Thermoakustischer Motor (08.2008)
Thermoacoustic engine, Lamina flow engine
Eine weiterer Motor, der in der Kategorie Heißluftmotoren etwas
aus dem Rahmen fällt, ist die thermoakustische Maschine.
So eine Maschine reizte mich zum Nachbau, da es meiner Meinung nach
keine vom Aufbau her "primitivere" Wärmekraftmaschine gibt.
Das Grundprinzip dieser Maschine ist "uralt".
Das Entstehen von Schwingungen in heißer Luft wurde schon 1777
von Higgins beobachtet, die "singenden Flammen" und auch die Glasbläser
kennen das Phänomen von Tönen bei der Glasbearbeitung.
Durch Temperaturgradienten bzw. inhomogene Temperaturverteilungen an
begrenzenden Kontaktflächen können akustische Wellen angeregt
werden.
Dieses Phänomen kann mit Hilfe des Rijke-Rohrs sehr schön
experimentell nachvollzogen werden:
In einer Glas-Röhre wird die Luft erhitzt und mit Hilfe einer
Erregerquelle (z. B. Metallgitter) zum Schwingen angeregt, so dass
sich in der Röhre (Resonator) eine eine stehende Welle ausbildet.
Wie beim Stirlingmotor gibt es auch hier den Zyklus von sich ausdehnendem
und zusammenziehenden Gas (Luft).
Während das Rijke-Rohr ein offenes System ist, liegt bei dem thermoakustischen
Motor wie beim Stirling-Konzept ein geschlossenes System vor, allerdings
ohne Verdrängerzylinder. Das macht die Bauweise auch so einfach.
Im Gegensatz zum "normalen" Stirling wird hier keine heiße Luft
in den Arbeitszylinder zum Abkühlen geschoben, sondern ein stehende
Welle treibt den Arbeitskolben an, d.h. die Funktionsweise dieses Motors
ist nur bedingt mit dem Stirlingmotor zu vergleichen.
Wenn man eine Analogie zum Stirlingmotor herstellen will, dann möge
die folgende Erklärung hilfreich sein:
Wenn sich der Kolben zum Regenerator bewegt, dann wird die erhitzte
Luft abgekühlt, es entsteht Unterdruck im System und der Kolben bewegt
sich weiter zum Regenerator, bis er den unteren Totpunkt erreicht. Jetzt
bewegt sich der Kolben weg vom Regenerator und die abgekühlte
Luft wird der Flamme zugeführt, wo sie sich wieder aufheizen kann,
im System entsteht Druck, der Kolben bewegt sich weg vom Regenerator und
so weiter.
Diese Erklärung hinkt allerdings spätestens dann, wenn der
Kolben ohne Schwungrad frei zu schwingen beginnt und wenn dann auch noch
der Regenerator entfernt wird, wie im Video unten gezeigt, dann ist die
Verwirrung perfekt.
Mit einer Wärmebildkamera aufgenommen, könnten z.B. in unserem
Resonator (Reagenzglas) die thermoakustischen Schwingungen
folgendermaßen aussehen:
eine warme und kalte Zone, die mit einer Frequenz von z.B. ca. 20Hz
(1200 U/min) schwingt.
Die thermoakustische Maschine wird auch als thermoakustischer Stirling
oder im angloamerikanischen Bereich auch als Lamina-Flow-Engine bezeichnet.
Zu hören gibt's da sehr wenig, da die Frequenz im Bereich von
2-30 Hz liegt; allerdings ist die theoretische Frequenz um etliches
höher, sie kann sich nur nicht aufgrund der Massenträgheit (Kolben+Schwungrad)
und Reibung des Systems ausbilden.
Bei der thermoakustischen Maschine ist die Erregerquelle zur Anregung
von stehenden Wellen ein Arbeitskolben in Verbindung mit der Heizquelle,
einem
Regenerator und ganz wichtig einer Blende zwischen
Resonator und Arbeitszylinder. Ohne diese Blende kann sich die stehende
Welle nicht ausbilden, da sie im Gegensatz zum Rijke-Rohr nicht durch Überlagerung
von Wellen entsteht, sondern durch Reflexion an der Blende.
