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

Stirling gyerekeknek, kezdőknek, iskolai projekt feladatnak

                                

Gyerekeknek, iskolai projektfeladatnak, vagy akár kezdőknek a Hubert Stierhof által kitalált Rocky stirling gép megépítését ajánljuk, mivel nincs nyílt láng használata, a melegítés napenergiával történik, az elkészítéséhez pedig nincs szükség felszerszámozott műhelyre, vagy speciális alkatrészekre. Kiemelkedő kézügyességet sem követel meg. A legfontosabb feltétel talán az, hogy ne télen, napsütésben szegény időszakban építsük meg! Átlag 20-40 fok hőmérséklet különbséggel fog működni a gép, az érzékenységét pedig nagy mértékben növelhetjük, ha nedves papír zsebkendőt, vagy szövetet teszünk a hátsó (hideg) oldalára.
 Szerintem akár Ultra LTD -is lehet készíteni, ami 10 fok alatti hőmérséklet különbséget jelent a két oldal között. Ekkor szélesebb, de laposabb gépet kell építenünk, és csupán egy nedves ronggyal a hátlapján is működhet anélkül, hogy napfény érné, csupán a szoba hőmérséklete és a párolgó víz hűtötte oldal közti hőmérséklet-különbség hajtaná. Amennyiben felfüggesztjük a terelődugattyút, (én az alsó rajzon lévőt próbáltam ki) akkor a kiszorítónak még kisebb lesz a súrlódása, kisebb lesz az ellen ütemben mozgó súly, amitől szintén nagy mértékben nő az érzékenysége!

Egy mini gép:

https://www.youtube.com/watch?v=wtJwbu67yog&feature=youtu.be

Evvel a design-nal valószínűleg nagyméretű LTD gépet is könnyen lehet készíteni! A gép működési elmélete:

http://stirlingtechnology.blogspot.com/2012/01/rocky-egzotikus-mc-k.html 

Tanácsként annyi elmondható, hogy próbáljunk minél könnyebb anyagokból építeni, és az érzékenységet növelhetjük, ha nem csak jobb-bal irányban súlyozzuk ki a gépet, hanem az alja és a teteje között is. Nem baj, ha kicsit szivárog a gép, sőt kell is, hogy a folyamatos melegedés miatt ne nyomódjon ki a víz és állítódjon el egy idő után az egyensúly. Ezt úgy érdemes megoldani, hogy teljesen szivárgásmentesre építjük, majd egy apró, tűszúrásnyi lyukat szúrunk rá. A vízcsövet úgy hajlítsuk, hogy a legmélyebb pontja a hengerünkkel egy vonalba essen, mert különben a víz szép lassan hol az egyik, hol a másik oldalra tolódik, így mindig elállítja az egyensúlyt. A gép néhány másodperc, vagy perc működés után vagy az orrára, vagy a hátára fog dőlni, és nem lehet beállítani az egyensúlyát. Ha csúcsosra íveljük, akkor megbízhatóan fog működni. Az érzékenységét úgy növelhetjük, hogy csökkentjük a gép teteje és alja közötti súlyelosztást, vagyis pici súlyt teszünk a gép tetejére!, így könnyebben, nagyobbakat tud billegni, de lassabb lesz a működési frekvencia. Ráadásul elállíthatja a cső csúcsosságának a mértékét, így túl nagy súly használatával szintén állandóan elállítódhat az egyensúly. Ha a cső aljára (csúcsára) tesszük a súlyt, a gép súlypontja alacsonyabbra kerül, stabilabb lesz, gyorsabb is, de kevésbé érzékeny. Nem árt, ha a gépet könnyen bonthatóra építjük, különösen, ha víz folyik bele, szükség lehet rá! Dolgozzunk a lehetőségeinkhez mérten a legpontosabban és ne végezzünk férc munkát... például, ha csak szigetelő szalaggal rögzítjük a fedőket, az nem elég, ugyanis a szigetelőszalag, bár jó légszigetelő, de jól nyúlik, így tágulásával mozogni engedi a fedőt a gép oldalához képest. Mivel a fedők felülete nagy, a nyomásingadozások erősen hatnak rá, és ez az erő itt fog elnyelődni, nem a folyadékdugattyút fogja mozgatni. Mivel a jelenség alig látható, csak nézünk majd, mint borjú az új kapura, miért ilyen gyenge a produkció! Ha a szigetelőszalag körbetekerése előtt  kevés pillanatragasztóval körbepontozzuk a fedőt úgy, hogy az később könnyedén kitörhető legyen a gép alkatrészeinek sérülése nélkül, akkor elkerülhetjük a fedő nagymértékű, káros mozgását, "légzését"! A fentiekből adódóan, ha választani lehet, olyan konzerv doboz fedőket használjunk, amelyek merevebbek. Minél merevebb a gép oldala, annál kevesebb veszteség lesz a szuszogásából adódóan! Hogy ez milyen fontos, próbáljátok ki! A hüvelyk és a mutatóujjatokkal fogjátok át az első és hátsó fedőt, és nyomogassátok össze a gépet. Láthatjátok, hogy szemmel nem látható deformációra, a folyadék mennyit mozdul kifelé. A nap felőli fedőt be kell festeni feketére, ha lehet matt festéket használjatok, vagy a fényes fekete, már megszáradt festéket finom csiszolópapírral tegyétek mattá. Lehet használni üveglapokat, vagy petri csészét is oldalra, ekkor a belső terelődugattyú nap felőli oldalát kell feketére készíteni. Persze az egyéb kreatív ötletek, megoldások száma végtelen! A Stirling gépekre jellemző, hogy ilyen apróságokon múlik a működésük!
A gép egyensúlyát úgy állítom be, hogy a gép alján a műanyag csövet tartó drótban a műanyag cső mozgatható előre-hátra. Ajánlom még, ha tovább akarjátok tökéletesíteni, hogy olvassátok el a Stirling gép működése menűpontban a holttérre utaló részt is.
A gép méretei: 10 cm átmérőjű (konzerv tető), 4 cm magas karika (2l-es üdítős flakon) a henger, 7mm belső átmérőjű PVC cső a vízdugattyúnak használt cső.

