Stirlings

Taza de café stirling

La idea

Las tazas de café Stirlings son modelos muy conocidos y puedes encontrarlos en cualquier lugar en Internet. Pero, a excepción de las fotografías, algunas historias y kits de construcción, no encontré ningún plan de dibujo adecuado. Pero eso no importa para mí, porque siempre me gusta construir desde cero basándose en diseños propios y teniendo en cuenta mis oportunidades de maquinaria y materiales.

El Coffee Cup Stirling es un motor muy simple, pero seguramente no es inferior en absoluto. Por el contrario, es uno de los mejores "instrumentos" para demostrar el principio de Stirling. Solo necesitas una taza con café o agua caliente para dejarla correr; Sin llamas, sin vapor, sin explosiones, sin olor, sin ruido, sin peligro. El único motor que puedes demostrar mientras tomas café con tus amigos en la sala de estar. Éxito siempre garantizado incluso para espectadores no técnicos. E incluso con algo de fantasía y buena voluntad, puedes darle un aspecto llamativo y dejar que se vean como un pequeño adorno.

Caracterización y principio de funcionamiento.

Típico de este modelo de Stirling es la superficie relativamente grande del desplazador de aire. La razón de ello es la baja temperatura de trabajo; menos de 100 ° C.

Existe una cierta relación óptima entre el diámetro del desplazador y el del pistón de trabajo. El volumen de aire en el sistema se alterna debido a las diferencias de temperatura, al menos cuando tiene un pistón de trabajo en movimiento, como es el caso aquí. El desplazamiento del volumen del pistón de trabajo es fijo debido a las dimensiones mecánicas (carrera x superficie del pistón). Este volumen debe ser igual o menor que las diferencias de volumen debido a las temperaturas alternas del aire. Si el desplazamiento del volumen del pistón de trabajo es más grande, eso contrarrestará el movimiento en algún momento del ciclo. Por lo tanto, la relación entre los diámetros es una función de las temperaturas del aire, el volumen total en el sistema y la carrera del pistón de trabajo. Puede medir la temperatura de la placa inferior, pero es difícil (o casi imposible) medir las temperaturas dinámicas y alternas del aire en el sistema. Determiné empíricamente que en este caso el diámetro del pistón de trabajo debe ser al menos 7 a 8 veces más pequeño que el diámetro del desplazador, lo que resulta en un diámetro de 13 mm para el pistón de trabajo y 96 mm para el cilindro del desplazador.

También es típico que el cilindro del desplazador y el desplazador estén hechos de plástico. Debido al bajo conductor de calor de este material, la diferencia de temperatura entre las placas del cilindro superior e inferior se puede hacer y mantener lo más alta posible.

Si el motor se coloca en una taza con agua hervida, la temperatura de la placa inferior aumentará a aproximadamente 80 ° C en aproximadamente un minuto. El aire en la sala de desplazadores se expande, empujando el pistón de trabajo hacia arriba. Si el desplazador se está moviendo hacia abajo nuevamente, el aire es conducido a la cámara fría sobre el desplazador a lo largo del pequeño espacio (aproximadamente 1 mm) entre el desplazador y la pared del cilindro. La placa superior relativamente fría está enfriando el aire y, como resultado, el pistón de trabajo se empuja nuevamente hacia abajo debido a la sobrepresión de la atmósfera exterior. Este es el principio básico de un motor Stirling.

Las bielas del desplazador y el pistón de trabajo están acopladas entre sí en el cigüeñal, de modo que el cambio de fase entre ellas es de 90 ° dentro del ciclo. Por lo tanto, si el pistón de trabajo está en su posición superior y / o más baja, el desplazador está a mitad de su recorrido y viceversa.

Un volante en el cigüeñal ayuda al movimiento a través de los puntos muertos, lo que hace que el ciclo se repita siempre que se suministre suficiente calor a la placa inferior.

La temperatura máxima permitida de las piezas de plástico es limitada, pero no se sobrepasará en una taza con agua hirviendo.

