Hinweise zum Gebäudemodell Heißluftmotor
ANMERKUNGEN ZU MOTOREN Heißluft
1. eine Luftmenge von Luft bei Volumens V und der Temperatur T ist, ohne eine Änderung der Temperatur zu Volumen V2 komprimiert (d.h durch eine Wärmesenke Anwendung).
2. Die Luft wird dann weiter komprimiert auf Volumen V3, während der die Temperatur auf T2 ansteigt (Wärmesenke entfernt wird).
3. Eine Wärmequelle bei einer Temperatur T2 wird dann an der Luft aufgebracht zu erweitern, welche von V3 auf V2 (keine Änderung in der Temperatur) expandieren darf.
4. Die Wärmequelle wird dann entfernt, und die Luft erlaubt, in seinen ursprünglichen Volumen V expandieren wieder, wobei die Temperatur von T2 zurück zu fallen T.
Carnot experimentell festgestellt, dass die Menge an Energie, die durch Expansion der Luft aus V2 zurück auf V größer ist als die hergestellt wurde benötigt, um die Luft von V auf V2 zu komprimieren. ein Übermaß an Macht zu geben. „Die Luft wird dann“, Carnot erklärte, „ist als eine Wärmekraftmaschine bedient: Wir haben in der Tat, verwendet es in den meisten Vorteile Weise möglich, ohne nutzlose Wiederherstellung des Gleichgewichts durch die kalorische bewirkt worden ist.“
Carnot erkannte auch, dass die entwickelte Leistung auf der Temperaturabfall abhängig und etablierte den allgemeinen Satz Die Triebkraft der Wärme der Agenten unabhängig beschäftigt, sie zu verwirklichen, dessen Menge allein durch die Temperatur der Körper befestigt, zwischen denen sie durchgeführt wird, schließlich, die Übertragung von kalorischen. Dies bedeutet, dass die theoretische Effizienz nur über die Grenzen der Temperatur zwischen dem hängt der Motor arbeitet also ((T max - T min) / T max), obwohl Carnot erkannte, dass nur dann erfolgen kann, wenn es keine direkte Wärmeübertragung zwischen Körpern unterschiedlicher war Temperatur.
1. A bedeutet, bei einer niedrigen Temperatur isotherme Verdichtung zu erhalten.
2. A bedeutet, bei einer hohen Temperatur isotherme Expansion zu erhalten.
3. Höchste Temperaturdifferenz.
4. Keine direkte Wärmeübertragung zwischen warmen und kalten Enden.
Eine Studie des Heißluftmotor-Designs über die letzten 200 Jahre zeigt, dass keines der oben genannten kann vollständig in einem praktischen Design verkörpert werden und ein Kompromiss zwischen der Theorie wird geschlagen und was leicht mit Materialien zur Hand erreicht wird.
Das Layout, das die erfolgreichsten und beliebtesten im Laufe der Jahre bewährt hat, ist das Design zuerst im Jahre 1794 erfunden, Engländer, Thomas Mead und dann später aufgenommen und entwickelt, in Schottland, die von den Stirling Brüder und andere. Diese Konstruktion (Fig. 1) besteht aus einem am Ende offenen Rohr mit einem Kraftkolben und ein P versehen Verdrängerkolben D. Das obere Ende wird kalt gehalten und der Boden warm gehalten. D dienen die eingeschlossene Luft von den heißen zum kalten Ende der Kammer zu verschieben. Die Art der Operationen ist wie folgt:
1. Mit D am unteren Ende seines Hubes und P am oberen Ende seines Hubes. Die eingeschlossene Luft ist am kalten Ende.
2. P bewegt sich zum unteren Ende seines Hubs, um die eingeschlossene Luft komprimiert, jegliche Wärme von der Kompression der Luft entstehen, durch den Kühler entfernt wird. (Isotherme Kompression bei T min.)
3. D bewegt sich von dem Boden seines Hubs zu der Spitze, so dass die eingeschlossene Luft aus dem kalten Ende zu dem heißen verschiebt, wird die Luft erwärmt wird und der Druck steigt. (Die Wärmeübertragung bei konstantem Volumen.)
4. P wird dann an die Spitze seines Hubs zurückgetrieben. (Isotherme Expansion bei T max.)
5. D bewegt sich von oben nach unten seines Hubes wird die Luft wieder aus der heißen zum kalten Ende und dem Kühler führt Wärme aus der Luft verbleibende bewegt. (Die Wärmeübertragung bei konstantem Volumen.)
