Stirlingův motor. Řešitelé: Jan Bohuslav, Jindřich Bareš Vedoucí: Mgr. Zdeněk Polák

Transkript

1 Stirlingův motor Nekoř 12. srpna 2010 Řešitelé: Jan Bohuslav, Jindřich Bareš Vedoucí: Mgr. Zdeněk Polák Úvod: Naším cílem bylo sestrojit funkční model Stirlingova motoru a seznámit se s principem jeho funkce. Teorie: Stirlingův motor je tepelný stroj, to znamená, že přeměňuje teplo na práci. Funguje na principu tepelné roztažnosti plynů. Skládá se ze dvou propojených válců a dvou pístů. Jeden píst je pracovní a druhý přepouštěcí. Přepouštěcí píst netěsní ve svém válci a slouží pouze k přesouvání plynu od ohřívané části motoru k chlazené a zpět. (viz obrázek) Když je pracovní píst v dolní úvrati a přepouštěcí píst v horní úvrati a začneme stroj zahřívat, zvýší se uvnitř tlak plynu a pracovní píst se začne vysouvat. Když se vysune, tak pomocí klikové hřídele přesune přepouštěcí píst dolů. Ten vytlačí vzduch od ohřívače a přesune ho k chladiči. Vzduch se ochladí, zmenší svůj objem, a pracovní píst je tím nasáván zpět. Přitom je pomocí klikové hřídele přepouštěcí píst přesunut nahoru, a vzduch se tedy dostane zpět k ohřívači a tento cyklus se opakuje. Existuje mnoho provedení Stirlingových motorů, ale tento princip je pro všechny stejný. Stirlingův motor je uzavřený systém, je tedy nutné, aby byl dokonale utěsněn, aby plyn v něm obsažený nemohl uniknout. Tímto plynem je většinou vzduch nebo jiný plyn s lepší tepelnou vodivostí. Používá se helium a prý i vodík. [2]

2 Stirlingův motor má proti jiným motorům a tepelným strojům mnoho výhod: Je velmi jednoduchý, takže není poruchový a snadno se udržuje. Nepotřebuje nějaké speciální palivo. Stačí pouze zajistit dostatečný rozdíl teplot studené a teplé části. Nemá žádné nebezpečné vedlejší produkty (pokud je zahříván slunečním teplem, tak vůbec žádné), nevytváří nepříjemný hluk ani nic podobného. Má vysokou účinnost. Závisí na přesnosti, velikosti a rozdílu teplot. Může být až 35 %. U miniaturních modelů přibližně 15 %. Má ovšem i nějaké nevýhody: Je sice jednoduchý, ale jeho části musí být vyrobeny velmi pečlivě a musí být dokonale utěsněn. Problémy způsobuje přenos tepla od teplé části k studené, která se po chvíli ohřeje, a stroj přestane pracovat. Stroje pro delší provoz musí být vyrobeny z materiálů, které špatně vedou teplo, a hlavně musí být zajištěno jejich důkladné chlazení. Stroje jsou sice jednodušší než ostatní motory, ale aby dosáhly stejného výkonu, musejí být větší. Takže se hodí pouze tam, kde jejich rozměry nevadí. Stirlingův motor má široké možnosti využití: Tepelná čerpadla Kogenerační jednotky Solární a geotermální elektrárny Dříve se využíval jako alternativa k parním strojům a stabilním motorům pro pohon mlátiček a dalších strojů. Jeho chod se dá obrátit, to znamená, že se dodává mechanická práce a stroj se na jedné straně zahřívá a na druhé chladí. Stavba: Postavili jsme dva modely Stirlingova stroje. Jeden jednodušší, který převáděl teplo na kývavý pohyb zkumavky, a druhý, který vytvářel rotační pohyb, takže by se dal teoreticky připojit k generátoru elektrické energie. První model: Chtěli jsme vyrobit stroj podle vzoru na stránkách [1]. Jeho pracovní píst je z injekční stříkačky a přepouštěcí píst z kuliček ve skleněné zkumavce. (viz obrázek)

