Se hai qualche lattina di soda e pochi altri accessori facili da trovare, puoi ricreare uno dei primi motori commercialmente validi mai realizzati. Anche se di piccole dimensioni, un motore Stirling per lattine di Coca-Cola parla ancora alla nostra anima meccanica collettiva mentre sbuffa e si sposta su uno scaffale, ruotando un volano, facendo girare alcune pale del ventilatore o persino generando pochi watt.
La sua stessa semplicità evoca un tempo diverso. E se considerato come una prova di concetto, un modello interessante, un pezzo di conversazione o un pezzo di scultura cinetica, realizzare un motore Stirling per lattine di bibite è un ottimo modo per fare un tuffo nel passato.
Il motore Stirling è stato il frutto del cervello di Robert Stirling, che ha inventato il concetto nel 1816. L'idea alla base del suo motore era di utilizzare l'aria per alimentare un motore, piuttosto che la tecnologia emergente dell'epoca:il vapore.
Ciò che distingueva il motore Stirling dagli altri era l'uso di un "economizzatore", che migliorava il risparmio di carburante. Questo è ora noto come rigeneratore. Tra il 1816 e il 1843 Stirling e suo fratello, James, perfezionarono il design e l'efficienza del motore. Entro la metà del XIX secolo i suoi motori alimentavano le principali industrie, comprese le fonderie. Tuttavia, il suo motore, così come la maggior parte dei motori ad aria calda, era più adatto per applicazioni a bassa potenza. Il suo desiderio di creare un'alternativa più sicura ai motori a vapore che esplodono spesso è stato sconfitto dalla necessità di più potenza per far funzionare le industrie in crescita.
La prima cosa che dovresti sapere su un motore Stirling è come si combinano le parti e come funzionano.
Contenuti
Togli il rigeneratore di Stirling e avrai un motore ad aria calda. Come funziona un motore ad aria calda è semplice. L'aria diventa quello che viene definito il "fluido di lavoro". Una fonte di calore, nel caso della maggior parte dei motori Stirling per lattine di bibite, questa è una candela per il tè, riscalda l'aria facendola espandere. L'aria viene quindi raffreddata, facendola contrarsi. L'espansione e la contrazione dell'aria, o fluido di lavoro, è un ciclo termodinamico. Ora, usa questo ciclo termodinamico per muovere un pistone e hai effettivamente consentito al ciclo termodinamico di produrre un lavoro meccanico utile. Quando si collega un albero a gomiti al pistone e si aggiunge un volano, si hanno le basi di un motore.
Completa la costruzione di un motore Stirling e imparerai più di qualche lezione sull'ingegneria della birra fatta in casa. Soprattutto, costruirne uno è molto divertente e ti dà la possibilità di essere creativo con ciò che la maggior parte delle persone considera spazzatura. E vederlo funzionare lo porta a un livello completamente nuovo.
Suona semplice? Lo è, ma manca ancora un po' di tempo prima che il motore sia costruito. Avrai bisogno di più componenti, alcuni materiali e una comprensione di come si incastrano tutti insieme prima che il tuo motore si esaurisca.
Ecco di cosa avrai bisogno:
Diamo un'occhiata ai componenti che costruirai, vediamo come funzionano, cosa fanno e come si combinano tutti insieme.
Storia StirlingRobert Stirling non è stato il primo a provare un motore ad aria, ma è stato il primo a creare un prodotto commerciale valido e il design del suo motore è stato utilizzato nel 1818 per alimentare una pompa dell'acqua in una cava.
"Devi pensare come un orologiaio", afferma Jim Larsen, costruttore, autore ed educatore di motori Stirling di lunga data. "Devi prestare attenzione ai dettagli. Se presti attenzione ai dettagli, hai maggiori possibilità di successo."
I componenti principali di un motore Stirling sono relativamente semplici e diretti. Mentre ci stiamo concentrando su un motore per lattine di bibite, i motori sono stati costruiti utilizzando materiali che vanno dai barattoli di vernice ai fusti di petrolio. Larsen ha detto che durante una sfida del Ringraziamento mentre visitava i suoceri, ha costruito un motore Stirling con materiali assortiti per negozi di ferramenta, comprese pentole e padelle.