http://www.youtube.com/watch?v=WnHH6BKk7yA&feature=youtu.be

 A felhasználható anyagok: Elég széles a skála, de az alábbi anyagok bárki számára elérhetőek. Konzerves doboz (pl. halkonzerv), szigetelőszalag, drót, lehetőleg átlátszó műanyag cső, kiszorítónak hungarocell darab, vagy hullámkarton darab, pillanatragasztó, szilikon ragasztó (pl. F.BS, Mester)
A hengert 2l-es PET palackból vághatjuk ( a visszaválthatós jobb). Hőcsapdát is szerelhetünk a gépre, amit én átlátszó CD tokból készítettem, erre szeles, hűvösebb időben lehet szükség.

Szükséges szerszámok, egyebek: olló, kés( sniccer), fűrészlap, védőszemüveg, kesztyű.

A kiszorító elkészítése: Egy lapos Hungarocell darabot ék alakúra kell vágni, hogy tudjon billegni, ill. átbillenve illeszkedjen a konzerves doboz felső oldalához, aljához. Gyerekeknél, de felnőtteknél is nehézséget okozhat ennek pontos kivitelezése, így általában könnyebb, ha alufólia galacsint gyűrűnk megfelelő alakra. Még egyszerűbb, ha (hullámkartonból, vagy más könnyű anyagból) két karikát vágunk ki (könnyen mozogjanak a hengerben), és közéjük távtartót teszünk úgy, hogy szabadon tudjanak billegni a karikák, vagy fellógatjuk őket a két oldalhoz. Esetleg a két körlapot össze is lehet ragasztani az egyik szélénél, a távtartót a másikba, és annál fogva cérnával felfüggeszteni. Így mindig magától indul, és a vékonyabb (1-2mm) hullámkartonból készített karika terelőkkel működik a legjobban a gépem, hiába van közöttük holttér!

 Veszélyforrások: Az egyik legveszélyesebb a pillanatragasztó, főleg akkor, amikor még az új flakonnak kinyomjuk a zárt tetejét, vagy a beszáradt elejét akarjuk kiszúrni tűvel. Azt javasolom, hogy a ragasztást inkább felnőttek végezzék, mégpedig védőszemüveggel, mert a ragasztó ilyenkor kispriccel és ha magunk felé tartjuk (amit soha ne csináljunk), akár a szemünkbe.  A másik dolog, amire nagyon oda kell figyelni, az ujjak összeragadása. A fűrész, olló, kés használatával pedig vágási sérülések történhetnek. Az erős napsütésen őrizetlenül hagyott gép, akár 150 fok Celsiusra is felmelegedhet, olyannyira, hogy megolvadhatnak a műanyag részek. A fentiek miatt a gépek elkészítését és használatát mindenki saját felelősségére végzi!

