Motory s vnějším spalováním a motory pracující s rozdílem teplot, tedy převážně modifikace Stirlinga
Str.: 1, 2, 3, ... 9 Psát příspěvky můžete po přihlášení
Poota 31.01.2016 17:37 Bydliště: Praha
8911
582
7398
Přes svoje nesporné výhody byly tato stroje zcela vytlačeny zážehovými a vznětovými motory s vnitřním spalováním, které zvítězily nižší váhou a vyšším měrným výkonem.
Vývoj Stirlingova motoru byl tak docela surově přerván a ustrnul na těžkých monstrech s celkem nepatrným výkonem. I když se dodnes Stirlingy používají i v moderních zařízeních, jedná se pouze o nějak specializovaná odvětví - vojáci, kosmické programy, kogenerace. Ovšem ani tyto moderní konstrukce ve vývoji Stirlinga příliš nepokročily a soustředily se spíš jenom na použití modernějších materiálů, než na nějaký konstrukční pokrok.
V poslední době také vzrostl zájem různých kutilů, kteří vytvořili spoustu různých víceméně hraček s nepatrným až žádným výkonem.
Pro nějak plodnou diskuzi bude asi nejlepší probrat jak princip tepelného motoru, tak i různé varianty jeho konstrukčního řešení s jejich výhodami i nevýhodami.
Abych to hned na začátek trochu rozproudil, tak sem dám odkaz na jedno zajímavé video. Natočený chlapík si zabudoval do své kanoe prostou lodní vrtuli, kterou pohání víceválcovým Stirlingem. Výkon sice nijak závratný, ale když uvážíme, že "palivem" tohohle motoru je pouze rozdíl mezi teplotou okolního vzduchu a teplotou té vody, tak je jasné, že může plout "bez tankování" libovolně dlouho.
A vo vo vo tom to je https://www.youtube.com/watch?v=osNluWPOpJ0
0
3
Poota 01.02.2016 12:29 Bydliště: Praha
8911
582
7398
Na Netu lze najít dost odkazů, které více či méně srozumitelně systém Stirlingova motoru vysvětlují, např. https://cs.wikipedia.org/wiki/Stirling%C5%AFv_motor
Z nich se dozvíme, že existují základní konfigurace Alfa, Beta a Gama. Případně ještě vyšťouráme modifikaci Essex a konstrukce s volnými písty.
Pro nějaké další diskutování je potřeba napřed vysvětlit pokud možno jednoduše a srozumitelně, jak Stirling pracuje - pokusím se o to.
Pak bude vhodné si probrat řešení některých detailů konstrukce s jejich výhodami i nevýhodami. Předpokládám, že naše úsilí bude směřovat ke konstrukci s nějakým použitelným výkonem, která by se dala případně i realizovat.
0
0
Poota 01.02.2016 14:31 Bydliště: Praha
8911
582
7398
Základní princip
Máme dva prostory, z nichž jeden je ohříván (přijímá teplo) a ten druhý je chlazen (teplo odevzdává).
V teplém prostoru se pohybuje přeháněč, který má většinou tvar dlouhého dutého pístu. V teplém prostoru se ohřeje vzduch a ten je přeháněčem vytlačen do chlazeného prostoru, ve kterém se pohybuje pracovní píst. Teplý vzduch tlačí na píst a současně je v tomto prostoru ochlazován, takže následně táhne píst zpátky. Ochlazený vzduch je přeháněčem vrácen zpátky do teplého prostoru, kde se opět zahřívá.
Na první pohled to moc funkčně nevypadá, ale jak teorie tak i praxe prokázala, že to funguje a docela dobře.
Samozřejmě je potřeba splnit pár podmínek, jako třeba to, že pohyb pístu se opožďuje za pohybem přeháněče o 90 až 100o. Také to, že pracovní píst musí těsnit a že přeháněč naopak musí mít ve svém válci vůli, kterou ho vzduch obtéká.
0
0
proud 01.02.2016 14:36 Bydliště: svet
1922
42
792
Dobry pro cirkulaci vzduchu, s vrtuli,postaveny na kamnech....
0
0
Poota 01.02.2016 16:54 Bydliště: Praha
8911
582
7398
Uspořádání Alfa
Animovaný obrázek na https://cs.wikipedia.org/wiki/Stirling%C5%AFv_motor ukazuje názorně studený válec s pracovním pístem, horký válec s přeháněčem, který v této variantě těsní a spojovací vedení mezi oběma prostory, které je "mrtvým" prostorem a bývá v něm umístěn ještě regenerátor.
Regenerátor bývá nejčastěji tvořen kovovou vatou, která akumuluje část teploty přeháněného vzduchu, aby mu ji při jeho návratu opět odevzdala.
