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Heißluftmotoren
Manson-Motor, Manson Hot
Air Engine (01.2010)
Ein Heißluftmotor der noch in meiner Sammlung fehlt, ist der Manson-Motor.
Der Manson-Motor ist k e i n ! Stirlingmotor, da er für
den Druckausgleich eine Öffnung hat und somit kein geschlossenes System
darstellt.
Den Manson-Motor möchte ich in ähnlicher Bauweise wie den
Originalmotor
von 1952 nachbauen.
Für einen ersten Versuch habe ich schon mal Arbeitszylinder und
Arbeitskolben aus einer 10 ml Glasspritze vorbereitet:
   
Um den Zylinder kommt ein Alurohr mit dem Belüftungsschlitz. Dieses
Teil wird dann in den Kühlzylinder eingebaut. Der Druckausgleich erfolgt
innen über den Kolben über eine Öffnung in der Pleuelbefestigung.
Der Arbeitskolben wird vorne mit dem Verdrängerkolben luftdicht verschlossen.
Der Verdrängerkolben wird in den Arbeitskolben geschraubt, um mögliche
Änderungen leichter durchführen zu können, Der Kühlzylinder
und das Grundbrett mit Schwungrad ist mittlerweile auch fertig.
Ich bin noch am Überlegen, ob der Druck im geschlossenen Verdrängerkolben
so groß werden kann, dass das Glas platzt. Bei 100° C steigt
der Druck im Verdrängerkolben gegenüber Normaldruck von 1060
mbar um ca. 300 mbar an, das dürfte noch unkritisch sein. Ich habe
trotzdem eine Ausgleichsbohrung durch den Arbeitskolben vorgesehen.
Die Reagenzgläser für den Heizzylinder und Verdrängerkolben
habe ich bei http://www.basteln-co.de gekauft, einmal 24/21,5 mm
außen/ innen und 20 mm außen. Sie sind angeblich aus Borosilikat
und damit feuerfest.
Der erste Probelauf ging in die Hose. Es ist mir zwar gelungen mit
viel Hitze den Motor ganz müde zum Drehen zu bringen.
Jetzt fängt das Grübeln an, warum läuft der Motor so
lustlos?
Mit einem "Schweißbrenner" einen Stirlingmotor zu betreiben,
wie ich es oft auf youtube und ähnlichen Plattformen sehe, ist nicht
mein Ding. Ein Heißluftmotor (Modell) muss auch mit einem Teelicht
funktionieren.
Es könnte sein, dass der Arbeitskolben mit einem Durchmesser von
14 mm zu groß ist und somit das Volumen im Heizzylinder zur Kolbenfläche
nicht optimal ist, um den nötigen Kolbenhub zu bekommen. Der Theorie
nach soll der Kolbendurchmesser die Hälfte Innendurchmesser Heizzylinder
sein. Vielleicht sind auch die Belüftungsöffnungen noch nicht
optimal auf den OT und UT abgestimmt. Möglicherweise ist die thermische
Trennung von Verdrängerkolben zu Arbeitskolben nicht groß genug.
Der Druckausgleich muss schnell und präzise erfolgen und das geht
nur mit einem Schlitz im Arbeitszylinder und Arbeitskolben statt mit einer
Bohrung. Zu bedenken ist auch, dass der Verdrängerkolben sehr heiss
wird. Deshalb muss der Arbeitskolben thermisch vom Verdrängerkolben
entkoppelt werden, um den Wirkungsgrad zu verbessern.
Das Schwungrad ist unkritisch und kann sehr klein sein, der Original-Rupp-Motor
(Video) von www.stirlingmotor.com
funktioniert auch ohne Schwungrad, d.h. man könnte den Kolben auch
direkt schwingen lassen (free piston), wenn die Wegbegrenzung beachtet
wird!
