A kiszorító dugattyú

A kiszorító (vagy terelődugattyú)

Mint a neve is sugallja, tereli (kiszorítja) hol a hideg, hol a meleg oldalra a gázt.

Főbb Típusai:
Tömör:
http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQGHwoymBOi7zziDoj3haYOQRRBXipkP9od6Lpk7ml0oRV0kWhS
A lényeg, hogy ne legyen rövidebb a terelő dugattyú a henger felénél. Mivel modellről van szó (és általában tudósok sem vagyunk), ennél bonyolultabb számításra nincs szükség, működni fog. Ami még fontos, hogy nem árt, ha viszonylag kis rés marad a terelődugattyú, és a henger között. Ha növelni akarjuk gépünk teljesítményét és hatásfokát, akkor az ilyen terelődugattyú mellé külön regenerálót is kell a gépbe építeni.

Tömör, de résregenerálóval rendelkezik:
Itt bőven a henger hosszának felénél hosszabbra mérjük a kiszorítót, így mindig marad egy rés a kiszorító henger közepe táján, ami regenerátorként működik. Ekkor a kiszorító kb. a henger 2/3-át teszi ki hosszúságban. Ha ilyen kiszorítót használunk, akkor avval is számolni kell, hogy azonos külső méretek mellett, ebben a gépben a kiszorító miatt fajlagosan kevesebb levegő dolgozik, így egy hasonló külső méretekkel rendelkező 50%-os kitöltésű kiszorítóval szerelt gépnél a teljesítménye kisebb lesz!
https://encrypted-tbn3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQpMgFWSe_pniSilA_QKDOUXPo3v09BrGWOz43QhDW8v0CZ3oiw

Fémvatta:
Lehet csinálni terelő dugattyút rozsdamentes "dörzsi" fémszivacsból, acélgyapotból is. Ekkor finoman kell érintse/súrolja a hengert, hogy ne mellette menjen el a levegő, hanem a szálai közt áramoljon.
Ezt már nem hívjuk tömör dugattyúnak, hiszen a levegő átjárja.
https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQz0bVtdmBAAOxwWKIHwNPxqvyLVbadfAfIBwSj39QvRXyRjRvkVA

https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTg1hNNgf8J8pFRmjth6Fmkqof7_uRUtbLSBaSfzCp3JsgA0cqa
Itt láthatsz ilyen kiszorítókat:
http://www.youtube.com/watch?v=IfyoeiB5NUE
http://www.youtube.com/watch?v=RzW0--FMbVg

Az a tapasztalat, hogy a legjobb a fémvatta, legalábbis általánosságban. Mivel jelen esetben a fémvatta működik regenerálóként, nincs szükség arra, hogy hosszabb legyen, mint a henger fele, mivel a regeneráló felülete bőven megvan. Ha hosszabbra hagynánk, már csak a káros teret, vagy más néven holt teret növelnénk a gépben. Minél finomabb szálú a fémgyapot, annál jobb regenerátornak, azonban a finom szálú könnyedén elég, sőt a legfinomabb szálú még levegőn is idővel korrodálódik, elmálik. Ezért a közepes, 3-as, 4-es jelzésű acélgyapotot ajánljuk.

A regenerátor:
A hideg és a meleg oldal között helyezik el. Anyaga a gép típusától függően lehet fémszita, fémgyapot, porózus műanyag, szivacs, de akár kerámia is. Amikor a meleg gáz átáramlik rajta, akkor anyaga átveszi a gáztól annak hőmérsékletét, ezért segíti a gáz hűlési ciklusát. Így a hőenergia eme raktározott része nem megy veszendőbe (ki a hideg oldalon), hanem ellen ütemben a hideg gáz visszaáramlásakor annak visszaadódik. Ezzel előfűti a meleg oldalra tartó gázt, gyorsítva a ciklust és növelve a hatásfokot. Így a hő munkává nem alakított részét sem hagyjuk veszni, hanem újra hasznosítjuk. (Ez aztán a Skót takarékosság :-) !)
A regenerátor tervezésénél figyelembe kell venni, hogy elegendő hőtároló képessége kell legyen (hőkapacitás), de ne növelje feleslegesen a hatásfok romboló holt teret, illetve ne akadályozza a gáz áramlását. Ezért általában a gáz áramlására merőlegesen helyezik el és az átáramlást biztosító csőnél szélesebbre tervezik. Persze nem minden típusban van regeneráló, például a "játék", illetve bemutató jellegű LTD típusú Stirlingekben általában nem használnak, a Harwell típusú Stirlingben pedig a kiszorító és a hengerfal közti szűk résnek van regeneráló hatása, ezt résregenerátornak nevezzük.