Za povšimnutí stojí to, že oba válce svírají navzájem pravý úhel, takže obě ojnice jsou neseny stejným čepem na setrvačníku. Jedinými těsněnými místy jsou oba písty.
Tento typ se sice považuje za nejperspektivnější pro praktický provoz, ale zatím se nijak neprosadil, nejspíš díky tomu, že potřebuje ke svému provozu největší teplotní rozdíl, což způsobuje potíže s vysokou teplotou nebo potíže s chlazením.
Příjemně jednoduché je vzájemné časování pístu a přeháněče.
Animovaný obrázek opět na https://cs.wikipedia.org/wiki/Stirling%C5%AFv_motor
ukazuje, že tato modifikace má jenom jeden jediný válec, ve kterém se proti sobě pohybuje pracovní píst a přeháněč. Odpadají tak "mrtvé prostory a motor je velice kompaktní.
Jenže nic není zadarmo a tak má dost "úskalí". Pro zachování vzájemného časování jsou nutné dva samostatné čepy pro ojnice, takže klikové ústrojí se komplikuje a případně nějak obchází.
Klikovým ústrojím se budeme ještě zabývat někde podrobněji.
Dalším problémem je těsnění průchodu táhla přeháněče pracovním pístem. Nezanedbatelnou je i nutnost tepelného oddělení obou konců válce navzájem.
Za zmínku stojí i zajímavá alternativa uspořádání Beta, která je použitelná pro tří až šestiválcové motory s uspořádáním rovnoběžných válců do kruhu.
Ohřívané jsou opět "hlavy" válců, ve kterých se pohybují pouze jediné písty, fungující jako pracovní a zároveň i jako přeháněče. "Hlava" každého válce je kanálem spojena s prostorem pod pístem sousedního válce (u řadového motoru by propojení krajních válců bylo příliš dlouhé!). Klikové ústrojí bývá nahrazeno šikmou deskou nebo šikmým čepem.
0
1
Poota 01.02.2016 17:54 Bydliště: Praha
8911
582
7398
Uspořádání Gama
Oba válce jsou u tohoto uspořádání rovnoběžné. Jedná se o kombinaci Alfa (dva samostatné válce) a Beta (klikový mechanizmus). Tento typ je nejčastější pro amatérskou konstrukci minimotorků, pracujících s minimálním zdrojem tepla, typicky třeba teplo dlaně a nebo šálku horkého čaje.
Výhodou je malá náročnost na teplotní rozdíl a minimální "mrtvý" prostor. Jistou nevýhodou je nutnost těsnění a vedení táhla přeháněče.
Obrázky není povoleno jakkoli šířit bez souhlasu jejich autora, a to ani v jakékoli upravené formě
0
2
Poota 03.02.2016 13:06 Bydliště: Praha
8911
582
7398
Přikládám obrázek grafu, na kterém je nakreslen ideální průběh tzv. Carnotova cyklu pro Stirlingův motor. Ta čtyřhranná plocha je maximum výkonu, který lze tímto motorem z tepla odebrat.
To by ovšem předpokládalo, že pohyby pístu i přeháněče budou vůči sobě ideálně načasované a i rychlosti jejich pohybů budou ideální.
Toho se pochopitelně nedá nějakým jednoduchým způsobem dosáhnout, takže se požívá cyklus méně ideální, kdy se oba prvky pohybují po sinusoidách, které jsou vzájemně posunuté o 90o, což se dá docílit klikovým ústrojím.
Na grafu je to znázorněno tou šedivou "ledvinou", která znázorňuje, kolik energie je z toho ideálního množství využito a kolik ztraceno.
To přesazení také není zcela ideální, různým zkoušením se došlo k tomu, že pro každý motor se podle jeho konstrukce a momentálních poměrů liší a pohybuje se od 90ti do 120 stupňů.
Poněkud překvapivé je, že účinnost Stirlingů je vyšší, než jakou mají třeba spalovací motory, které mají mnohem vyšší měrný výkon - při stejném výkonu jsou mnohem lehčí.
Obrázky není povoleno jakkoli šířit bez souhlasu jejich autora, a to ani v jakékoli upravené formě
0
2
Poota 03.02.2016 20:49 Bydliště: Praha
8911
582
7398
Kliková ústrojí
Původně používané klikové tzv. plné ústrojí obsahovalo mezi klikou a pístem ještě křižák, k němuž byla připevněna pevná pístní tyč a s druhé strany oko kliky. Křižák tak zachytával stranové působení vykyvující kliky a snižoval opotřebení válce a pístu.
Provedení bez křižáku, kdy okem kliky prochází pístní čep se říkalo zkrácené klikové ústrojí - u něj plní funkci křižáku přímo píst na úkor své životnosti.
Čep klikového ústrojí se u Stirlingů používá často přímo na setrvačníku, který je potřeba masivnější než u motorů spalovacích.