Le lattine di bibite in alluminio offrono forme già pronte e preformate perfette per i motori. Sono anche facili da lavorare e, ovviamente, molto economici. E sebbene non siano abbastanza robusti per un uso serio, resistono alla micro-potenza prodotta dalla maggior parte dei motori.
La camera a pressione è un recipiente che trattiene l'aria prigioniera, o fluido di lavoro, all'interno del sistema chiuso. È qui che l'aria viene riscaldata e raffreddata durante il ciclo termodinamico. Mentre le perdite di aria e pressione possono essere la rovina di molti motori, la camera di pressione ha effettivamente bisogno di una piccola perdita controllata. Senza questa perdita, la camera diventerebbe semplicemente un barometro e reagirebbe solo ai cambiamenti della pressione barometrica dell'aria circostante.
Larsen ha affermato che molti costruttori Stirling scelgono di cambiare il fluido di lavoro nella camera a pressione da aria a elio, che reagisce meglio durante il ciclo termodinamico.
Il meccanismo di guida utilizza l'espansione e la contrazione dell'aria all'interno della camera di pressione per azionare un albero a gomiti. Il meccanismo di azionamento può essere fissato al lato del motore o integrato nella struttura del motore.
Per Larsen, l'albero motore è la parte più critica del motore e influenza ogni parte dell'insieme, dalla fasatura, alla corsa del dislocatore, alla velocità del volano e all'equilibrio dell'insieme. "Questa è una parte su cui vuoi dedicare del tempo per farlo bene", ha detto Larsen.
Il volano serve come più di un'indicazione che il motore sta funzionando. Agisce come una sorta di dispositivo di accumulo di energia. Un volano ben bilanciato preleva l'energia creata durante la corsa di potenza del motore e la immagazzina. Quando è necessaria energia per spingere il dislocatore verso il basso, il volano fornisce l'energia immagazzinata per vincere l'attrito e altre forze. Senza un buon volano, il dislocatore salirebbe semplicemente in cima alla camera e ci starebbe.
Larsen ha affermato che avere un volano ben bilanciato è la chiave per l'efficienza. Se la ruota non è equilibrata, il motore deve lavorare di più per spostarla. "Non vuoi che il motore faccia più lavoro del necessario", ha detto.
Il dislocatore in un motore ad aria calda serve a spostare l'aria all'interno della camera di pressione. Ricorda, il motore non può funzionare senza il ciclo termodinamico in cui l'aria viene riscaldata e raffreddata, causando espansione e contrazione. Se la camera a pressione fosse semplicemente riscaldata, senza nulla al suo interno per spostare l'aria, l'aria all'interno si scalderebbe e si espanderebbe, ma non si contrarrà mai.
Con la fonte di calore nella parte inferiore, il motore ad aria calda utilizza anche il raffreddamento nella parte superiore, solitamente ghiaccio o acqua fredda, per raffreddare l'aria. Quando l'aria viene riscaldata, si espande spostando il dislocatore vicino alla parte superiore della camera di pressione. Nella parte superiore della camera l'aria viene raffreddata, si contrae e sposta il dislocatore verso il basso. Tutto questo avviene con l'ausilio del meccanismo di trasmissione, dell'albero motore e del volano.
Il dislocatore è più comunemente un pezzo di lana d'acciaio arrotolato con un filo leggero che scorre al centro. Ricordi quando Larsen ha parlato della necessità di pensare come un orologiaio? Questo è uno di quei momenti. Il dislocatore deve poter scorrere liberamente all'interno della camera a pressione, riempiendo allo stesso tempo la maggior parte di essa. Deve consentire il libero flusso d'aria, limitando parte del flusso. L'idea è di ridurre al minimo l'attrito e massimizzare l'efficacia. Questo tema è una costante durante tutta la costruzione del motore.
La scatola termica è semplicemente un supporto su cui poggia il motore. La fonte di calore è posizionata sotto il motore.
Questo sembra un sacco di lavoro per non molto ritorno. Ma c'è una sensazione tangibile quando finisci il motore, risolvi i lavori per farlo funzionare e lo vedi sbuffare da solo. Per Larsen, il suo fascino è iniziato più di mezzo decennio fa, mentre il tuo potrebbe iniziare tra pochi giorni.
videoPer guardare un motore Stirling in lattina in azione, guarda questo video e molti altri online.
Fonti