La elaboración

Preferiblemente use plástico transparente para la pared del cilindro para que pueda mirar dentro del motor, viendo los movimientos del desplazador y la conexión abierta al cilindro para el pistón de trabajo. Puede eliminarlo de algún material de embalaje como una caja de galletas que puede comprar en cualquier almacén (al menos en Holanda). Los tubos de plástico transparente están hechos con todo tipo de diámetros y espesores de pared, pero no siempre es fácil encontrar un proveedor para eso. Si no puede obtener este material, puede usar el conocido tubo de drenaje de PVC opaco, pero luego se pierde la apariencia agradable.

La pared del cilindro encaja en las ranuras de ambas placas de aluminio. Los anillos de goma en las ranuras hacen que las conexiones sean herméticas cuando las placas se montan entre sí con los 6 espaciadores de fijación en la circunferencia. Puede hacer dicho anillo cortando la longitud correcta de una manguera de caucho de silicona (por ejemplo, utilizada como manguera de combustible para aviones modelo), colocándola en la ranura y colocando pegamento de silicona en las caras de corte.

Como alternativa, puede pegar la pared del cilindro en las ranuras con un pegamento adecuado (silicona). La ventaja es que necesita menos piezas y elimina el calor de la placa inferior a la placa superior a través de los 6 espaciadores de fijación metálicos. La desventaja es que el desmontaje del motor (si es necesario) es menos fácil.

El desplazador debe ser ligero, más o menos aislante del calor y, para todos, plano para evitar tocar las placas del cilindro. Utilicé poliestireno de 4 mm de espesor (espuma plástica). Puede ser que la madera de balsa (como se usa para los aviones modelo de aire) es una buena y / o mejor alternativa porque solía ser más rígida y plana.

Nunca engrase el pistón de trabajo en el cilindro !! Incluso un aceite muy fino es más o menos viciado y aumenta la fricción. Tenga en cuenta que el poder de este tipo de modelos Stirling es muy bajo, por lo que poca fricción puede ser fatal.

El pistón de trabajo puede ser de grafito o acero. El grafito es más o menos auto engrasante y la fricción en el cilindro es y permanece siempre baja. Un pistón hecho de acero también puede funcionar muy bien si se hace con precisión y con una superficie lisa. Pero según mi experiencia, los pistones de acero necesitan un poco más de mantenimiento en el sentido de que deben limpiarse o pulirse de vez en cuando para mantener el rendimiento óptimo del motor.

La hélice es una característica cosmética aquí; El efecto de enfriamiento en la placa superior es despreciable. Utilicé una hélice para aviones modelo (marca Graupner; palmo de ala 120 mm).

La mayoría de las piezas restantes están hechas de latón, como puede ver en el plano de dibujo.

Minimizando la fricción y equilibrando el sistema mecánico.

Hay dos fuerzas contrarias que este motor de baja potencia debe conquistar para que siga funcionando:

1. Fricciones mecánicas.

No puedes eliminar las fricciones al 100%. El que dijo que puede haber inventado el movimiento perpetuo.

Mis consejos para hacer la menor fricción posible son:

- Use rodamientos de bolas de buena calidad en el eje del volante, lávelos en nafta de limpieza en seco y no los engrase;

-Utilice material estándar para el eje del desplazador y el cojinete deslizante para él; no aceite

-En el caso de un pistón de acero: pula el pistón algo sobredimensionado en el cilindro con pasta de pulido fina y limpie todo a fondo. La combinación es perfecta si el pistón permanece en su lugar en el cilindro mientras su pulgar cierra el fondo del cilindro (= suficiente hermeticidad al aire) y cae por su propio peso cuando retira su pulgar (= baja fricción). No aceite

-Tenga cuidado de una buena alineación de todas las partes móviles;

-El desplazador no puede tocar nada en su cilindro. Si es necesario, reducir un poco el diámetro del desplazador; el espacio entre el desplazador y la pared interior del cilindro no es tan crítico;

¡Es mejor que acepte (muy) pequeñas fugas de aire que no sean fricciones demasiado altas!

2. Fuerza de gravedad sobre el sistema mecánico asimétrico.

Puede eliminar las fuerzas contrarias de la gravedad en el sistema asimétrico durante casi el 100% con el equilibrio. Mejora significativamente el rendimiento del motor.