| Da mir das schlecht laufende Motörchen keine Ruhe gelassen
hat, habe ich meine grauen Gehirnzellen aktiviert und nach dem Motto "dem
Ingenieur ist nichts zu schwör", bin ich an das Problem erst
mal theoretisch rangegangen:
Das Luftvolumen zwischen Verdrängerkolben und Heizzylinder beträgt
bei den oben genannten Reagenzgläsern ca. 3 cm³. Wird dieses
Luftvolumen nun einer Temperaturerhöhung von angenommen 100 °
C ausgesetzt, dann dehnt sich das Gas (Luft) um ca. 1/3 aus, d.h. das Volumen
vergrößert sich um etwa 1 cm³. Bei einem Arbeitskolben
von 15 mm Durchmesser und einem Hub von 10 mm ist das zu verschiebende
Volumen ca. 1,5 cm³. Das bedeutet auf meinen Motor übertragen,
dass bei dieser Temperaturdifferenz von 100 ° C der Kolben nicht genügend
bewegt, bzw. nicht genügend Druck aufgebaut wird. Das passt auch zu
der Tatsache, dass ich viel mehr aufheizen musste, um ein Drehen zu erzielen.
Jetzt veringern wir den Kolbendurchmesser auf etwa 9 mm (Glasspritze
2 ml) dann ergibt sich ein zu verschiebendes Volumen von ca. 0,75 cm³.
Jetzt kann die Temperaturdifferenz von 100 ° C locker den Kolben
um 10 mm verschieben.
Ich habe also meinen Motor dahingehend geändert und siehe da,
jetzt schnurrt das Motörchen wie eine Nähmaschine mit dem typischen
Plop-Geräusch bei den jeweiligen Totpunkten. Im Video
ist dies eindrucksvoll zu sehen und zu hören. Die Drehzahl beträgt
knapp 1200 U/Min. |
  
Bauplan Manson-Motor
Um einen gut funktionierenden Motor zu erhalten,
sind folgende Bedingungen einzuhalten:
Durchmesser Arbeitskolben ~ 1/2 Durchmesser
Verdrängerkolben
Hub ~ Durchmesser Arbeitskolben
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Grundsätzlich gilt für alle Heißluftmotoren
mit Verdrängerkolben:
Der Arbeitskolbendurchmesser sollte immer
kleiner oder höchstens gleich Verdrängerkolbendurchmesser sein!
Das absolute Minimum an Flamme ist hier
zu sehen. Auch hier mußte ich gewaltig abdunkeln, um die Flamme zu
sehen.
Man höre und staune:
der Motor läuft mit einer Füllung bei kleinster
Flamme 210 Minuten mit einer Drehzahl von ca. 100 U/Min!
Statt Bohrungen im Glas habe ich Schlitze gesägt, dadurch ist der
Druckausgleich präziser und schneller. Hier muss man sich die Arbeit
machen die Schlitze und den Hub so zu gestalten, dass in den Totpunkten
gerade genügend Belüftungsöffnung freigegeben wird (Schlitz
ca. 4x1 mm).
Die thermische Entkopplung zwischen Verdränger und Arbeitskolben
gelingt ganz gut mit O-Ringen. Das ist auch besser, als Aluteile direkt
in das Glas zu kleben, denn wenn sich das Alu erwärmt, führt
das unweigerlich zu Glasbruch (Alu dehnt sich bei Erwärmung ca. 7
mal mehr aus als Borosilikatglas!).
Dass die thermische Trennung mit O-Ringen ganz gut funktioniert schließe
ich daraus, dass ich das Pleuel entgegen meinen Vorschlägen über
einen Alustöpsel direkt in den Arbeitskolben geklebt habe und ich
bisher damit keine Probleme hatte, d.h. der Arbeitskolben bzw. das Aluteil
bleibt kühl genug.
Ein weiteres Modell habe ich mit einem modifizierten Fertigmodell (von
www.stirlingmotor.com), das meinem Eigenbau ähnlich sieht, realisiert.
Hierzu musste ich nur das Pleuel verlängern und den vorgegebenen Hub
einhalten. Der Motor läuft phantastisch (Video),
mit groß eingestellter Flamme schafft er fast 2000 U/Min.
  
Anmerkung zum gekauften Rupp-Motor:
der Motor wird nach 10 Min. Dauerbetrieb "sauheiß" und trotzdem
bleibt er nicht stehen. Warum? Die gemessene Temperatur vorne am Heizzylinder
beträgt ca. 300° C und am Kühlzylinder mitte ca. 80°
C, d.h. die Temperaturdifferenz ist noch groß genug für den
weiteren Betrieb!
