Utolsó frissítés dátoma: 2005.05.15. |
Tupi oldala |
http://tupi.uw.hu |
A hőt hasznos mechanikai munkává alakító hőerőgépeknek két fő típusa van: az egyikben a robbanás közvetlenül egy dugattyúra hat, a másikban pedig valamilyen közvetítő munkavégző közegen keresztül fejti ki hatását. Az első belső égésű motor, amelynek legnyilvánvalóbb példája a benzinmotor: az üzemanyag elégetésekor a gáz halmazállapotú égéstermékek kitágulnak, és közvetlenül elmozdítják a dugattyút. A második típus a külső égésű motor. Ilyen például a gőzgép, amelyben a víz munkavégző közeg. Első lépésben az égő üzemanyag - például a szén - elgőzölögteti a vizet, majd a gőzt egy hengerbe vezetik, ahol az elmozdítja a dugattyút. A külső égésű motor egy másik fajtáját Robert Stirling lelkész vezette be 1816-ban, Skóciában. A motor munka végző közege eredetileg levegő volt, a későbbi típusokban azonban hidrogént vagy héliumot használtak. A Stirling-motor több szempontból is figyelemre méltó. A munkavégző közeget folyamatosan újra használja. Üzemeltetéséhez bármilyen hőforrás megfelel, ezért a környezetet legkevésbé szennyező anyagot választhatjuk, például a hidrogént, amelyet napenergia felhasználásával vízbontással nyerhetnénk, vagy szerves anyagok bomlása során keletkező biogázt is. Ezenkívül - elméletben legalábbis - a motor nagyon jó hatásfokkal alakítja át a hőt mechanikai munkává. Mindezek ellenére a Stirling-motor a háttérbe szorult. Az utóbbi időben az ötlet kezd ismét népszerűvé válni, mert környezetbarát és üzemeltetéséhez nem csak kőolajszármazékok használhatók. A Stirling-motor egy ideális Carnot-gép (reverzibilisen hűtőgéppé fordítható). Carnot-gépet más körfolyamatra is lehet építeni, ha a ciklusnak a hőtartályoktól elszigetelt rész folyamatában a gép munkaközegen kívüli elemei is alkalmasan részt vesznek. Ilyen például a Stirling-motor. Előnye a Carnot- körfolyamat alapján elképzelt géppel szemben, hogy tényleg működik (bár, természetesen, nem ideálisan). A Stirling- motor a munkaközeg-gázon kívül belső hőtartályokat is tartalmaz, amelyek a külső hőtartályoktól elszigetelt folyamat-részben a munkaközeggel termikus kölcsönhatásban vannak. Mi azt a típust készítettük el, amelyet Peter I. Tailer írt le egy cikkében. Az eredeti ötlet a philadelphiai K. Ridertől származik (1876). Ez a berendezés nem valószínű, hogy versenyre kelhet a hagyományos, korszerű motorokkal, mert leadott teljesítménye kicsi. Előnye viszont, hogy egyszerű anyagokból is elkészíthető, és jól tanulmányozható rajta a hőerőgépek működése, valamint a megépítés közben felvetődött problémák segítenek abban, hogy elméleti és gyakorlati ismereteket szerezzünk. A berendezés egyik vonzó tulajdonsága, hogy nincs szükség pontosan megmunkált dugattyúra és hengerekre. Mindössze két, részben vízbemerített konzervdobozra van szükségünk. A vizet a berendezés alján lévő két tartályba töltjük. A konzervdobozokat erősítsük egy-egy rúd végére, a rudak másik végét rögzítsük a berendezés tetején elhelyezett súlyokkal terhelt lendkerék hajtókarjához! A tartályokat egymással és a bennük lévő konzervdobozokkal, egy levegővel töltött cső köti össze. Ha az egyik tartályban lévő vizet valamilyen hőforrással, például lánggal melegítjük, akkor az összekötő csőben a levegő ide-oda áramlik, a dobozok hol fölemelkednek, hol lesüllyednek, és percenként néhány fokos szögsebességgel mozgásba hozzák a lendkereket. A mozgás a berendezés két, csekélynek tűnő tulajdonságával kapcsolatos. Az egyik a lendkerék hajtókarjának elrendezése: oldalról nézve a külső karok egymásra merőlegesek. A másik tulajdonság azzal függ össze, hogyan terjed a hő a berendezésben a hőforrás és az egyik konzervdobozt kitöltő levegő között.