El balanceo se debe realizar con el ensamblaje completo pero con la placa inferior extraída para evitar las influencias de la presión del aire:

-Marcar la posición relativa del volante a su eje de manivela;

-Presione el volante, espere hasta que la rotación se detenga y marque el lado superior del volante;

-Fije una pequeña parte de metal (por ejemplo, una tuerca) allí y experimente con el peso de esa parte hasta que el volante se detenga en lugares aleatorios;

-Calcular la cantidad de material que debe perforar en el lado opuesto del volante, en función del peso del peso de prueba final;

-Rellene los orificios con diámetros algo más pequeños que luego se calculan y amplíelos gradualmente hasta que el volante se detenga en lugares aleatorios.

-Tenga cuidado de montar el volante cada vez (y siempre más tarde) de acuerdo con las marcas en el volante y el eje de la manivela.

Por supuesto, también puede optar por agregar un peso al lado opuesto de la rueda en lugar de taladrar los agujeros; Es una cuestión de gusto.

Bonita réplica hecha por Txema Egizabal:

Bonita réplica hecha por Antonio Fattore:

El rendimiento del motor.

Colocado en una taza de café con agua hirviendo, puede arrancar el motor presionando el volante luego de aproximadamente medio minuto en la dirección correcta. Después de 1 o 2 minutos se alcanza la velocidad máxima de revolución de aproximadamente 300 rpm. Medí la velocidad de revolución en función de la temperatura más baja de la placa; ver gráfico a continuación.

El tiempo de funcionamiento depende de la velocidad de enfriamiento del agua en la taza.

En una taza de café no aislada, el motor funcionará durante unos 25 minutos; en un termo puede alcanzar tiempos de funcionamiento de hasta una hora o más. El motor funcionará continuamente en cualquier dispositivo que mantenga la temperatura de la placa inferior entre 50 y 100 ° C, pero no exceda estos 100 ° C para evitar daños en las piezas de plástico.

Comprobaciones en caso de problemas.

En caso de que el motor funcione mal o no realice ninguna de las siguientes comprobaciones:

Fricción:

- El volante descargado debe girar durante al menos 4 minutos después de haberlo empujado firmemente con la mano;

- Con solo el desplazador acoplado al volante, este tiempo de rotación debe ser de al menos 15 segundos;

- Con el desplazador acoplado y el pistón de trabajo, este tiempo de rotación debe ser entre 5 y 10 segundos (10 a 20 golpes).

Fugas de aire:

- Retire el pistón de trabajo y conecte el cilindro de trabajo con algún tipo de tope de goma a un dispositivo de baja presión (máx. 0,5 a);

- Sumerja el motor en la mitad del cilindro de trabajo en agua y compruebe si hay burbujas de aire.

Casi siempre verá alguna fuga a lo largo del eje del desplazador, pero si esto no es más de 1 a 5 burbujas pequeñas por segundo, no hay problema.

Cualquier otra fuga en el sistema estacionario debe ser eliminada. Puede sellar el cilindro de trabajo a la placa superior con una película delgada de kit de silicona.

Por supuesto, de esta manera no puede probar la hermeticidad del pistón de trabajo en su cilindro, pero la prueba del "pulgar" como se describe anteriormente es suficiente.

Examen final:

Desacoplar la biela del pistón de trabajo del cigüeñal. Coloque el motor en una taza con agua caliente y espere hasta que la placa inferior esté tan caliente que no pueda pararse de tocarla con la mano (más de 60 ° C). Gire el volante y compruebe si el pistón (libre) se mueve hacia arriba y hacia abajo después de haberlo colocado a la mitad del cilindro. Debe sentir cualquier fuerza hacia arriba y hacia abajo con la biela entre los dedos y girando el volante.

Observación: El modelo como se muestra en las imágenes y el videoclip difiere un poco del plan de dibujo. Hace poco hice un nuevo plan de dibujo en CAD para este Coffee Cup Stirling, implementando algunas mejoras al mismo tiempo, basadas en mis experiencias con el Low Temp Stirling. Este plan está disponible para todos los interesados; Haga click aquí para una solicitud.

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