Eine große Temperaturdifferenz im Resonator (Reagenzglas) begünstigt
das Entstehen der thermoakustischen Schwingungen, daher ist z.B. ein Resonator
aus Aluminium nicht geeignet, da örtlich zuviel Wärmeenergie
entzogen wird. Angeblich soll ein Resonator aus Edelstahl auch funktionieren,
nur ein Modell hierzu habe ich bisher nicht im Internet entdecken können.
Mit einer Aluminiumröhre funktioniert es nicht, das habe ich ausprobiert..
Um den Arbeitsaufwand zu Beginn so gering wie möglich zu halten,
habe ich als Aufheizzylinder ein Schott-Duran-Reagenzglas (155 mm x 15,5
mm) und als Arbeitszylinder eine Glasspritze mit geschliffenem Glaskolben
(16 mm Ø) genommen. Passende Glasspritzen 10 ml gibt
es noch bei ebay.
Das Schwungrad stammt aus einen Videorekorder ( 80 gr schwer, 60 cm
Ø), Bodenplatte und Halter sind wie auf dem Bild zu sehen aus Holz.
Mit dieser primitiven Ausführung lässt es sich sehr gut experimentieren
Wie das meistens so ist, ..... nach der Fertigstellung rührt sich
erst mal gar nichts.
Nach einigem Experimentieren ist es mir dann doch noch gelungen, das
Motörchen zum Drehen zu bringen.
Die Drehzahl ist zwar niedrig, vielleicht so 100 U/min, aber immerhin
er dreht.
Eine stehende Welle in diesem System zu erzeugen, ist gar nicht
so einfach. Was bei klassischen Verbrennungsmotoren absolut unerwünscht
ist, nämlich thermoakustische Schwingungen, die den Verbrennungsablauf
stören, sind es genau diese Schwingungen, die wir hier brauchen.
Der Knackpunkt liegt an der Trennstelle zwischen dem Heizzylinder und
Arbeitszylinder und dem Hub des Arbeitskolben.
Wenn diese Öffnung (choke) zu groß ist, funktioniert der
Motor nicht, d.h. es bildet sich im Reagenzglas keine stehende Welle aus.
Ich habe eine Messingmuffe genommen, um die beiden Zylinder miteinander
zu verbinden (mit Silikon, wegen der Elastizität). Die Durchlassöffnung
der Muffe war zuerst ca. 12 mm. Ich habe die Öffnung auf 4 mm
reduziert, sowie den Kolbenhub von ca. 25 mm auf ca. 14 mm verringert.
Eine wichtige Rolle spielt auch die im Heizzylinder eingebrachte Edelstahlwolle
(Topfkratzer) und deren Länge (ca. 70 mm). Ohne diesen Regenerator
funktioniert der Motor sehr schlecht.
Ich habe in einem weiteren Test den Motor auch ohne Regenerator
zum Laufen gebracht !!
Der Motor muss wesentlich länger aufgeheizt und über
das Schwungrad auf Drehzahl gebracht werden, aber schließlich entsteht
auch in diesem Fall eine stehende Welle und der Motor läuft von allein
weiter. Die Energie dieser Welle ist allerdings wesentlich geringer, als
diejenige mit Regenerator!
Die Edelstahlwolle unterstützt das Temperaturgefälle,
das zur Erzeugung der thermoakustischen Welle notwendig ist (Stichwort
->Temperaturgradient).
Der Regenerator (Stack) könnte auch aus dünnen Plättchen
aus Kunststoff oder Keramik (Partikelfilter) sein. Daher auch die Bezeichnung
"Lamina Flow Stirling" (Achtung , nicht verwechseln mit Laminar Flow!!,
hat nichts mit laminarer Strömung zu tun). Hauptsache die Oberfläche
des Regenerators ist im Verhältnis zum Volumen groß.
Die Heizquelle muss am Ende des Regenerators in Richtung Arbeitszylinder
platziert werden!
