Technische Daten - MSW-Shop

Umwelt / Energien
Lehrwerkstätten und Berufsschule
für Mechanik und Elektronik
CH-8400 Winterthur
Zeughausstrasse 56
Tel. 052 267 55 42
Fax 052 267 50 64
Sonnenmotor „STIRLING“
P A6 0 4 2
STIRLING- Funktionsmodell
als
- Motor
- Wärmepumpe
- Kältemaschine
Robustes Funktionsmodell zur Demonstration von:
1.
Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie nach dem Stirling-Prinzip mit:
- Sonne (mit Parabolspiegel PA6040)
-
Gas (mit Bunsenbrenner PA6026)
-
Lampe (mit Parabolspiegel PA6040 und Halogenglühlampe)
2.
Gewinnung elektrischer Energie zusammen mit dem Generator PA7505;
3.
Betrieb als Wärmepumpe oder Kältemaschine, der STIRLING wird mechanisch angetrieben.
Der STIRLING-Motor gehört wie der Benzin- und Dieselmotor zu den Wärmemotoren. Der
STIRLING-Motor erzeugt jedoch die Wärme nicht in seinem Inneren, sondern bezieht sie direkt
von aussen (z.B. Sonnenwärme, Flamme). Er nutzt die physikalische Tatsache, dass sich Gase
(hier Luft) bei der Erwärmung ausdehnen und bei Abkühlung zusammenziehen.
Technische Daten
Zylinder
Gehäuse
Leistung
Drehzahl
Schwungscheiben Ø
: 200 x Ø 45 mm
: Aluminium
: ca. 4 W
: max. 2000 U/min.
: 90 mm mit Antriebsrille
inkl. Funktions- und Anwendungsbeschreibung
Zubehör
1 Imbusschlüssel
1 Antriebsriemen
Preis- und technische Änderungen vorbehalten
ZT0096.DOC
05/03 HP
PA6042
Inhaltsverzeichnis
1. Historisches
2.
Funktion
2.1 Was ist ein STIRLING-Motor?
2.2 Warum Sonnenmotor „STIRLING“?
2.3 Querschnitt des Sonnenmotors „STIRLING“
2.4 Aufbau und Arbeitsweise
3. Anwendung
3.1 Allgemeines
3.2 Betrieb mit der Sonne
3.4 Betrieb mit einer Halogenglühlampe im Parabolspiegel
3.5 Antrieb eines Generators
3.6 Betrieb als Wärmepumpe
3.7 Betrieb als Kältemaschine
1. Historisches
Schon anfangs des 19. Jahrhunderts haben verschiedene Wissenschaftler Heissluftmotoren
entwickelt. So hat 1816 Robert Stirling, ein schottischer Pfarrer, den ersten brauchbaren
Heissluftmotor, eben den STIRLING-Motor gebaut. Ein Motor, der viele Vorteile bietet wie ruhiger
Lauf, lange Lebensdauer und das Wichtigste, sehr geringe Umweltbelastung, wenn er mit
Sonnenenergie betrieben wird.
Zu seiner Zeit wurde die Wärme mit Holz oder Kohle erzeugt, d.h. der Betrieb eines solchen
Antriebes war umständlich. Dies und sein relativ schlechter Wirkungsgrad waren die wichtigsten
Gründe, dass er später vom Benzinmotor vollkommen verdrängt wurde. Zwischen 1850 und 1900
wurden aber Grossmaschinen mit über 30 PS sowie einige Schiffsantriebe nach diesem Prinzip
gebaut.
In jüngster Zeit wird wieder Forschung betrieben. Mit Hilfe der Sonnenenergie könnten z. B. in
südlichen Ländern direkt Bewässerungspumpen oder Klein-Generatoren betrieben werden.
