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Heißluftmotoren
Murmelmotor (05.2009)
Der einfachste Stirlingmotor bei dem das Prinzip der Heißluftmaschinen
sehr anschaulich dargestellt werden kann, ist der "Murmelmotor" von Dr.
Wilfried Schlagenhauf.
Als Verdränger arbeiten Glaskugeln (marble displacer) in einem drehbar
gelagerten Reagenzglas, an dem über eine Schlauchverbindung der Arbeitskolben
angebracht ist. Der Arbeitskolben hebt das Reagenzglas bei Erwärmung
an und und die heiße Luft wird über die sich bewegenden Glaskugeln
in Richtung Arbeitskolben geschoben, wo sie sich abkühlen kann, d.h.
das Reagenzglas senkt sich.Jetzt bringen die Glaskugeln die abgekühlte
Luft wieder in den Heizbereich, der Kolben wird wieder angehoben und das
Spiel beginnt von vorne. Der "Motor" ist der sich auf- und abwärtsbewegende
Kolben.
Der Schlagenhauf-Motor ist schwieriger in Gang zu setzen, als es die
Darstellung vermuten läßt. Bei diesem Motor ist es wichtig,
dass der Drehpunkt des Reagenzglases einfach horizontal und vor allem vertikal
verstellt werden kann. Als Arbeitskolben sind Glasspritzen 5ml geeignet,
wenn als Reagenzglas eines mit 160 x 16 mm zum Einsatz kommt.
Das zu verdrängende Luftvolumen im Reagenzglas muss größer
sein, als das Luftvolumen das sich beim Verschieben des Arbeitskolbens
ergibt,
d.h. der Innendurchmesser Reagenzglas sollte größer sein,
als der Innendurchmesser der Glasspritze.
Die Fischer Pneumatic-Ventile funktionieren zwar auch, sind aber viel
schwerer in Auf- und Abwärtbewegung zu bringen, da deren Reibung meist
zu hoch ist.
Bei der Glasspritze darauf achten, dass der Kolben leichtgängig
"fluscht".
Zu Beginn des Experimentes ist es ratsam, den Arbeitskolben etwas anzuheben
und dann die Schlauchverbindung zu schließen, so dass sich im Arbeitskolben
bereits ein Luftpolster befindet. Hierbei ist der Drehpunkt so zu verstellen,
dass die Kugeln in Richtung Arbeitskolben rollen. Wird jetzt die Flamme
an das Reagenzglas gebracht, dann muss sich nach einer gewissen Zeit (ca.
2 Min.) der Arbeitskolben anheben und das "Spiel" beginnt, evt. ist die
Höhenlage des Reagenzglases zu korrigieren, bzw. den Schlauch nochmal
abziehen und den Arbeitskolben anheben.
Mit etwas Fingerspitzengefühl bekommt man das "Motörchen"
zum Laufen. Wichtig ist auch, dass die Kugeln sauber rollen.
Hebt der Arbeitskolben das Reagenzglas nicht, dann ist das System undicht
oder die Reibung des Arbeitskolbens zu groß oder die Flamme zu klein.
Nach einiger Erwärmzeit ist eine Korrektur der Höhenlage
des Drehpunktes vorzunehmen.
Dieser Motor wird ohne Nachjustierung nicht längere Zeit (mehr
als 5 Min.) durchlaufen können, denn durch geringe Undichtigkeiten
des Systems und die allgemeine Erwärmung tritt eine Verschiebung des
optimalen Arbeitspunktes ein.
Hier ein Bild
und ein Video
eines solchen, besonders großen Motores (Reagenzglas 28 mm Ø und
Alukugeln).
Man kann das Experiment auch so durchführen, dass man an ein
Reagenzglas 160x16 gefüllt mit 5 Keramikkugeln direkt über eine
Schlauchverbindung z.B. eine Glasspritze 10 ml oder kleiner anschließt.
Die Glasspritze darf nicht zu groß sein, sonst bewegt sich der Kolben
nicht genügend. Man hält das Reagenzglas waagerecht und heizt
eine Weile auf. Nun bewegt man das Reagenzglas so, dass die Kugeln hin-
und herrollen können und siehe da (Video),
der Kolben bewegt sich synchron zu den Kugeln um 90° phasenverschoben.
Warum?