Nejednodušší klikové ústrojí je u motorů typu Alfa, kdy oba válce svírají pravý úhel a obě kliky tak mohou na jediném čepu, aniž by vzájemně kolidovaly. Další možností pro tutéž konfiguraci válců je pákový převod podle Robinsona.
U ostatních samostatných válců je pro každou kliku nutný samostatný čep, většinou je každá klika na "své" straně setrvačníku. Pokud je i tak potřeba jedna strana hřídele volná pro pohon čerpadla nebo generátoru, používá se většinou Rossovo vahadlo. To má výhodu i v daleko menším naklápění obou klik.
Obrázky není povoleno jakkoli šířit bez souhlasu jejich autora, a to ani v jakékoli upravené formě
0
2
Poota 03.02.2016 21:00 Bydliště: Praha
8911
582
7398
Rombické klikové ústrojí
Pro Stirlingy typu Beta, u kterých je nutný průchod pístní tyče přeháněče skrz pracovní píst bylo vyvinuto symetricky dvojité klikové ústrojí, které pohybuje přímočaře dvěma třmeny, jejichž pohyb se přenáší přímo na pístní tyč přeháněče a pístní trubku pístu.
Obrázky není povoleno jakkoli šířit bez souhlasu jejich autora, a to ani v jakékoli upravené formě
0
2
Poota 03.02.2016 21:09 Bydliště: Praha
8911
582
7398
Stirling Essex
Také tento Stirling je typu Beta, to znamená že jak pracovní píst tak i přeháněč jsou ve společném válci, ovšem pístní tyč přeháněče je skrze těsnění vyvedena druhým čelem. Válec se zahřívá uprostřed a chlazené jsou oba jeho konce. Pohyb přeháněče je ovládán prostřednictvím táhla přes celou délku motoru.
Obrázky není povoleno jakkoli šířit bez souhlasu jejich autora, a to ani v jakékoli upravené formě
0
2
Poota 04.02.2016 11:38 Bydliště: Praha
8911
582
7398
Nízkoteplotní Stirling LTD
Snahy zjednodušit nebo nahradit klikové ústrojí vedly k motorům s volným přeháněčem a i volným pístem, které byly ovládané nejčastěji rozdílem tlaků. Vzhledem k tomu, že se tím pádem dostávaly ještě dále od ideálního časování, tak měly ještě nižší účinnost.
Koncem minulého století šel Ivo Kolin směrem zvýšení účinnosti a sestrojil tak první motor, který dokázal běžet s tepelným rozdílem pouhých 15oC.
Jeho inovace se zakládala na dvou prvcích.
Především jednoduchým způsobem zlepšil časování pohybu přeháněče - tím se výrazně přiblížil ideálnímu diagramu.
Druhým zlepšením je podstatné zvětšení teplosměnných ploch. Stirlingův cyklus je svými otáčkami ze všeho nejvíc závislý na rychlosti ohřívání a rychlosti chlazení, přičemž s otáčkami stoupá i výkon.
Na straně ohřívání se výrazného zrychlení dařilo už dříve docílit použitím regenerátoru, ovšem chlazení zůstává stále limitujícím.
Kolinův motor se zdá být konečně něčím, co dokáže pracovat i s rozdílem teplot, které se v našem okolí běžně vyskytují a často i bez našeho přičinění, takže jsou buď přímo "zadarmo" a nebo využitelný teplotní rozdíl vytváříme z jiného důvodu - například v zimě si doma topíme, takže uvnitř máme přes 20oC a venku je současně třeba -10oC.
Kolin zcela změnil vzhled Stirlinga - jeho motor je plochá krabice s pevným (ohřívaným) dnem a s pohyblivým víkem (chlazeným), které je těsněné membránou. V "krabici" se plochý regenerátor tiskne střídavě k oběma zmíněným plochám.
Vše, včetně řešení pohybu přeháněče, je dobře patrné na videích https://www.youtube.com/watch?v=9Ckd7N3MxUU https://www.youtube.com/watch?v=C8j5WnwHaWc
Obrázky není povoleno jakkoli šířit bez souhlasu jejich autora, a to ani v jakékoli upravené formě
1
2
chiq 04.02.2016 18:17 Bydliště: Piešťany
215
35
322
Hm... Kedysi som niekde na internete videl video s implozívnym spaľovacím piestovým motorom (využíval podtlak vytvorený pri horení). Ale je to už rokov...
Na přiloženém obrázku je Kolinův motor doplněný odraznými zrcadla, která soustřeďují sluneční paprsky na "teplou" desku.