A Stirling-motor négy állapota Mielőtt részleteznénk Tailer berendezésének működési elvét, nézzük meg a Stirling-motor működési elvét.
Nyomás-térfogat diagram
Két merev dugattyú pontosan illeszkedik egy hengerbe, amelynek belsejében jobbra-balra mozoghat akár az ott uralkodó légnyomás hatására, akár pedig egy hozzájuk kapcsolódó gépezet által. A henger közepén valamilyen porózus anyag, például fémháló helyezkedik el, amely a gép működése közben átmenetileg hőt tárol. A dugattyúk közelében két állandó hőmérsékleten tartott hőtartály helyezkedik el, baloldalon "melegtartály", amelyet egy hőforrás állandóan magas hőmérsékleten tart, jobb oldalon pedig a "hidegtartály", amelynek alacsony hőmérsékletét valamiféle hőelvezetés biztosítja. A motor működése közben a benne lévő levegő nyomása, hőmérséklete és térfogata ciklikusan változik: a levegő tehát állapotváltozások körfolyamatán megy keresztül. A dugattyú helyzete négy különböző helyzetbe látható az ábrán. Vegyük szemügyre először az 1-es állapotot, amely a rajzsorozat első ábrájának, illetve a diagram ferde négyszög bal felső sarkának felel meg. A jobb oldali, B jelű dugattyú közvetlenül regenerátorral szomszédos, míg az A dugattyú attól valamivel távolabb helyezkedik el. A két dugattyú közé nagy nyomású levegő szorul. Amint a hőtartály felmelegíti a levegőt, az kitágul, és az A dugattyút balra tolja. A dugattyúk közötti térfogat növekedése nyomáscsökkenéshez vezet. Táguláskor a levegő hőmérséklete a melegtartály közelsége miatt állandó, ezért a tágulás izotermikus. A tágulást a nyomás-térfogat diagram ferde négyszögének felső határoló görbéje írja le. Amikor az A dugattyú eléri bal szélső helyzetét, a levegő a 2-es állapotban van. Ezután mindkét dugattyú jobbra mozdul el, de nem a melegítés, hanem a hozzájuk kapcsolt mechanikus szerkezet hatására, egészen addig, amíg A el nem éri a regenerátort, és így B a jobb szélső helyzetbe kerül. Ebben a pillanatban a levegő a 3-as állapotban van. Az elmozduló dugattyúk a levegőt átnyomják a regenerátoron, amely felveszi a hő egy részét, s ezáltal lehűti a levegőt. Mivel a dugattyúk összehangoltan mozognak, a közéjük zárt levegő térfogata nem változik. Az ilyen állapotváltozást állandó térfogatúnak (izochornak) nevezzük. Ezután a B dugattyút a hozzá kapcsolódó gépezet balra tolja. Az összenyomódó levegő hőt ad le a hideg tartálynak. Mivel a hidegtartály hőmérséklete állandó, levegő hőmérséklete sem változik. Az ilyen állapotváltozást izotermikus összenyomásnak nevezzük. Az összenyomás végén a levegő a 4-es állapotban van. A teljes körfolyamat befejezésére a gépezet mindkét dugattyút addig tolja balra, amíg azok ismét az 1-es állapotba nem kerülnek. Ez az állapotváltozás ismét állandó térfogaton megy végbe. Miközben a levegő átáramlik a regenerátoron, felveszi azt a hőmennyiséget, amelyet ezt megelőzően leadott. A gép működését a diagramon látható zárt görbe folyamatos, egymás utáni ismétlődése írja le. Az 1-es és a 2-es állapotok közötti átmenet során az egyik dugattyút a levegő tágulása mozgatja. A másik három átmenetben viszont a gépezet hajtja a dugattyúkat. A levegő munkaközegű Stirling-motor alapelve szerint a levegőt