Arbeitsblatt: Stirlingmotor-Anleitung

Stirlingmotor Leistungsnachweis „Physik im Alltag PHTG, HS 14/15 Patric Alder, Sek 1, Rgst 10/11 Dozent: Donald Kaden Bauanleitung Stirlingmotor Material: 1x Glasflasche (z.B. Weinflasche) 1x Glasrohr 50 mm (d10mm) 1x Bodenplatte (Holzplatte) ca. 10x100x200 (mm) 4x M4 Gewindestangen (80mm) 12 M4 Muttern 12 Unterlagscheiben (passend zu M4) 1x alte CD 2x Deckel einer PET-Flasche 2x Alublech ca. 1x100x100 (mm) 1x Alurohr ca. 20mm (Durchmesser entsprechend Innendurchmesser des kl. Glaszylinders) 1x kleines Stück Alublech (für Arbeitskolbenhalterung) 2x Aluwinkel ca. 125x25 (mm) Behälter mit Seifenwasser (Für Silikonarbeiten) Rechaudkerzen Silikon (Hitzefest) Steckschaum für Blumen Draht (d1.5 mm) Draht (d0.8mm z.B. Blumendraht) Benötigtes Werkzeug und Maschinen Schreibzeug den Maschinen und Werkzeugen entsprechende Schutzausrüstung Bohrmaschine Schleifpapier/Maschine Glasschneider (Ideal: Glasflaschen- und rohrschneider) Cutter Metallsäge Bolzenschneider Div. Zangen zum Biegen Massstab und Schieblehre Zirkel Feuerzeug Fliessend Wasser Metallbohrer (d 1/1.5/4/9 mm) Silikonpistole Haushaltspapier Bauanleitung 1. In die Bodenplatte werden 4 Löcher (4mm) gebohrt. Die Löcher bilden die Ecken eines Quadrats mit der Seitenlänge 80mm. (Abbildung 1) 2. Aus einer Aluminiumplatte werden 2 Stücke geschnitten (100mmx100mm). Die Platte wird mit dem Cutter einige Male angeritzt; anschliessend kann die Platte an einer Tischkante gebrochen werden. Auf einem Blech werden die Diagonalen eingezeichnet und einen Kreis mit dem Durchmesser der gewählten Flasche. Im Diagonalen-Schnittpunkt wird ein Loch gebohrt (1mm) und ca. 2 cm daneben ein 9mm Loch. Auf die zweite Platte werden die Löcher der Bodenplatte übertragen und gebohrt (4mm) (Abbildung 2) 3. Anschliessend werden zwei Streifen aus der Aluplatte geschnitten (ca.125mmx25mm). 1 cm wird um 90 Grad gebogen, sodass ein Winkel entsteht. Auf der anderen Seite wird 1 cm von der Kante weg in der Mitte ein Loch gebohrt (2mm). (Abbildung 3) 4. Aus der Glasflasche wird ein Zylinder geschnitten (h60mm). Dafür muss die Flasche mit dem Glasschneider eingeritzt werden. Anschliessend die Flasche über eine Kerze halten und unter fliessendem, kalten Wasser abschrecken. Den Vorgang wenn nötig Wiederholen. (Abbildung 4) 5. Aus dem Glasrohr ein 5 cm langes Stück abschneiden (Glasrohrschneider) und Schnittkante glatt schleifen. (Abbildung 5) 6. Den grossen Glaszylinder durch ca. 35 mm starken Steckschaum drücken. Somit erhält man den Verdrängerkolben. Den Kolben mit Schleifpapier rund schleifen. Er muss sich locker im grossen Glaszylinder bewegen können. Anschliessend einen Blumendraht (d0.8mm, L200mm) durch die Mitte stossen und von unten mit Silikon verkleben. (Abbildung 6) 7. In der Mitte der 2 PET-Flaschendeckel ein Lochbohren (2mm) und beim einen Deckel ein zweites Loch ca. 5mm daneben bohren. Die Beiden Deckel anschliessend mittig auf die CD kleben (Silikon). (Abbildung 7) 8. Vom Aluminiumrohr ca. 25 mm anschneiden und aus einem kleinen Stück der Aluplatte eine Verankerung schneiden und am oberen Ende ein Loch (1mm) bohren. Die Verankerung mit Silikon in das Alurohr kleben. (Abbildung 8) 9. 4 Gewindestangen zuschneiden (M4, 80mm) und die Schnittkanten brechen. (Abbildung 9) 10. Motor verkleben: Grosser Glaszylinder mittig auf die Bodenplatte (mit 4 Löcher) kleben. Verdrängerkolben in Position bringen, Silikon auftragen und Deckel verkleben. Weitere Teile gem. Abbildung verkleben. (Abbildung 10) Hinweis: Finger vor Kontakt mit Silikon in Seifenwasser tauchen um Verkleben zu vermeiden. 