Těm všímavějším zřejmě neuniklo, že i tenhle obrázek opakuje stejnou chybu, která je i u animace - na setrvačníku mají být obě kliky uchycené prostřednictvím téhož klikového čepu, protože ten pravý úhel je už dán vzájemným postavením obou klik. Při dvou čepech podle obrázku je časování posunuté o 180o!
Odstraněním této chyby se získá cenná výhoda, kterou je "volná" jedna strana setrvačníku, což umožní snadný pohon nějakého užitečného zařízení.
Další nemenší výhodou Kolinova uspořádání je to, že vyžaduje těsnění pouze v jednom jediném místě, kterým je průchod osy náhonu přeháněče. Ta prochází poměrně silnou tepelně izolační stěnou, což umožní snadné a dokonalé těsnění dvěma "O" kroužky.To zase umožní natlakování celého vnitřního prostoru docela obyčejnou pumpičkou, které znamená i zvýšení výkonu motoru.
Další výhodou je možnost přizpůsobení motoru předpokládaným podmínkám provozu - klikové a převodové ústrojí může být jak na studené straně, tak i na straně teplé, zcela podle toho, kterou z těch stran budeme požadovat "volnou" pro přenos tepla nebo chladu.
A jako by těch výhod nebylo už tak dost, máme možnost i na "hotovém" motoru měnit v širokém rozmezí časování přeháněče vůči pracovnímu "pístu".
Obrázky není povoleno jakkoli šířit bez souhlasu jejich autora, a to ani v jakékoli upravené formě
0
0
chiq 05.02.2016 23:52 Bydliště: Piešťany
215
35
322
Poota napsal(a):To je trochu jiná kategorie a jmenují se vakuové motory...
Áno, práve to som myslel.
Motory pracujúce s rozdielom teplôt sú zaujímavé, dalo by sa nad tým pouvažovať. Ale chcelo by to zjednodušovať a ďalej prepraovať.
0
0
Poota 06.02.2016 09:53 Bydliště: Praha
8911
582
7398
Není mi jasné, o kterých motorech mluvíš - jestli o Stirlinzích, tak by mě enormně zajímalo, kde vidíš Ty osobně u Kolinova motoru možnost nějakého zlepšení nebo zjednodušení.
0
0
Poota 06.02.2016 22:27 Bydliště: Praha
8911
582
7398
Stirling s rotačním přeháněčem
Docela zajímavá modifikace minimalizující klikové ústrojí i posuvné hmoty. Za nevýhodu lze považovat velký "mrtvý" prostor, pevně nastavené časování a problematické řešení regenerátoru.
Stirling s rotačním přeháněčem (Dostupné jen pro přihlášené uživatele)
Obrázky není povoleno jakkoli šířit bez souhlasu jejich autora, a to ani v jakékoli upravené formě
0
0
chiq 07.02.2016 00:34 Bydliště: Piešťany
215
35
322
Poota napsal(a):Není mi jasné, o kterých motorech mluvíš - jestli o Stirlinzích, tak by mě enormně zajímalo, kde vidíš Ty osobně u Kolinova motoru možnost nějakého zlepšení nebo zjednodušení.
Je zaujímavé, že Kolinov motor dokáže pracovať aj pri tom nízkom rozdiele teplôt, ale je to stále Stirlingov motor.
Mám taký nápad na vlastný tepelný motor, ktorý by bol odlišný od Stirlinga, hoci by tiež využíval rozdiel teplôt.
Ale neviem, či to už niekto neskúšal, resp. nepatentoval, a neviem ani, čo to obnáša, koľko to trvá, koľko to stojí, a či treba mať aj funkčný prototyp.
Na druhej strane je na patentovom úrade asi vždy dosť šikovných "Albertov" ...
0
0
Poota 07.02.2016 09:07 Bydliště: Praha
8911
582
7398
S patentováním mám pár zkušeností - a je to ta nejnaivnější cesta k nějakým penězům, protože k nim vůbec nevede a jenom se tak tváří. Navíc je to běh na dlouhou trať a celou tu dobu jenom platíš - dej na mě a na patentování raději zapomeň.
Zkus si vyrobit funkční vzorek a pokud Ti bude opravdu fungovat, tak to aspoň nebude zbytečně vynaložený čas, energie a ani peníze.
Ono člověku bez zkušeností připadá, že ze všeho nejtěžší je něco nového "vymyslet" a to ostatní že už je sranda.
Chyba lávky - zrealizovat to fyzicky a tak aby to opravdu fungovalo je ještě mnohem těžší. A další ještě těžší je přesvědčit někoho, že by mělo smysl to vyrábět. A tohle všechno dohromady je hotová brnkačka proti tomu, abys z toho měl nějaké aspoň trochu slušné peníze.
Kupodivu nejlevnější cesta je rovnou investovat do vlastní výroby a doufat, že konečný zisk bude větší než investice a nebo je aspoň pokryje.