egy dugattyú ellenében munkavégzésre kényszerítik oly módon, hogy a levegő kifelé nyomja a dugattyút, és ezáltal növeli a dugattyúk közti térfogatot. A dugattyú mozgása ezután átvihető valamilyen gépezetre, amellyel a felvett energia hasznosítható. Ha azonban a levegő csak egyetlen egyszer tágulna ki, akkor a motornak nem sok hasznát vennénk. A motornak valahogyan periodikusan össze kell nyomnia úgy a levegőt, hogy periodikusan kitágulhasson, és így a motor folyamatos munkát végezhessen. Röviden: a levegőmennyiségnek állandó körforgásban kell lennie. Emlékezzünk azonban arra, hogy a levegő összenyomásához a gépezetnek munkát kell végeznie a levegőn. Ha az egyes körfolyamatokban a gépezetnek ugyanannyi munkát kell végeznie a levegőn, mint amennyit a levegő végez rajta, akkor az eredő munkavégzés nulla, azaz a motornak semmi haszna. A probléma megoldása a levegővel kapcsolatos. Tételezzük fel, hogy a levegő munkavégzéskor mindig forró! A forró levegő molekulái erőteljesen nekiütköznek a dugattyúnak, ezért a nyomás is nagy lesz. Mivel a dugattyún végzett munka egyenesen arányos a gáz nyomásával, a munkavégzés számottevő. Tételezzük fel, hogy amikor a gépezet végez munkát a levegőn, akkor a hőmérséklet alacsony! Hidegben az ütközések gyengébbek, a nyomás is kicsi, így a levegőn végzett munka is csekély. Ha a levegő hőmérsékletét ily módon szabályozni tudjuk, akkor a levegőn több munkát fejt ki a gépezetre, mint amekkora munkát a gépezet végez a levegőn. A hőmérséklet és a nyomás ilyen periodikus változása áll a Stirling-motor működésének hátterében. A levegő izotermikus tágulása révén akkor végez munkát az A dugattyún, amikor a hőmérséklete magas. A gépezet ezzel szemben akkor végez az izotermikus összenyomás révén munkát a levegőn, amikor hideg. A motor tehát végeredményben munkát végez. A motor által egy ciklus alatt végzett munka a nyomás-térfogat függvény alapján határozható meg. Az izotermikus tágulás során a levegő által végzett munkamennyiséget a megfelelő görbe szakasz alatti terület jelöli. Ezt a területet a görbe szakasz, a diagram vízszintes tengelye és az erre merőleges, az állapotváltozási görbe végpontjaiból kiinduló két szakasz határolja. Az izotermikus összenyomásnál a levegőn végzett munkát a megfelelő görbe szakasz alatti terület jelöli. Az izochor állapotváltozáskor nem történik munkavégzés, mert a gáz térfogata változatlan. Így az ehhez tatozó görbe szakaszok alatt fekvő terület nulla. Ha ki akarjuk számítani a motor által a teljes körfolyamat alatt végzett nettó munka nagyságát, akkor ki kel vonnunk a tágulási görbe alatti területből az összenyomás szakasza alatti területet. Ez nem más, mint az aszimmetrikus négyszögön belüli terület. Térjünk most vissza az általunk megépített berendezéshez! Ebben a fűtött tartály a melegtartály, a másik a hidegtartály, amelynek hőmérsékletét a hősugárzás és a hőáramlás tartja fenn. A levegővel töltött térfogatok - többek közt a tartályokat összekötő cső - töltik be most a henger szerepét. Regenerátorként akár maga a cső, akár a belsejében elhelyezett fémháló alkalmas, a lendkerék pedig gépezet, amihez a konzervdobozokat erősítik. (Az ábra a következő oldalon.)