3 Vzor Náš finální výrobek Nejdříve jsme vyrobili dřevěný stojan pro stroj. Jeho rozměry jsou takové, aby byl stabilní a přitom dostatečné vysoký (tak, aby na něm mohla stát stříkačka připojená hadičkou ke zkumavce). Navrchu stojanu jsme z hřebíčků vytvořili uložení pro osu, na které se bude zkumavka kývat. Tuto osu jsme vytvořili z drátu obtočeného kolem zkumavky. Do zkumavky jsme dali smotek tenkého drátku a pět skleněných kuliček. Drátek chrání dno zkumavky, které by kuličky jinak velmi snadno rozbily. Zkumavku jsme uzavřeli zátkou s průchozí trubičkou. Neměli jsme gumovou zátku, korkovou zátku bylo ovšem nutno důkladně utěsnit vhodným lepidlem nebo tmelem, který snese i vysoké teploty. My jsme použili epoxid. Na trubičku procházející zátkou jsme připojili gumovou hadičku, na druhý konec hadičky injekční stříkačku. Takhle vypadal hotový model Tento model se nám ale nepodařilo zprovoznit. Píst stříkačky měl totiž příliš velké tření, takže s ním tlak vzduchu nepohnul. Model by pravděpodobně fungoval se skleněnou stříkačkou nebo s jinou, která má velmi malé tření pístu.

4 Rozhodli jsme se tedy tento model upravit. Stříkačku jsme nahradili blankou z balónku napnutou na široké trubičce. Tento píst jsme připevnili k podstavci. O něj jsme opřeli táhlo připevněné ke zkumavce přes pant vyrobený z tenké trubičky. (viz obrázek) Tento model částečně fungoval, balónkový píst měnil svůj objem, ale zkumavka se nepřeklápěla tak, jak by měla. Bylo nutné upravit vyvážení zkumavky. Experimentováním jsme postupně dospěli k závěru, že nejvhodnější nastavení je toto: zkumavka není uchycena uprostřed, ale tak, aby dno bylo výrazně dál od uchycení zkumavky než její druhý konec. Ale je nutno přidat závaží tak, aby byl kratší konec zkumavky těžší a zkumavka se vlastní vahou překlápěla směrem k balonku. A aby se zkumavka nepřeklopila příliš na jednu ani na druhou stranu, přidali jsme na podstavec dvě zarážky vyrobené ze stavebnice Merkur. Také jsme vyměnili držák a osu zkumavky za pevnější. Je z měděného plechu ke kterému je připájen měděný drát ohnutý tak, aby osa kývání zkumavky protínala její podélnou osu. Tento model už funguje bez problémů, stačí ho dostatečně nahřát lihovým kahanem, a případně mu pomoci s prvním překlopením. Je zajímavé, že funguje velmi dlouho i po odebrání kahanu. Je to tím, že zkumavka je velmi horká a stále stačí ohřívat vzduch na dostatečnou teplotu. Proto se také nedoporučuje na zkumavku sahat. Druhý model: Tentokrát byl naším vzorem stroj podle tohoto návodu [3]. Je to podobný typ jako na výše uvedeném schématu. Jeho přepouštěcí píst je z balzy, přepouštěcí válec z plechovky od bonbonů, pracovní píst a válec jsou vysoustruženy z hliníku.