Milyen anyagból legyen a kiszorító dugattyú?

Ha LTD gépről beszélünk, ahol nincs 100 fok celsius feletti hőmérséklet, akkor valamilyen nem hőálló, könnyű anyagból szoktuk elkészíteni, például szivacs, hungarocell, vagy a kitűnően vágható formázható XPS.
https://encrypted-tbn3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTgJrwYkc_WGJK5T5AEwB6cV3qqwFi6LOhZ1eSrWCDPNRUK4pDo9Q

Ha HTD gépről van szó, vagyis nagy hőmérséklet különbségből fakadóan 100 fok felett is hőállónak kell lennie, nem csak könnyűnek és nyomásállónak, akkor általában fémdobozból készítjük.
Külföldi profik használnak még Calcium-szilikátot! Mi az ára miatt nem használtuk eddig, mert elég drága.
Itt lehet olvasni róla, illetve beszerezhető.
http://www.interkeram.hu/index.php?pg=ajcs_aloldal&subId=20

Építési számítások

Hőlégmotor építése (vizsgamunka)

Érvényes: hőtan tantárgy, nappali tagozat, 2011–2012. tanév, tavaszi félév

1. A motor főbb jellemzői

1.1. Csak gamma típusú motor építhető. A motor munkaközege csak levegő lehet.

1.2. A hevítőt mécses, gyertya, borszeszégő vagy forró víz melegítheti. Egyéb energiaforrás (gázlámpa, villamos hőlégfúvó, merülőforraló, villanyrezsó stb.) nem használható.

1.3. A hűtőt a szabadon áramló környező levegő, víz vagy jégkocka hűtheti.

1.4. Regenerátor alkalmazható.

1.5. A munkadugattyú lökettérfogata 20 cm³ és 100 cm³ között legyen.

2. Hőtani terv

Adja meg a következő névleges jellemzőket.

2.1. A hevítő és a hűtő üzemi hőmérséklete és belső hőátadó felülete.

2.2. A munkaközeg (a hengerbe zárt levegő) legkisebb és legnagyobb számított térfogata, nyomása, tömege.

2.3. A termikus hatásfok regenerátorral és regenerátor nélkül. A hőtan I. főtétele alapján bizonyítsa be, hogy a termikus hatásfokot a kiegészítésben megadott módon lehet kiszámítani. Ha alkalmaz regenerátort, akkor adja meg annak hőátadó felületét, hőkapacitását, tömegét.

2.4. Mérésre vagy számításra alapozva becsülje meg a motor termikus teljesítményét, valamint a tengelyen leadott tényleges teljesítményét. Előfordulhat, hogy a motor csak önmagát lesz képes meghajtani, a teljesítményt teljes egészében a motorban ébredő súrlódás emészti föl (nincs tengelyen leadott, kicsatolható teljesítmény).

2.5. Méréssel határozza meg az egy fordulatra jutó átlagos súrlódási veszteséget. Írja le a mérési eljárást, készítsen rajzot vagy fényképet a mérésről, és adja meg az eredményt.

3. Mechanikai terv

Adja meg a következő tervezési, méretezési adatokat.

3.1. Összeállítási rajz. A szerkezet szakadjon el a világhálón található megoldásoktól, legyen legalább egy saját ötlet (szerkezeti, anyagfölhasználási, gyártási). Ezt a leírásban emelje ki.

3.2. A motor részeinek (dugattyúk, hengerek, hajtórudak, csapágyazás, tengelyek, lendkerék stb.) műhelyrajza.

3.3. Méretezze a lendítőkereket, és adja meg annak tehetetlenségi nyomatékát.

3.4. A hajtórudakat méretezze kihajlásra.

4. Az értékelés

Az érdemjegy függ a műszaki megoldások ötletességétől, a rendelkezésre álló anyagok találékony felhasználásától, a kivitelezés gondosságától, a motor működését jellemző mennyiségek mérésének ügyes megvalósításától, a motor megbízható működésétől, a mellékelt dokumentáció szakszerűségétől és pontosságától. Az elégséges érdemjegy feltétele:

4.1. A bemutatott motor főbb jellemzői feleljenek meg a kiírásnak (1. pont).

4.2. Legyen hőtani terv (2. pont).

4.3. Legyen mechanikai terv (3. pont).

4.4. A motor legalább 5 percig folyamatosan, üzembiztosan, egyenletesen járjon, átlagos fordulatszáma terheletlenül legalább 300 fordulat/perc legyen.  