6. Der Zyklus wird wiederholt.
Der Einfachheit halber werden die Heizung und Kühler aus dem Diagramm weggelassen.
Von Meads Design von 1794 bis in die Gegenwart alle Heißluftmotor-Designer haben die folgenden Probleme konfrontiert und praktisch, da jedes Patent entnommen dann für Verbesserungen in der einen oder anderen war.
1. Wie man effizient Wärme von der Wärmequelle an der Luft übertragen.
2. Wie effizient abstrakt die wast Hitze am kalten Ende.
3. Wie die Wärmeübertragung entlang der Erhitzer Kammerwände und durch den Verdränger zu reduzieren.
4. Wie die Verdränger und verschieben das Luft zwischen den heißen und kalten Enden fahren.
Wie auf den Seiten von Model Engineer zu sehen. das Problem bei der Herstellung von Heißluftmotoren konfrontiert ist, nicht so sehr auf eine effiziente Gestaltung entwickeln aber eine machen, das tatsächlich funktioniert! Folgende Ausführungen wurden durch das Experiment vom Autor entwickelt und ein ziemlich kompaktes Motor-Layout geben, die zwar thermodynamisch nicht sehr effizient ist in der Lage, eine angemessene Leistung zu geben.
Fig. 2 zeigt ein Layout zu Stirlings Entwurf von 1815 mit dem folgenden Designparameter:
ich. Länge von L = 3-fache ihrer Durchmesser Verdrängerkammer.
ii. Länge der Heizkammer = 2 / 3L
iii. Länge des Kühlers = 1 / 3L
iv. Hubvolumen Verdränger = das 1,5-fache Hubvolumen des Kolbenzylinders.
v. Länge des Verdrängers = 2 / 3L und Hub = 1 / 3L.
Die Idee der heiße Kammer der länger ist als der Kühler ist mit einem Temperaturgradienten von heiß nach kalt Ende des Verdrängerzylinders zu erhalten. Selbst wenn für das Heizgerät einem dünnwandigen Rohr verwendet, ist es zwangsläufig einige Wärmeleitung entlang des Rohres sein, und die Länge erstreckt, ist eine Möglichkeit, dies zu reduzieren; Dieses Designmerkmal ist in vielen alten Motorkonstruktionen gefunden, aber in modernen Design spezielle Metalle werden verwendet, um dieses Problem zu überwinden. Der Verdränger Zylinder wird in zwei Teilen hergestellt besten mit einer niedrigen wärmeleitenden Scheibe verbunden. Ich benutze Messingrohr, da es einfach zu handhaben ist, aber Edelstahl würde höhere Temperaturen ermöglichen, verwendet werden; Diese Art der Heizung ist nicht sehr effizient, aber ist am einfachsten zu machen.
Dieses Verhältnis von Hubvolumen von Verdränger und Kolben gibt ein vernünftiges Verdichtungsverhältnis, im Idealfall sollte es näher Einheit sein, aber dies führt zu einer höheren mechanischen Verluste durch Reibung, die nur schwer in einem kleinen Motor zu überwinden. In der Regel je größer das Verdichtungsverhältnis umso größer ist die Leistung, aber es scheint, dass Sie kann nicht Maßstab Natur, denn je kleiner der Motor desto größer ist die Reibungsverluste im Verhältnis zu der Leistung entwickelt.
(Anmerkung: in Niedertemperatur-Stirlingmaschinen die Hubvolumenverhältnis groß ist, das heißt, mit dem Hubvolumen des Verdrängers sehr viel größer ist als die des Kolbens im Allgemeinen bei hohen Temperaturen sollte die Hubvolumenverhältnis klein sein, aber als Betriebs erhöht. Temperaturdifferenz verringert wird.)
Die wirksamsten Mittel zur Kühlung ist mit einem Wassermantel, wie gezeigt, Flossen natürliche Luftkühlung Anlass zu geben, es sei denn recht groß zu Überhitzung und Zwangsluftkühlung Luft kann nahezu die gesamte Leistung des Motors absorbieren. Kleine Modelle können von einem meths Brenner und größeren Motoren durch eine Gasflamme erwärmt werden, ist die Verwendung einer Flammenführung (F) hilft, die Strömung von Gasen entlang der Erhitzer Wand zu halten, um die Lücke zwischen ihr und der Heizer auf denen hängt Größe Flamme, um kleine einem Spalt verwendet wird Strömung verringert und die Flamme zu ersticken.