 A Stirling-gépek szerepe az oktatásban:  A gyermekek ma már tisztában vannak az alternatív energia fontosságával, ezért természetes érdeklődést mutatnak ezen szerkezetek irányában! Elnyeri a tanulók tetszését, és a gépek megismerése, főleg építése közben felébred az érdeklődősük a kapcsolódó , mélyebb tudás elsajátítása, majd később a fizika, a mérnöki tudás iránt. Segíti a fizikaórák érdekesebbé tételét és rámutat a fizika gyakorlati hasznára! Ráébreszti a tanulókat az energia fontosságára, az energetikai problémákra, hogy mennyi energiát használunk, illetve spórolhatunk és energiatakarékosságra nevel!

 Példa: Japán

Japánban már a kisiskolásokkal építettnek különböző Stirling gépeket, nem hiába érzékenyek a tudományra és technikára, és nem hiába járnak előttünk ezen területeken.
http://members.jcom.home.ne.jp/rikaken/stirling.html

 Amennyiben elkészítettétek ezt az egyszerű gépet jelezzétek nekünk, illetve küldjetek nekünk e-mailt a blog alján megtalálható, kapcsolatfelvételi űrlap segítségével, hogy mi is együtt örülhessünk veletek!

 Jó szórakozást!

Milyen arányai legyenek a gépemnek?

Kiindulhatunk abból, hogy mivel szeretnéd fűteni, illetve mire szeretnéd használni.

A kiszorító dugattyúkról itt olvashatsz:
http://stirlingtechnology.blogspot.hu/2012/09/a-kiszorito-dugattyu.html

Minél több gáz van a gépben, annál nagyobb lesz a teljesítménye, de annál nagyobb lesz a kiszorító súlya és a forgattyús szerkezet súrlódása.

Ha kis hőmérséklet különbséggel akarod működtetni a gépedet, akkor lapos gépet csinálj, mert a kiszorító így könnyű marad, a rövid mozgatás miatt is, kisebb forgattyús szerkezetet kell ráépítened, amitől kicsi marad a súrlódása, így a kis teljesítménytől is fog tudni működni. Ha azt akarod, hogy még kisebb hőmérsékletre működjön, inkább szélesítsd. A másik, ha nem lenne lapos a géped, hanem hosszúkás, a kis hőbevitelt a sok levegővel tovább hígítod, ami rontja a hatásfokot! Lapos gépnél viszont a levegő mennyiségéhez képest nagy a felület, amitől jobban megmarad az a  kis energiasűrűség.

Ha nagy hőmérséklet különbséggel akarod meghajtani a gépedet, akkor a lapos gép nem lesz jó, mivel hőálló anyagokat kell használnod. Általában fémet hengernek, esetleg kiszorítónak is, és mivel közel van a hideg és a meleg oldal, ezért az átvezeti a hőt, anélkül, hogy munkába fogtuk volna. Ezért a HTD gépek hosszabb alakúak. A nagy hőmérséklet különbség miatt nagyobb az ereje, ezért a nagyobb forgattyús szerkezet nagyobb súrlódása aranyaiban kisebb jelentőségű. Ha nagy hőmérsékletre lapos, széles gépet csinálnánk, akkor különlegesebb hőszigetelő anyagokat kellene használni, speciálisabb építési módokat, melyek az amatőrök számára nehezebben elérhetőek. A nagy lapos felületek a nagy nyomásváltozásokra domborodhat, homoríthat (lélegezhet), és ez elvehet a hatásfokból. Ha vastagabb lemezt használsz, akkor kisebb lesz valamivel a hővezetése, ha meg merevítéseket raknál rá, bonyolódik az építés. Másrészt, a nagy felület viszont pozitív hatású lenne, de egyenletesen kell fűtened. Tehát, nem érdemes lapos széles gépet építeni, ha vihargyújtóval akarod fűteni, mert a hőmérséklet hiába lesz magas, ha a hőmennyiség eloszlik.  

Minél magasabb a hőmérséklet különbség, azaz minél koncentráltabban visszük be a hőmennyiséget, hőenergiát, annál magasabb hatásfokkal lehet mozgási energiává alakítani. Törekedj, rá, hogy minél kevesebb holt tér legyen a gépedben (a regenerátor belső tere is holt térnek számít)!