Erklärung: wenn die Kugeln in Richtung Brenner rollen wird
die heisse Luft in Richtung Arbeitskolben geschoben und kann sich abkühlen,
was Druckminderung bedeutet ( Kolben bewegt sich Richtung Brenner) , umgekehrt,
wenn die die Kugeln in Richtung Arbeitskolben rollen wird die kältere
Luft in Richtung Brenner zum Aufheizen geschoben, was zur Druckerhöhung
im System führt (Kolben bewegt sich entgegengesetzt)!!
Nun ersetzt man die Kugeln durch einen Verdrängerzylinder und
koppelt Arbeitskolben und Verdränger um 90° versetzt über
ein Gestänge an ein Schwungrad und schon ist der Stirling fertig.
Ja, ja die praktische Ausführung ist etwas komplizierter. Dennoch
dürfte spätestens jetzt, auch dem Leien die Funktion eines Stirlingmotors
etwas verständlicher sein.
Der Gedanke liegt nahe, die Bewegung des Kolbens an ein Schwungrad zu
koppeln ( sieht halt mehr nach einer Maschine aus).
Versuche für solche Motoren gibt es, haben aber den Nachteil,
dass die Drehung des Schwungrades nicht gleichmäßig ist. Selbst
zwei gegenläufige Reagenzgläser, um 180° versetzt an ein
Schwungrad gekoppelt, können das auch nicht so richtig ausgleichen.
Eine Anregung das zu verbessern, gab es mal wieder im Internet, nämlich
über ein relativ schweres Schwungrad mit Getriebe die ruckartige Schwungradbewegung
zu minimieren.
Ich habe mich an die Arbeit gemacht und Teile meines thermoakustischen
Motors direkt übernommen.
Das Pleuel ist starr mit dem Arbeitkolben verbunden, so dass sich das
drehbar gelagerte Reagenzglas über eine Exzenterscheibe auf- und abwärts
bewegen kann. Ein Getriebe 1:5 aus dem Flugmodellbau ist an das Schwungrad
gekoppelt. Der Aufbau erfolgte zunächst wieder in bewährter Art
aus Holz.
Ein Video
zeigt die grundsätzlich funktionierende Arbeitsweise. Dieser Motor
dreht nur in eine Richtung, da die Kugeln dem Kolben um 90° phasenverschoben
vorauseilen, bzw. nacheilen müssen, und das ist nur in einer
Drehrichtung möglich.
Das Ergebnis dieses Motors war zunächst für mich etwas
ernüchternd, da die Maschine immer mal zwischendurch stehen
blieb, weil z.B. die Glaskugeln nicht sauber rollten.
Ich habe die Geometrie ewas verändert, die Glaskugeln überprüft
und das Schwungrad mit Bleistreifen auf 200g erhöht.
Jetzt "marschiert" der Motor einwandfrei.
Wer dieses Motörchen nachbauen will, muss schon einigermaßen
präzise arbeiten.
Das Getriebe und das Schwungrad müssen kugelgelagert sein (4 Stück).
Das Pleuelkugellager ist nicht unbedingt notwendig. Das Getriebe selbst
darf in keiner Stellung klemmen! Die Kugeln werden auf etwa gleichen Durchmesser
geprüft, ca 12,5 mm und sollten alle gemeinsam gleichmäßig
rollen.
Bewährt haben sich Keramikkugeln
SA50 Umarex (gibt es bei http://www.target-sport.de) mit
einem Durchmesser von ~ 12,7 mm. Hier kann man sich von 72 Kugeln die passenden
aussuchen. Das Reagenzglas hat einen Innendurchmesser von ca 13,5 mm und
es sollte noch genügend Luft zwischen Kugel und Glaswand bleiben,
daher sollten die Kugeln nicht mehr als 12,7 mm Durchmesser haben.
Die Höhenlage von Drehpunkt Reagenzglas und Mittelpunkt Exzenterscheibe
ist nicht ,wie man vermuten könnte identisch, sondern der Drehpunkt
Reagenzglas liegt 5 mm tiefer. Gilt zumindest für meinen Motor.
Auch bei diesem Motor ist zu beachten, dass der Kolbendurchmesser kleiner
ist als der Innendurchmesser des Reagenzglases. Ist dies nicht der Fall,
dann ist der Hub des Kolbens nicht groß genug.
Die Kombination Reagenzglas 160x16 und 10 ml Glasspritze war gerade
noch im zulässigen Bereich (Innendurchmesser Reagenzglas ~ Kolbendurchmesser).
Hier ein Bild der endgültigen Ausführung mit aktuellem
Video.
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