Der Kolben kann in umspült eine gute Abdichtung mit ein paar Ölbäumen zu geben. abwechselnd ein weicher O-Ring-Kautschuk eingebaut werden. Der Kolben kann leicht montiert werden lockerer als mit einem überlappenden Kolben und ein Hain bearbeitet den O-Ring zu nehmen, Pflege mit dem Sitz des Ringes genommen müssen, um nicht zu viel Widerstand zu geben; die Tiefe des Hain für Modelldampfmaschinen empfohlen wird eng einen Anfall geben. O-Ringe können auch die Verdrängerantrieb abzudichten Stange verwendet werden. Vorausgesetzt, eine ausreichende Schmierung ist die Ringe gegeben sehr gut funktionieren und erscheinen weniger Widerstand zu geben, als eine geläppte Dichtung. Nur dünnes Öl soll verwendet werden, und jegliches Öl, das in die Heizkammer Übertragung wird verkohlen und beeinträchtigt Wärme erhält; jedoch habe ich, dass eine Mischung aus Paraffin und Redex (eine obere Zylinderschmiermittel für IC-Motoren) als Schmiermittel scheint über das, wie es kommen nicht verkohlen.
Ein Schwungrad, ausreichend schwer, den Motor über den Verdichtungstakt bei normalen Betriebsgeschwindigkeiten zu tragen macht selbst läuft benötigt und wird am besten auf Kugel- oder Nadellagern gelagert. Dies kann eine hohe Geschwindigkeit und / Kompressions-Engine macht schwer zu starten ist für sie sein muss gesponnen zu beschleunigen, bevor es zu laufen beginnt; aber es ist ein Fehler, zu schweren Schwungrad zu passen. Um die Reibung weiter zu verringern, Kugelbahnen in der Leistungskolbenstange verbindet Wert sind als die Reibungsverluste Einpassen in die Luft komprimieren kann, mit einem schlechten Design, welches die Leistung übersteigt, und keine Wärmemenge wird je damit es funktioniert.
Viele Entwürfe wurden zum Antrieb der Verdränger, in einigen alten Motoren Nocken wurden verwendet, geben intermittierende Bewegung auf die Verdränger, die Idee ist, zu bekommen die Indikatordiagramm so nahe wie möglich an den idealen Luftkreislauf, sondern zusätzliche mechanische Verluste entwickelte sich überwiegen Vorteil, dass gewonnen worden sein könnte. Die einfachste Methode ist es, den Kolben und Verdränger, um mit einer Phasenverschiebung zwischen 90 ° bis 110 ° betrieben wird, ergibt dies eine kontinuierliche sinusförmigen Bewegung des Verdrängers und es wird festgestellt, dass ein größerer Teil der Kompressions in kaltem Ende nimmt und ein größerer Teil der Expansion in dem heißen Ende, so dass die Bedingungen für einen Überschuss von Arbeit produziert wird noch erfüllt. Die Indikatordiagramm wird in eine ovale Form. einen Winkel von 90 ° unter Verwendung ermöglicht eine einfache Verknüpfung verwendet werden.
Im Zyklus von Veranstaltungen, erhielt der maximale Druck auf der Luftmenge, die Teilnahme an dem Prozess abhängen. Dies bewirkt, dass ein Faktor toter Raum genannt betrachtet werden, das ist die Masse der Luft ist, die keinen Teil in diesem Prozess und nehmen eine durchschnittliche Temperatur; zu groß ein toter Raum wird die Gesamteffizienz durch Reduzierung P max reduzieren. Fig. 3 zeigt ein Layout folgenden Meads Design, wie im Jahr 1816 von Robert Stirling verbessert, die viel kompakter ist. Die Gesamtlänge des Verdrängungs muss erweitert werden, um den Leistungskolben gerecht zu werden, aber jedoch müssen nicht verlängert werden, um den gesamten Hub des Kolbens zu bedecken, da, wie durch das Diagramm die Striche des Verdränger und Kolben hergestellt werden kann gezeigt zu überlappen, so die Menge der toten Raum zu reduzieren. Der Verdränger Antriebsstange wird durch das Zentrum des Kolbens geleitet. Da die Leistung von der Menge der Luft hängt von dem Verdränger bewegt wird, kann die Leistung durch Veränderung des Hubs des Verdrängers variiert werden. Die Leistung kann auch durch Verwendung dichte Luft erhöht werden, d.h Luft komprimiert, aber es ist von geringen Vorteile, wenn nicht ein abgedichtete kurbel Fall verwendet wird, wird die kurbel Fall wird auf den Mindestbetriebsdruck des Motors mit Druck beaufschlagt werden. Durch die Anordnung für die kurbel Fall mit dem Innern des Motors zu kommunizieren, wenn der Kolben am Ende des Arbeitshubes ist, kann die Leistung einfach durch Änderung des kurbelGehäuseDruck variiert werden werden.