2. Funktion
2.1 Was ist ein STIRLING-Motor?
Er gehört wir der Benzin- und Dieselmotor zu den Wärmemotoren. Allerdings entwickelt sich
die Wärme nicht im Inneren wie z.B. beim Explosionsmotor, sondern sie wird von aussen
zugeführt. Der STIRLING-Motor nutzt die physikalischen Tatsachen, dass sich Gase bei
Erwärmung ausdehnen und bei Abkühlung zusammenziehen.
Der Zylinder des STIRLING-Motors enthält eine bestimmte Menge Gas; bei unserem Motor
ist es Luft. Es könnte auch Helium oder Wasserstoff (Wirkungsgrad) sein. Das Gas wird in
einem Kreisprozess erhitzt und gekühlt. Stirling verstand es nun, das ins Gas gesteckte
Arbeitsvermögen (Erwärmung, Abkühlung) so auf einen Kolben wirken zu lassen, dass ein
kontinuierlicher wiederkehrender Arbeitsablauf entstand.
Preis- und technische Änderungen vorbehalten
ZT0096.DOC
2/7
05/03 HP
PA6042
2.2 Warum Sonnenmotor „STIRLING“
Das vorliegende Modell ist ein normaler STIRLING-Motor. ER wurde jedoch von Anfang an
für den Einbau in einen Parabolspiegel konzipiert und kann damit Sonnenenergie als
Wärmequelle nutzen. Selbstverständlich kann er auch mit anderen Wärmequellen (siehe 3.)
betrieben werden. Mit Sonnenenergie ist er jedoch ein äusserst umweltfreundlicher Motor.
2.3 Querschnitt des Sonnenmotors „STIRLING“
2.4 Aufbau und Arbeitsweise
Der markanteste Teil am STIRLING-Motor ist der Zylinder, der unterteilt ist in einen Kühlund einen Heizzylinder. Im Zylinder bewegen sich der Arbeits- und der Verdrängerkolben.
Der Arbeitskolben liegt passend im Zylinder während dem der Verdrängerkolben mit
grossem Spiel im Zylinder liegt. Beide Kolben sind mit je einer Pleuelstange an der
Kurbelwellenscheibe befestigt. Die Befestigungspunkte sind um 85° versetzt, so dass sich
die beiden Kolben zeitlich versetzt bewegen. Das angebaute Schwungrad verhilft der
„Einkolbenmaschine“ zu einem ruhigen Lauf.
Der Wirkungsgrad ist bei einem Heissluftmotor direkt proportional der Temperaturdifferenz
zwischen „heissem“ und kaltem Teil. Hier sind natürliche Grenzen durch Aufbau
(Wärmeaustausch) und Material (Wärmeleitfähigkeit) gesetzt. Bei unserem Modellmotor
verlieren wir zudem über undichte Stellen (Gestängeführung) bei jedem Kolbenhub etwas
„arbeitsfähige“ Luft.
Preis- und technische Änderungen vorbehalten
ZT0096.DOC
3/7
05/03 HP
PA6042
a) Betrachten wir die Arbeitsweise ab dem
Zeitpunkt, bei dem der Verdrängerkolben
im Kühlzylinderteil und die Kalte Luft
im Heizzylinderteil liegt.
b) Die Luft im Heizzylinder erwärmt sich,
dehnt sich aus, strömt zwischen dem
Verdrängerkolben und der Zylinderwand
nach links in den Kühlzylinder und
schiebt den Arbeitskolben nach links.
c) Die Luft kühlt sich im Kühlzylinder ab
Es entsteht ein Unterdruck, so dass der
Aussendruck den Arbeitskolben nach rechts
schiebt. Der Verdrängerkolben wird nach
rechts geschoben und drängt die warme Luft
in den Kühlzylinder.
d.) Der Verdrängerkolben wird über die Kurbelwelle und Pleuelstange nach links gezogen
und drängt die abgekühlte Luft wieder in
den Heizzylinder, wo sie sich erneut erwärmt (weiterer Ablauf siehe b).
3. Anwendung
3.1 Allgemeines
-
Mit diesem Motor wird Wärmeenergie direkt in mechanische Energie umgewandelt.