Die Bauart des Manson-Motors ist einfach, da Verdrängerkolben und
Arbeitskolben starr miteinander verbunden sind, trotzdem wurde der Motor
bislang nur von wenigen Modellbauern nachgebaut. Jetzt weiß ich auch
warum, siehe oben!
| Der Manson-Motor hat im Vergleich
zu meinen Stirlingmotoren bei geicher Baugröße (Kolben, Verdränger,
zugeführte Wärmemenge) mehr Power. Dies ist eine rein subjektive
Feststellung, die meßtechnisch nicht überprüft wurde. Vermutlich
ist meine Euphorie hinsichtlich der Leistung des Manson-Motors lediglich
auf die Modellmotorgröße beschränkt. Es bleibt festzustellen,
dass durch den Druckausgleich keine besonders große Expansion/- bzw.
Kompressionsdrücke enstehen können, die unbedingt für
größere Leistungen forderlich sind. |
Ich habe die Zeichnung des Manson-Motors, wie er 1952 in der "Newnes
Practical Mechanic" beschrieben wurde, so geändert ( gemäß
einer Patentanmeldung
DE
199 04 269 A1 von Michael Ruppel im Jahr 2000 ), dass sie technisch
verständlicher wird.
Man beachte die Metamorphose vom Ursprungsmodell zum Rupp-Motor!
Die Funktionsweise dieses Motors kann wie folgt erklärt werden:
Sämliche Heißluftmotoren folgen dem einfachen physikalischen
Prinzip: -> heiße Luft dehnt sich aus und kalte Luft zieht
sich zusammen.
Ausgangslage: Das Schwungrad dreht sich entgegen dem Uhrzeigersinn
und bewegt den Kolben zum oberen Totpunkt (OT) , dann wird die aufgeheizte
Luft in den Kühlbereich gelenkt und kann sich dort abkühlen,
d.h. im System entsteht Unterdruck und der Kolben wird zum OT gezogen.
Im OT erfolgt der Druckausgleich. Das Schwungrad bewegt den Kolben weiter
Richtung unteren Totpunkt (UT) und verschließt die Öffnung.
Jetzt kann der Verdränger kalte Luft in den Heizbereich schicken,
d. h. im System steigt der Druck und der Kolben wird zum UT gedrückt.
Im UT erfolgt wieder Druckausgleich. Das Spiel beginnt von vorne.
Die Laufrichtung des Manson-Motors ist wie beim Ringbom-Stirling und
thermoakustischen Motor beliebig.
Der Verdrängerkolben ist thermisch vom Arbeitkolben isoliert,
da sich der Arbeitskolben immer im Kühlbereich befindet.
Versucht man den Kreisprozess eines Manson-Motors in einem idealisierten
pV-Diagramm darzustellen, dann stellt man fest, dass beim Manson-Prozess
von 1 nach 2 ein Volum- und Druckanstieg stattfindet im Gegensatz zum Stirling-Prozesses
und das ist schon verblüffend, d.h. der Manson-Prozess ist nur bedingt
mit Stirlingprozess vergleichbar!
Die frühere Aussage, das pV-Diagramm des Manson-Motors habe
Ähnlichkeiten mit dem Kreisprozess einer Gasturbinenanlage (Ericsson-Prozess),
kann - nach dem Hinweis eines aufmerksamen Besuchers (Dr. Klaus-Jürgen
Bladt, Rostock) dieser Seite - nicht mehr aufrecht erhalten werden.
Meine Annahme es fände eine isobare Expansion statt, wenn der
Kolben von OT nach UT geht, ist falsch, denn dann könnte bei UT keine
warme Luft entweichen, d.h. es hat zuvor ein Druckanstieg stattgefunden!!
Umgekehrt findet, bevor der Kolben von von UT nach OT geht, ein Druckabfall
statt.
Warum die Leistung dieses Manson-Modellmotors scheinbar besser ist,
als die eines vergleichbaren Stirlingmotors, kann ich mir nur so
erklären, dass die Ecken des pV-Diagramms besser ausgefahren werden
und damit eher der ideale Carnot-Prozess erreicht wird.
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