Kiegészítések

A Stirling-körfolyamat termikus hatásfoka

A Stirling-körfolyamat munka- és hődiagramja az 1. ábrán látható. A regenerátor a hevítő és a hűtő közé iktatott átmeneti energiatároló. Ha a 2-3 szakaszon fölvett Q₂₃ = Q_reg hőt teljes egészében az előző ciklusban a regenerátornak leadott Q₄₁ = Q_reg hő pótolja, a Stirling-körfolyamat termikus hatásfoka megegyezik a Carnot-körfolyamatéval:

.

Példaként legyen a hűtő hőmérséklete T_K = 0 ºC, a hevítőé T_N = 100 ºC. A megadott adatokkal:

.

Ha a munkaközeg tömege 0,128 g, akkor ennek hőkapacitása 0,13 J/K. Legyen a regenerátor hőkapacitása ennek 10-szerese: C_reg = 1,3 J/K. Legyen a regenerátor finomszálas, laza állagú acélforgács vagy üveggyapot.

1. ábra. A Stirling-körfolyamat munka- és hődiagramja

A regenerátor nélküli Stirling-körfolyamat termikus hatásfoka függ az ε sűrítési aránytól:

.

Legyen a sűrítési arány ,

levegőre .

A példaként megadott adatokkal:

  

A munkaközeg tömege, az elméleti munkadiagram és a motor teljesítménye

Legyen a munkaközeg legnagyobb térfogata V₁ = 100 cm³, induló nyomás ,

.

.

 Ekkor a munkaközeg tömege:

A sarokpontokban a nyomás (ha ε = 2):

A környezeten végzett munka a két izotermán:

Az egy ciklus alatt a környezeten végzett eredő munka:

A névleges fordulatszámnál (300 f/perc) az egy főtengelyfordulat ideje:

.

Az elméleti teljesítmény:

.

Ha a motorban van regenerátor, a fordulatonként szükséges hő megegyezik a 3-4 szakaszon végzett munkával:

.

Az üzemeltetéshez szükséges hőáram:

.

Ha a hevítő hatásfoka 80%, akkor a hőforrás hőárama kb. 60 J/s. Ezt kb. három mécses képes előállítani.

A motor tényleges hatásfokát rontja az ideális körfolyamattól való eltérés és a súrlódás. Ha a tengelyen leadott tényleges teljesítmény például 5 W, akkor a jósági fok és a tényleges hatásfok:

Ezektől a számított értékektől a megépített motor tényleges hőtani jellemzői jelentősen eltérnek.

A 2. ábrán egy 50 cm³ lökettérfogatú, 2-es sűrítési arányú, gamma típusú, regenerátorral ellátott, forgattyús hajtóművel szerelt hőlégmotor számított (a ténylegest megközelítő) munkadiagramja látható. A regenerátor és a hengereket összekötő csövek légtérfogata (káros tér) a lökettérfogat 10%-a. Jól látható, hogy a valóságos körfolyamat jelentősen eltér az elméletitől.