Nach den Änderungen war nach einiger Aufheizzeit eine Drehwilligkeit
zu erkennen. Der Motor läuft nicht gleich an, sondern das Schwungrad
führt zunächst Pendelbewegungen durch, bis die stehende Welle
genügend Amplitude erreicht hat, um das Schwungrad komplett
zu drehen. Hier ein Video dieser
Erstausführung.
Durch Modifikationen hinsichtlich Heizzylindervolumen, Blendenöffnung,
Kolbenhub und Regenerator ist es mir gelungen, ein prächtig funktionierendes
Motörchen zu entwickeln.
Dabei hat sich bei einer Reagenzglaslänge von 135-155 mm und einem
Innendurchmesser von 14 mm, ein Kolbenhub von ca. 14 mm als optimal
erwiesen. Hierbei ist der obere Totpunkt des Kolbens sehr nahe an der Blende.
Wird der obere Totpunkt des Kolbens zurückverlegt, kann auch der Hub
vergrößert werden. Als grobe Faustregel gilt:
Hub des Arbeitskolbens ~ Innendurchmesser
Resonator
Blendenöffnung ~ 1/3 Innendurchmesser Resonator
je höher der Kompressionsdruck, umso größer sollte
das Trägheitsmoment des Schwungrades sein. |
Um noch besser testen zu können, habe ich eine neue Verbindungsmuffe
aus Alu gedreht.
Die beiden Zylinder habe ich mit dünnem Teflonband (1/2" x 260",
MilSpec T-27730A) umwickelt und vorsichtig in die Alumuffe eingepresst!
So kann ich jederzeit den Motor zerlegen. Den Wulst des Reagenzglases habe
ich mit einer Diamanttrennscheibe entfernt.
Die Muffe ist 25 mm lang und hat 22 mm Durchmesser mit Einstichen auf
beiden Seiten in einer Tiefe von je 10 mm passend zu Reagenzglas und Arbeitszylinder.
Die Bohrung war zunächst 10 mm.
Um den Hub des Arbeitskolbens einfach zu verstellen, habe ich auf dem
Schwungrad einen drehbaren Hebel angebracht.
Auf diese Weise kann ich den Hub von 0 mm auf fast 30 mm verändern!
Falls die Kolben/ZylinderKombination nicht besonders gut ist
(Reibung/Kompression), dann sollte der Hub mehr als 14-16 mm betragen Wird
der Hub größer gemacht, dann sind aber auch keine Drehzahlen
über 1200 U/min. möglich!!
Da mir das Schwungrad etwas zu leicht vorkam, habe ich einen Bleistreifen
um das Rad gelegt. Das Schwungrad ist nun ca. 140 g schwer. Der Motor läuft
damit viel runder und schöner.
Wenn das Schwungrad aus Guss oder Messing gefertigt ist, wird es ohnehin
bei einen Durchmesser von ca. 70 mm mindestens 140 g schwer!
Die Bedeutung des Schwungrades sollte nicht unterschätzt werden.
Wird es zu leicht gemacht und ist die Kompression gut, dann braucht der
Motor länger bis er auf Touren kommt und "stottert" mehr zu
Beginn. Wird das Schwungrad zu schwer gemacht, dann dreht der Motor zwar
schön rund, kann dann aber aufgrund der Trägheit nicht so hoch
drehen. Es ist eine reine Geschmacksfrage was einem lieber ist.
Das Gesamtgewicht sollte nicht mehr als 140 g haben und die Masse sollte
sich mehr nach aussen konzentrieren, ähnlich wie ich es mit dem Bleistreifen
gemacht habe.
Für eines der Schwungräder habe ich z.B. ein Kugellager 68x40x9
genommen, den inneren Ring und die Kugeln entfernt und eine Aluscheibe
in den äusseren Ring gepresst. Das Schwungrad ist doppelt kugelgelagert.