A Stirling-motor A következő rajzsorozat azt szemlélteti, hogyan viselkedik a berendezés alsó részében rekedt levegő, melegítéskor és a lendkerék mozgásakor. A rajzok nyolc különböző helyzetben a konzervdobozok vízszint emelkedését, levegő áramlásának irányát és a hajtókarok helyzetét mutatják. A hajtókarokon azt jelzik, hogy melyik tartozik a meleg és melyik a hideg tartályhoz.
A berendezés működési állapotai A modellhasonló a tankönyvekben szereplőkhöz, azzal a különbséggel, hogy hiányoznak a valódi izotermikus és izochor átmenetek. Ennek ellenére, ha a levegő nyomását a hőmérséklete függvényében ábrázolnánk, akkor a tankönyvben szereplő motornál leírthoz hasonló körfolyamatot kapnánk. Kövessük a körfolyamatot, és figyeljük meg a motort abban a pillanatban, amikor a h állapotot elhagyva éppen az a-ba van! Az a állapotban meleg konzervdoboz gyorsabban emelkedik, mint ahogy a hideg süllyed. Ezután c eléréséig mindkét doboz emelkedik, majd a d állapotig a hideg konzervdoboz gyorsabban emelkedik, mint ahogy a meleg süllyed. Figyeljük meg, hogy h és d között a meleg konzervdobozban több levegő van, mint a hidegben! Ez azt jelenti, hogy több levegő melegszik fel, mint amennyi lehűl, vagyis a levegő nyomása növekszik. Figyeljük meg azt is, hogy a h-tól d-ig tartó állapotváltozás során a levegő térfogata nő! A tágulást a többletnyomás hozza létre, tehát a levegő valóban végez munkát a konzervdobozokon és ezen keresztül a lendkeréken. Amikor a motor a d és az a állapotok között mozog, amikor a térfogat és a nyomás változása éppen ellentétes, itt a lendkerék végez munkát a levegőn. A konzervdobozok végső elmozdulásának következtében összenyomódik a levegő, a légáram a hideg doboz felé tartva csökkenti a hőmérsékletet és a nyomást. Amikor a gázt összenyomjuk, nyomása kicsi, a lendkerék által a levegőn végzett munka kisebb, mint amekkorát a korábbi h és d közötti szakaszban a levegő végzett a lendkeréken. A Tudomány című (sajnos azóta már megszűnt) folyóiratban találtunk ugyan a Stirling-motor megépítéséhez szükséges jól használható terveket, de a megépítés során a rendelkezésünkre álló anyagoktól tulajdonságai miatt sok változtatást kellett végrehajtanunk. A hajtókarokat merev műanyagból (4 mm széles) alakítottuk ki, hogy az ne hajoljon el motor működése közben. A forgattyús tengely 3 mm vastag alumínium csíkokra támaszkodik. A csíkokba lyukakat fúrtunk, tetejébe hornyot mélyítettünk a forgattyús tengely alátámasztására. A csíkokat ezután az ábra szerint - egy fából készült kar belsejébe csavaroztuk. Lendkerékként olyan 20-cm átmérőjű csigát használtunk, amelynek kerületére szimmetrikusan elrendezve súlyokat rögzítettünk. A forgattyústengelyt úgy rögzítettük a lendkerékbe, hogy a hajtókarok egymással 90 fokos szöget zárjanak be. A hideg és melegvíztartályokat konzervdobozból készítettük. Az összekötő rudat merev műanyagpálcákból készítettük, amelyek kb. 80 cm hosszúak. Az összekötő rudak végére 10 mm hosszan M5-ös menetet vágtunk, és csavarkötéssel rögzítettük az összekötőrúdhoz a kólás dobozból készült hengert. A hengerben biztosítani kellett a nyomás állandóságát (vagyis ne szökjön el a munkaközeg), ezért a levegő páratartalmának hatására vulkanizálódó szilikonkaucsukot (FBS tömítő és ragasztó) használtunk. Ez hőhatásnak nagyon jól ellenáll. Tartályként