohr kaltes Wasser aus dem Tank. In der Physik nennt man dieses Phänomen thermische Konvektion. Nun, wie man ein Modell des Motors erstellt.
Beide Zylinder 3 und 6, Feuerraum 4 lassen sich am einfachsten aus Zinn löten. Schneiden Sie zunächst den Rohling für Zylinder 6 aus (seine Breite beträgt ca. 223 mm), bohren Sie Löcher mit einem Durchmesser von 4,2 mm für die Achse und biegen Sie ihn dann zu einem runden Rohling. Löten Sie den Zylinder. An den Außenseiten seiner Ohren sind Lötbuchsen mit einem Innendurchmesser von mindestens 4,2 mm angebracht – sie dienen als Lager. Beginnen Sie dann mit der Herstellung der Wasserkammer 7. Schneiden Sie zwei Kreise entsprechend dem Durchmesser des resultierenden Zylinders aus der Dose aus. Bohren Sie in der Mitte Löcher für ein Rohr mit einem Innendurchmesser von ca. 3 mm (seine Länge beträgt 32 mm). Löten Sie das Rohr so in die Kreise ein, dass der Abstand zwischen ihnen 30 mm beträgt. Befestigen Sie das resultierende Teil durch Löten im Inneren des Zylinders, wobei Sie von der Unterkante um 35 mm abweichen. Versuchen Sie, diesen Vorgang so sorgfältig wie möglich durchzuführen. Kammer 7 muss luftdicht sein und es darf kein Wasser durch die Wände eindringen. Der Verdränger 5 besteht aus einem leichten Holzzylinder, dessen Durchmesser etwa 2,5 mm kleiner ist als der Innendurchmesser des Zylinders 6 (seine Höhe wird experimentell gewählt) und einem Stab aus einer Stricknadel mit einem Durchmesser von 2,8 mm. Decken Sie den Zylinder auf beiden Seiten mit Blechkreisen ab. Bohren Sie entsprechend dem Durchmesser der Stange ein Loch in die Mitte des Zylinders und stecken Sie die Stange fest hinein. Um zu verhindern, dass es durch Erhitzen herausspringt, löten Sie es an Zinnkreise. Der Stab sollte sich frei und ohne übermäßige Reibung entlang des Rohrs der Kammer 7 bewegen können. Bohren Sie ein Loch für den Pleuelstift oben in den Vorbau. Achten Sie besonders auf Zylinder 3 und Kolben 2. Von deren Qualität hängt die Funktion des gesamten Modells ab. Der Zylinder kann aus einem Stück Kupferrohr mit einer Länge von 40 mm und einem Durchmesser von 18 bis 20 mm hergestellt und von unten mit einem Messingkreis verlötet werden. Vergessen Sie nicht, in den fertigen Zylinder ein Loch zu bohren, um ihn mit einem großen Zylinder zu verbinden. auf einer Drehbank. Die Stange ist oben am Kolben angelenkt. Das Werkstück des Ofens 4 muss ebenfalls auf einem runden Rohling gebogen werden, nachdem zuvor Löcher für Luft und Befestigungsschrauben darin gebohrt wurden. Es ist wünschenswert, es direkt auf den fertigen Zylinder 6 zu löten. Jetzt müssen Sie das Modell zusammenbauen: Zylinder 3 löten, Kolben 2 darauf montieren, ein Rohr in die Zylinder einlöten, um miteinander zu kommunizieren, den Kurbelmechanismus montieren, löten Boden des Zylinders 6. Das fertige Motorgehäuse am Ofen montieren 4 und durch Löten befestigen. Der Wasserkühlungsbehälter ist eine Blechdose mit unten und oben angelöteten Rohren, an denen Gummischläuche befestigt sind. Der Tank ist neben dem Motor auf einem Holzständer befestigt. Zusammenfassend stellen wir fest, dass der Stirlingmotor auf einem solchen physikalischen Phänomen beruht: Die Arbeit, die heiße Luft bei der Expansion verrichtet, ist größer als die Arbeit, die für ihre Kompression aufgewendet werden muss. Versuchen Sie daher, die Kinematik des Modells besser zu debuggen, um die Reibung in sich bewegenden Knoten zu minimieren. Ein paar Worte zu modernen Stirlings. Schon heute werden Verbrennungsmotoren gebaut, die anderen Motoren in mancher Hinsicht voraus sind. Heute sind sie nicht mehr so wuchtig wie im letzten Jahrhundert. Als Arbeitsmedium nutzen sie leichtes Gas: Helium oder Wasserstoff (Robert Stirling verwendete Luft). Der Betrieb moderner Stirlingmotoren wird durch die äußere Umgebung nicht beeinflusst: Unter Druck in das Gehäuse gepumptes Gas befindet sich in einem geschlossenen Volumen. Daher können moderne Stirlingmotoren fast überall eingesetzt werden: im Wasser, unter der Erde und im Weltraum, also dort, wo herkömmliche Motoren nicht funktionieren können. Autor: W. Gorstkow
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