5 Vzor Náš finální výrobek Soupis materiálu (další drobnosti v textu) Plechovka od bonbonů d vnitřní = 100 mm h vnitřní = 30 mm Kruh z balzy d = 95 mm h = 10 mm Kovové víčko od doutníků, nebo něco podobného, případně tenká trubička 1 ks Hliníkový válec d = 10 mm l = 25 mm Hliníková trubka d vnitřní = 10 mm d vnější = 10 mm l = 30 mm Silný měděný drát d = 1,5 mm l = 30 cm Tenký ocelový drát d = 0,6 mm l = 30 cm Prkénka a spojovací materiál (úhelníky) CD nebo plotny z pevného disku 2 ks Závitová tyč M5 l = 15 cm Nejdříve jsme opět zhotovili dřevěný stojan. Do víčka plechovky jsme uprostřed vyvrtali 0,8mm díru. Blíže ke kraji víčka jsme vyvrtali 5mm díru. Nad 0,8mm díru je třeba připájet plechové víčko od doutníku se stejnou dírou nebo něco podobného. Díry se musí přesně překrývat. Tím je zajištěno rovné vedení drátku, který bude pohybovat s přepouštěcím pístem. Je také možno použít tenkou trubičku procházející skrz víčko plechovky. Nad 5mm díru jsme připájeli hliníkovou trubku válec pracovního pístu. Válec pracovního pístu i pracovní píst musí být úplně hladké aby měly malé tření. Je dobré je vyrobit na soustruhu nebo osoustružit běžnou trubku a tyč. Při pájení pracovního válce je třeba dát velký pozor a připájet trubku velmi pečlivě. Je nutno obrousit trubku i plechovku, využít pájecí kapalinu pro hliník, trubku dostatečně prohřát a nanést dostatečné množství cínu po celém obvodu trubky. Dovnitř trubky ovšem cín zatéct nemá. Tento spoj musí dokonale těsnit. I my jsme měli problémy s těsností. Spoj jsme opravili a pro jistotu ještě zamazali Lukoprenem.

6 (Lze použít jakýkoliv tmel odolný vysokým teplotám.) Doprostřed kruhu z balzy jsme připevnili 0,6mm drát. Ten jsme protáhli 0,8mm dírou ve víčku plechovky. Na konec pracovního pístu jsme také připevnili 0,6mm drát. Nepodařilo se nám ho připájet, a tak jsme do pístu vyvrtali malou díru a drát v ní zalepili epoxidem. Na obou těchto drátech jsme udělali očka. K nim jsme připojili další dráty tak, aby se mohly volně pohybovat. Na konci těchto drátů jsou další očka, která budou navlečena na klikové hřídeli. Délky těchto drátů nejsou přesně dány, je třeba vyzkoušet jaké jsou vhodné. Z 1,5mm drátu jsme vyrobili klikovou hřídel. Její rozměry nejsou přesně dány, závisí mj. na rozměrech stojanu. Jen je třeba zajistit správný zdvih pístů. U pracovního pístu přibližně 13mm a u přepouštěcího přibližně 15mm. To znamená, že zuby na hřídeli budou 6,5 a 7,5 mm vysoké. Tyto zuby musí svírat úhel 90. Na plechovku jsme zespodu připájeli tři matky M5, do kterých jsme zašroubovali tři pěticentimetrové kusy závitové tyče, které jsme potom dalšími matkami přišroubovali k podstavě stojanu. Nakonec jsme do ložisek vyrobených z trubiček zasazených do prken stojanu umístili klikovou hřídel. Na ni jsme potom nasadili setrvačník vyrobený ze dvou ploten pevného disku nasazených na dřevěném válečku.

7 Závěr: Vytvořili jsme dva funkční Stirlingovy motory. Jeden může fungovat po omezenou dobu než se zkumavka celá ohřeje, druhý může fungovat dlouhodobě, když je chlazen ledem. Poděkování: Děkujeme panu Bílkovi (autorovi návodu [3]) za poskytnutí konstrukčních materiálů a několika důležitých dílů. Zdroje: [1] [2] [3] ok1tic.nagano.cz/?download=stirling_i.pdf [4] [5] [6] Obrázky: Obrázek 1: (upraven) Obrázek 2: Obrázek 3, 4, 8, 9, 10, 11, 12: foto Jan Bohuslav Obrázek 5, 6: foto Jaroslav Reichl Obrázek 7: ok1tic.nagano.cz/?download=stirling_i.pdf