11. Draht (d1.5mm) als Kurbelwelle zurechtbiegen. Die beiden Biegungen müssen 90 Grad voneinander abgewinkelt sein. Die Kurbelwelle (d1.5mm) muss auf die Pleuelstangen (d0.8mm) der beiden Kolben abgestimmt sein. Die Auswuchtung der Kurbelwelle muss dann am tiefsten Punkt sein, wenn der Kolben am tiefsten Punkt ist. Messen und ausprobieren! (Abbildung 11) 12. Die Kurbelwelle wird durch die Löcher der beiden Aluwinkel befestigt. Das Schwungrad wird mit der Welle verbunden. Durch einen Haken in der Kurbelwelle, dessen Ende in das zweite Loch des PETFlaschendeckels zurückgeführt wird, wird das Schwungrad mit der Welle verbunden. (Abbildung 12) 13. Der Motor wird mit Hilfe der Gewindestangen verschraubt. (Abbildung 13) Abbildungen Abbildung 1: Bodenplatte Abbildung 2: Bohren der Löcher in die Aluplatten Abbildung 3: Aluwinkel Abbildung 4: Glasschneiden Abbildung 5: Zuschneiden des Arbeitszylinders Abbildung 6: Verdrängerkolben Abbildung 7: Schwungrad Abbildung 8: Arbeitskolben Abbildung 9: Gewindestangen Abbildung 10: Zusammensetzen mit Silikon Abbildung 11: Kurbelwelle Abbildung 12: Zusammensetzen Abbildung 13: Vollendeter Stirlingmotor Funktionsweise des Stirlingmotors Thermodynamischer Kreisprozess Bei der Funktionsweise des Stirlingmotors handelt es sich um einen thermodynamischen Kreisprozess. Damit dieser Kreisprozess verstanden werden kann, muss man den ersten Hauptsatz der Thermodynamik kennen; den Energieerhaltungssatz. Er besagt, dass Energie nicht entstehen bzw. vernichtet werden kann, sondern lediglich von der einen Form in eine andere umgewandelt werden kann. Beim Stirlingmotor wird Wärme in Bewegungsenergie umgewandelt und somit kann Arbeit verrichtet werden. (Durch die Reibung und den Luftwiederstand entsteht umgekehrt auch Wärme. Dies wird im Weiteren vernachlässigt.) Der zweite Hauptsatz besagt, dass Wärme immer von einer wärmeren Umgebung in eine kältere fliesst und nie umgekehrt. Der Stirlingmotor beruht auf diesen Gesetzen genauso wie andere Motoren und Maschinen, denen ein thermodynamischer Kreisprozess zu Grunde liegt. Dieser Kreisprozess wird in vier Schritte unterteilt. Die Beziehung zwischen Volumen und Druck spielt dabei die Hauptrolle und wird im Folgenden genauer erläutert: 1. Der Arbeitskolben ist unten; der Verdrängerkolben ist oben. Die Luft wird durch die Wärmequelle erhitzt. Die Luft innerhalb des Systems erwärmt sich; sie expandiert. Der Druck steigt und die Luft dehnt sich aus (Volumenzunahme). Der Arbeitskolben wird nach oben gedrückt und verrichtet Arbeit. Der Verdrängerkolben bleibt auf Grund der Versetzung um 90 Grad eine Vierteldrehung lang weiterhin oben. 2. Das Schwungrad sorgt dafür, dass die Kolben über den toten Punkt hinwegkommen. Der Verdrängerkolben verschiebt die Luft in den oberen Bereich, wo diese gekühlt wird. Der Druck nimmt ab. 3. Der Arbeitskolben kommt nach unten und komprimiert die Luft (Volumenänderung). 4. Der Verdrängerkolben verschiebt die Luft wieder in den warmen Bereich. Der Kreisprozess beginnt von vorne. Dieser Wechsel zwischen warm und kalt geht enorm schnell! Um den Motor in Schwung zu bringen, muss er kurz angestossen werden. Durch eine aktive Kühlung oben (im kühlen Bereich) kann die Leistung erhöht werden. Die Punkte 1-4 beschreiben jeweils die Prozesse zwischen den Buchstaben A-D im folgenden P-V-Diagramm. (Druck in Abhängigkeit des Volumens): 1 4 2 3 V Grün: Arbeitskolben Pink: Verdrängerkolben Quellen: Hauptsätze der Thermodynamik. (2010). Abgerufen am 22. Dezember 2014, von Abbildungsverzeichnis: Sämtliche Bilder stammen aus dem Modul „Physik im Alltag (HS 14/15) und dürfen für diese Arbeit verwendet werden.