2. ábra. Gamma típusú hőlégmotor tényleges munkadiagramja

A lendítőkerék A motor szögsebessége a névleges fordulatszámon: A hengertérbe zárt levegő izotermikus összenyomásához szükséges munka: Tegyük föl, hogy ezt a névleges fordulatszám kétszeresére fölpörgetett lendkerék forgási energiája szolgáltatja (a sűrítés végén a lendkerék megáll): Ebből a lendkerék tehetetlenségi nyomatéka: Ez a motor folyamatos működését biztosító legkisebb tehetetlenségi nyomaték. (Ekkor a lendkerék éppen csak átfordítja a holtponton a főtengelyt, a motor egy pillanatra leáll a 2-es pontban). Ennek kb. a kétszeresére válasszuk a tehetetlenségi nyomatékot (súrlódási veszteségek is vannak!). Legyen például  , a lendkerék tömege M = 1 kg. Ha a lendkerék d átmérőjű vékonyfalú hengergyűrű, akkor a tehetetlenségi nyomatéka, illetve az átmérője: A lendítőkerék tehetetlenségi nyomatéka legalább akkora legyen, hogy a névleges fordulatszámra kézzel fölpörgetett, majd magára hagyott motor legalább 3-4 fordulatot tegyen a megállásig. Megjegyzés A példaként megadott értékek TK = 0 ºC, TN = 100 ºC, ε = 2, V1 = 100 cm3, M = 1 kg, továbbá a lendkerék alakja (vékonyfalú hengergyűrű) az Ön motorja esetén természetesen más lehet. Az elkészült mű:     A tervezéshez és építéshez ajánlott irodalom Bagány M.: Műszaki hőtan. Jegyzet, H–388, KF GAMFK, Kecskemét, 2009. Bagány M.: Műszaki áramlástan. Jegyzet, H–393, GAMF, Kecskemét, 2009. Grohe, H.: Otto- és Diesel-motorok. Műszaki könyvkiadó, 1980. Pattantyús Á. Géza: A gépek üzemtana. Tankönyvkiadó, Budapest, 1964. Kecskemét, 2012. február Bagány Mihály a tantárgy előadója Köszönet Bacsabacsának és Bagány Mihály Tanár Úrnak !

Egyebek:
Stirling-gép szimulátor:
http://www.solarheatengines.com/stirling-engine-simulator/
Levegő-nyomás kalkulátor:
http://www.sengpielaudio.com/calculator-airpressure.htm
Kalkulátor:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/wavrel.html#c2
Pneumatikai alapfogalmak:
http://www.pneuplus.hu/pneumatika_oktatas_files/Pneumatika_alapfogalmak.pdf
Kg/cm2 to bar
http://www.convertunits.com/from/kg/cm2/to/bar
mm2 to cm2:
http://www.endmemo.com/sconvert/cm2mm2.php
N to kg:
http://www.convertunits.com/from/kg/to/N

Főoldal

Stirling-motor jellemzői:

A Stirling motor külső melegítésű hőerőgép, hasonlóan a gőzgéphez, azonban víz munkaközeg helyett levegő, vagy más, alkalmasabb gázok dolgoznak benne.  A motor a gázok azon tulajdonságát használja ki, hogy azok melegítésre kitágulnak, hűtésre pedig összehúzódnak. Ez a két folyamat zárt térben váltja egymást a motor működése közben.

Működtetéséhez bármilyen külső hőforrást használhatunk, például napenergiát (lásd. a videót), geotermikus-, vagy a hasadóanyag energiáját, illetve egyéb fosszilis tüzelőanyagok elégetésekor felszabaduló hőenergiát.

                                      Napenergia hasznosítsa stirling technológiával.

Amennyiben hagyományos üzemanyagokat használunk, akkor azokat egy arra alkalmas kazánban égetjük el, és ennek égésterébe építjük/toljuk bele a motor meleg oldali részét. Ennek előnye, hogy így jobb hatásfokkal égethetőek el a tüzelőanyagok, és ezért jóval kevesebb korom, illetve egyéb szennyezőanyag keletkezik. Míg a belsőégésű motoroknál a hirtelen, robbanásszerű nyomáshullámok a kipufogórendszeren keresztül erős zajhatást keltenek, addig a Stirling-motoroknál teljesen zárt a rendszer. Hang leginkább csak a forgattyús mechanizmusból származik. Amennyiben ez pontosan van elkészítve, nem csattog, kotyog, akkor nagyon halk motor is építhető. Ezért is használják tengeralattjáróknál is a Stirling technológiát.