-
Um den Motor in Gang zu bringen, muss der Heizzylinder (siehe 2.3) auf mindestens 250°
erwärmt werden.
-
Es ist sinnlos, den Heizzylinder auf Rotglut zu erhitzen. Die zugeführte Wärme kann nicht in
nützlicher Zeit abgeführt werden, der Motor frisst an!
-
Der Motor braucht in jedem Fall eine Starthilfe: Von Hand Schwungrad leicht drehen (im
Uhrzeigersinn).
-
Erreichbare Drehzahl max. 2000 U/min
-
Leistung an Schwungradachse: max. 4 W
Preis- und technische Änderungen vorbehalten
ZT0096.DOC
4/7
05/03 HP
PA6042
3.2 Betrieb mit der Sonne
Sonnenbrille nicht vergessen
Material:
1
1
1
1
1
PA6042
PA1122
PA1132
PA1125
PA6039
Sonnenmotor
Dreieckfuss
Stativstange
Doppelklemme
Parabolspiegel
Der Flansch am Parabolspiegel wird durch Lösen der drei Imbusschrauben entfernt und der
STIRLING-Motor (mit den gleichen Schrauben) montiert.
3.3 Betrieb mit einer Gasflamme
Material:
1
1
1
1
1
PA6042
PA1122
PA1132
PA1124
PA6026
Sonnenmotor
Dreieckfuss
Stativstange
Doppelklemme
Bunsenbrenner
Preis- und technische Änderungen vorbehalten
ZT0096.DOC
5/7
05/03 HP
PA6042
3.4 Betrieb mit einer Halogenglühlampe im Parabolspiegel
Dieser Versuch gelingt nur, wenn die
beiden Spiegel horizontal und vertikal
genau ausgerichtet sind und der Wendel der Halogenlampe im Brennpunkt
liegt. Die Lampenfassung kann im
Lampenrohr (mit etwas Kraft)
verschoben werden!!
Material:
1
1
1
1
1
1
PA6042
PA6040
PA1122
PA1132
PA7697
PA7698
Sonnenmotor
Parabolspiegel, 1 Paar
Dreieckfuss
Stativstange
Lampenfassung mit Gelenk E27
Halogenglühlampe 220V / 250W
3.5 Antrieb eines Generators
Material:
1
1
1
2
1
1
1
1
1
4
PA6042
PA1122
PA1132
PA1124
PA6039
PA8590
PA7504
PA5031
PA7498
PA7307
Sonnenmotor
Dreieckfuss
Stativstange
Doppelklemme
Parabolspiegel
Motor / Generator 0...4,5V
Motor / Generator
Plattenhalter kurz 0...3V
Multimeter
Verbindungskabel 100 cm
Preis- und technische Änderungen vorbehalten
ZT0096.DOC
6/7
05/03 HP
PA6042
3.6 Betrieb als Wärmepumpe
Hierzu wird der Stirlingmotor angetrieben.
Drehrichtung beachten!
Material:
1
1
1
2
1
1
1
2
PA6042 Sonnenmotor
PA1122 Dreieckfuss
PA1132 Stativstange
PA1124 Doppelklemme
PA7505 Motor / Generator 0...12V
PA5031 Plattenhalter kurz
PA7184 / 7188 Netzgerät
PA7307 Verbindungskabel 100 cm
Nach ca. 2 Min. Laufzeit ist der Heizzylinder (Nase) ca. 10°C wärmer als der Kühlzylinder.
3.7 Betrieb als Kältemaschine
Versuchsaufbau wie bei Versuch 3.6, jedoch das Schwungrad in entgegengesetzter
Drehrichtung antreiben. (Motorspeisung umpolen)
Nach ca. 2 Min. Laufzeit ist der „Heizzylinder“ (Nase) ca. 8°C kühler als der „Kühlzylinder“.
Preis- und technische Änderungen vorbehalten
ZT0096.DOC
7/7
05/03 HP