Die meisten alten Luftmotoren Designs lief bei Atmosphärendruck, mit einem offenen Zylinder, mit unvermeidlichen Verluste von Arbeitsfluid durch Leckage, was schließlich zu dem Motor führt mit einem Druckarbeitszyklus, die oberhalb und unterhalb des atmosphärischen abwechselten. Um dies zu überwinden viele Entwürfe, die eine Nicht-Rückkehr kalbt eingebaut, die Luft in den Motor erlaubt, wenn der Druck unter dem atmosphärischen fiel. In einem Modell benötigt dieses Ventil gering belastet werden, so dass sie mit einem Minimum an Druckdifferenz über sie sich öffnet.
In all den vorhergehenden entwirft der Kolben am kalten Ende angeordnet ist; ideal, um sicherzustellen, dass die Luft bei einer konstanten Temperatur dehnt sich der Zylinder am heißen Ende sein sollte. Jedoch arbeitet und die Kolben bei sehr hohen Temperaturen Schmier ist nicht einfach. James Stirling mit der Idee, experimentiert aber kehrte zurück in den kalten Kolben, die einzigen Luftmotoren, die heiße Luft gegen einen Kolben ausgebaut waren Ericssons Schiffsmotoren und die Ofengasmotoren basiert auf der Arbeit von Sir George Cayley, von denen beide hatten Hitzeschilden ausgestattet mit dem Kolben hatte, und viele Ofengasmotoren Wassermänteln den Kolben vor Überhitzung, aber diese Maschinen auf einem anderen Prinzip zu verhindern gearbeitet. Einer der wenigen Verdränger-Typ-Motoren mit einem heißen Kolben werden sollten diejenigen, gebaut von Henry Essex in Amerika gebaut. Das Modell E. Essex eine Küchenabzugshaube, hat der heiße Zylinder als Arbeitskolben wirkende Schiebe der Zylinder nach oben und unten im Inneren Kühlrippen des kalten Endes gebildet wird.
Bereits 1797 wurde es, dass mehr Wirtschaftlichkeit in Betrieb gefunden in Luftmotoren erhalten werden kann, indem ein Teil den die wast Wärme verwendet wird, aber die Entwicklung des regenerativen Prinzips ist vor allem auf die Arbeit von Robert und James Stirling. In vielen alten Luftmotoren wurde der Regenerator vollständig weggelassen, da ein einfache Konstruktion und war ein größeres Verkaufsargument, die Wirtschaft in Laufen. Die Motoren selbst waren in der Regel so höchst ineffizient, dass es wenig Sinn gewesen wäre, einen Regenerator paßt, aber viele von ihnen arbeiteten ständig mit wenig oder gar keine Wartung für mehr als 50 Jahre, das war alles, was required.Those war gaben Tage frei von Energie Krisen, wenn ein paar extra Eimer auf dem Feuer wenig zählten.
Es könnte argumentiert werden, dass, wegen der möglichen zusätzlichen Verluste, da in Einpassen eines Regenerator zu einem Modell Motor wenig Sinn, aber sie laufen besser mit einem ausgestattet. Der Typ, mit dem Robinson-Motor ausgestattet wurde, ist die am einfachsten zu passen (Abb. 4). I ausgestattet zwei Lochscheiben an der Verdrängerkolbenstange mit einem Durchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Verdrängerzylinders, und der Abstand zwischen ihnen die erforderliche Länge des Verdrängers entspricht. Feindrahtwolle wird dann zwischen den Scheiben umwickelt, ist die Drahtwolle ziemlich elastisch und wenn sie zuerst in den Zylinder eingebaut wird ziemlich steif sein, sich zu bewegen, aber wenn der Motor von Hand über die Heizung eingeschaltet wird, die Hitze bald nimmt die ausfedern und die Wolle paßt eng gegen die Wand des Zylinders.
Weitere Steigerung der Effizienz kann mit Hilfe der Abgase aus dem Brenner erhalten werden, um die einströmende Luft zum Brenner vorzuwärmen, aber das ist nicht einfach, mit kleinen Spiritusbrennern zu tun und ist nicht wirklich die Mühe wert mit, es sei denn eine effizientere Art der Heizkammer verwendet.