A Stirling motor felépítése egyszerű, nincsenek szelepek. A súrlódó alkatrészek, mint például a munkadugattyú,  a motor hideg oldalán helyezkednek el, így kisebb a hőterhelésük, ezért megbízhatóbbak és hosszabb élettartalmúak a belsőégésű társaikkal szemben.
 Egyszerűsége, látványos működése miatt mind nagyobb népszerűségnek örvend a modellezők körében is, hiszen akár néhány konzervdobozból, bicikli küllőből, cd lemezből, nagyon attraktív modelleket lehet építeni, akár komolyabb műszaki tudás, vagy műhely nélkül. Vannak olyan típusok is, amelyekben még surlódó alkatrész sincs. Ilyenek például a TMG (thermo mechanical generator), valamint a Stirling motorok újabb generációja, a termoakusztikus gépek. Ez utóbbinál, az egyetlen mozgó alkatrész, egy lineáris generátorhoz csatlakozó membrán. Súrlódó alkatrészek híjján ezek a gépek nagyon hosszú élettartamúak és kevés karbantartást igényelnek..

Hol találkozhatunk vele?
 Napjainkban főleg a napenergia farmok parabolatükreiben, tengeralattjárókban, műholdakban, űrszondákban, kisebb házi erőművekben, CHP rendszerekben, új típusú hűtőgépekben használják előszeretettel, de az élet egyre több területén kezdik felfedezni számtalan előnyének köszönhetően .

Számítógép processzor hűtése stirling-motorral

Stirling motor Hatásfoka:
A Stirling körfolyamat hőhatásfoka megegyezik a Carnot körfolyamat hatásfokával, amely elméletileg a legjobb. A Carnot körfolyamat hatásfoka:
h = 1 - (Tc/Th)
ahol:
Th - A körfolyamat legmagasabb hőmérséklete
Tc - A körfolyamat legalacsonyabb hőmérséklete
Az elméleti hőhatásfok így annál jobb, minél nagyobb a hőmérséklet különbség.
A gyakorlati hatásfok függ a kialakítástól, típustól és a precizitástól is.
A gyári Stirling motoroknál a 40 %-os hatásfok is elérhető.
Amatőr gépeknél általában az 5-10% már szép eredmény. Reméljük, hogy a házi készítésű gépek hatásfoka a jövőben javulni fog, ahogy a megfelelő szerkezeti anyagok, elérhető áron hozzáférhetővé válnak, valamint a megfelelő tapasztalat, háttértudás is rendelkezésre fog állni.
Ezért is hoztuk létre ezt az oldalt!:)

 Használható autóban?

Mivel esetünkben egy külső melegítésű gépről van szó, nem szabályozható a teljesítménye hirtelen és rugalmasan, mint egy belsőégésű motornak. Pontosabban megoldható, de csak úgy, ha a gép hatásfokának lerontásával szabályozzuk, például a hideg-meleg oldal közé szelepet teszünk és a gáz áramlási sebességét szabályozzuk. Azonban ez nem gazdaságos. Ez a egyik hátránya. Ezért leginkább olyan területeken használják, ahol egyenletesen lehet járatni, például generátort hajtanak meg vele. Ettől függetlenül voltak próbálkozások. Készítettek Stirling motorral hajtott autót (PhiIips az 1970-es években), de akkoriban nem volt versenyképes. Elektromos energiát termeltetve vele és elektromotort meghajtva, manapság már az lenne. 2008-ban el is készült az első ilyen stirling elektromos  hibrid autó. Amennyiben ez elterjedne, abban az esetben az autó „rőzsével“ is elmenne, ami az államoknak adókiesést és egyéb problémákat jelenthetne...de mi azért drukkolunk! :P

Reneszánszát, az alternatív energia szektor fellendülésének köszönheti, valamint az egyre korszerűbb szigetelési anyagoknak és technológiáknak, amelyek lehetővé teszik a nagyobb nyomású munkaközegek használatát. Ezek a gépek ugyanis nyomás alatt „bokrosodnak" meg.  Ez a másik nagy hátránya.

  Az utóbbi években rohamosan fejlődő, merőben új irányvonalú fejlesztések is megjelentek. Ilyen például a termoakusztika, ahol a gépek már nem annyira látványos működésűek, mivel nem tartalmaznak a működésükhöz szükséges mozgó alkatrészt, azonban hatásfokuk meghaladja a mozgó alkatrészekkel működő társaikét. Amiért mégis ebbe a kategóriába sorolják őket az az elv, amit használnak.

Talán a jövőben a "sufni tuningos amatőröknek" is sikerül áttörni a bűvös 10%-os határt és megnyílik a lehetőség ezen gépek háztartásban való felhasználására, hogy olcsón és környezetbarát módon világíthassunk, fűthessünk/hűthessünk...élhessünk!