kb. 0,7 literes konzervdobozokat használtunk. A tartályokat 3/4 colos belső átmérőjű horganyzott acélcső köti össze. A tartályok alját átlyukasztottuk és egy-egy 14-cm hosszú csődarabot illesztettünk a lyukba úgy, hogy a tartály alatt a cső mintegy 2,5-cm darabja álljon ki. A csöveket odaforrasztottuk a tartályokhoz. Miután mindkét tartályt ily módon előkészítettük, összeillesztettük a tartályokat az összekötőcsővel, amelyet egy elvezetőnyílással láttunk el, ebbe menetet fúrtunk, hogy összekötőcsövet vízteleníteni tudjuk. Az összekötőcső egyik oldalába zárható nyílást készítettünk, hogy ha később regenerátort kívánunk behelyezni vagy kicserélni, könnyen szétbontható legyen. A forgattyútengelyeken levő csavarokat úgy állítottuk be, hogy a lökethossz kb. négy centiméteres legyen. A lendkerékre erősített súlyokat, úgy állítottuk be, hogy elég nagy legyen a tömege ahhoz, hogy a motor működése közben teljes fordulatot végezzen. Végül megolajoztuk a forgópontokat, és gondoskodtunk arról, hogy lendkerék és a dobozok könnyen mozogjanak. A motor beindítása előtt a forgattyútengelyt olyan helyzetbe kell hozni, hogy mindkét hajtókar fölfelé mutasson, a függőlegessel 45 fokos szöget bezárva. Ezután kinyitva a lefolyót, és a hidegtartályt töltsük fel hideg vízzel egészen addig, amíg a víz az összekötő csövön és a lefolyón keresztül ki nem folyik! Ezután öntsünk a melegtartályba forró vizet, szintén addig, amíg a víz túl nem folyik! Majd zárjuk le a lefolyót és kezdjük hevíteni a meleg tartályt, pl. borszeszégővel, vagy merülőforralóval. A lendkerék forgási sebessége a két tartály hőmérsékletkülönbségétől függ. Az általunk készített motor, pl. percenként 10 és 20 közötti fordulatszámot ért el, amikor a tartályokban a víz hőmérséklete 93. ill. 16 Celsius fok körül volt, amikor azonban a melegtartályba egészen a forráspont közeléig melegítettük a vizet, a fordulatszám meghaladta a percenkénti 20-at. A motor működése hatékonyabbá tehető, ha az összekötő csőbe regenerátor gyanánt sűrű fémhálós, összetekert csíkokat helyezünk. Az is a működési tulajdonságok megváltozását okozta, ha más munkaközeget használtunk. Az általunk kipróbált munkaközeg a boltban is kapható habpatronban található dinitrogén-oxid volt. Az jelentette az egyetlen gondot, hogyan cseréljük le az eredetileg benn lévő levegőt erre a gázra, hogy csak az új munkaközeg legyen jelen. A megoldás végül az volt, hogy feltöltöttük vízzel a munkaközeget tartalmazó rudat, és kinyomtuk belőle a gázzal a vizet. Persze ehhez először egy szódásszifont feltöltöttünk a gázzal, majd egy hajlékony műanyagcsővel toldottuk meg a kiömlőnyílását. Az új munkaközeggel a motor már kisebb hőmérsékleten forgásba jött (kb. 80 Celsius-fok). Az ok, ami miatt ez a változás bekövetkezett az lehet, hogy a levegő és a gáz átlagos molekulatömege más. A gáz esetén ez egy mólra 44 gramm, a levegő esetén kevesebb (29 gramm/mól az átlagos érték levegőre), mivel a levegő nagy része nitrogénből áll. A gáz nyomása pedig függ az őt alkotó gáz molekuláinak tömegétől! Úgy látjuk, ezt még tovább kell gondolni, hiszen nem biztos, hogy mindent figyelembe vettünk. A hőmérséklet mellett a készülékének más paramétereit is megváltoztathatjuk. Az elkövetkező hetekben a következő változtatásokat szeretnénk kipróbálni:
Felhasznált irodalom:
Melléklet:
|
||