Zum besseren Verständnis kann man sich die Kombination von schwingendem
Kolben und Schwungrad wie ein Feder-Masse-System vorstellen. Wenn das System
zum Schwingen angeregt wird und Federkraft und Masse aufeinander abgestimmt
sind, dann kann es bei einer bestimmten Frequenz in Resonanz gebracht werden.
Auf auf unseren Motor übertragen bedeutet dies, dass durch geschickte
Wahl von Kolbenhub, Schwungrad und Resonatorlänge beträchtliche
Drehzahlerhöhungen möglich sind.
Habe noch ein bisschen weiterexperimentiert
und herausgefunden, dass für meinen Motor die Öffnung zwischen
Arbeitszylinder und Heizzylinder optimal 5 mm ist. Die Drehzahl hat sich
glatt verdoppelt.
Meine Experimente haben mir gezeigt, dass der Kolbenhub bzw. der
Kompressionsdruck, sowie die Öffnung (choke) zwischen Heiz-
und Arbeitszylinder eine entscheidende Rolle für das Auskoppeln der
thermoakustischen Energie in mechanische Energie und damit die Lauffähigkeit
des Motors spielt.
Anmerkung zu der thermoakustischen stehenden
Welle:
Die stehende Welle breitet sich in unserem
Falle im gesamten Reagenzglas bis zur Blende aus, deshalb darf der Regenerator
( Stahlwolle) nicht zu dicht gepackt in
das Reagenzglas gebracht werden sein. Es ist daher auch möglich ein
Rohr
( mit 5 mm Durchmesser) durch den Regenerator
zu legen und die Flamme am vorderen Ende des Reagenzglases wirken zu lassen.
Die Blende wird quasi nach vorne verlegt.
Die Frequenz der stehenden Welle ist umso
höher, je kürzer der Resonator bzw. je kleiner das
Resonatorvolumen ist. Ich könnte mir vorstellen, dass es möglich
ist, auch ohne Blende eine stehende Welle im System zu erzeugen, indem
der Kolben in einer Frequenz harmonisch zur stehenden Welle mitschwingt
(Reflexion direkt am Kolben).
Statt der Edelstahlwolle habe ich versuchsweise normale grobe Stahlwolle
(Größe2) genommen und damit läuft der Motor sogar noch
besser, warum? , die Edelstahlwolle des Topfkratzers war nicht fein genug
(zu wenig Oberfläche).
Jetzt sind Drehzahlen bis 1000 U/min möglich, abhängig von
der Größe der Flamme (Spiritusbrenner).
Wer einen Motor haben will, der mehr als 1000 U/min drehen soll,
der muss selbst hinsichtlich Reagenzglaslänge, Kompressionsdruck (Kolbenhub)
,Schwungradmasse und Blendenöffnung experimentieren.
Nach längerem Lauf stellt man fest, dass der Arbeitszylinder heißer
wird und das Ende des Reagenzglases kühl bleibt. Dies ist ein Zeichen
für die richtige thermodynamische Arbeitsweise des Motors.
Wird der Motor länger als 15 Min. ununterbrochen betrieben , dann
sollte der Halter für die Alumuffe auch aus Aluminium gefertigt sein
(bessere Wärmeabfuhr).
Hier noch einmal die wichtigsten
Daten des Motors nach den Verbesserungen:
- Reagenzglas (Schott Duran) ca. 135 mm lang ohne Wulst,
Durchmesser aussen ca. 15,5 mm. Gibt es im Handel als 160x16 mm.
- Kolben von Glasspritze ca. 16 mm Durchmesser und 25 mm
lang und passender Glaszylinder dazu ca. 33 mm lang.
Glasspritze 10ml gibt es noch bei ebay.
Glaszylinder kann auch länger sein, falls
der Kolben komplett innerhalb des Zylinders laufen soll.
Alle Glasteile wurden mit einer Proxxon(Dremel)-Kleinbohrmaschine
und Diamanttrennscheibe bearbeitet und nass nachgeschliffen.
Um das Aussplittern des Glases etwas zu verringern,
die Trennstelle vorher mit Tesafilm umwickeln.
- Schwungrad ca.70 mm Durchmesser und ca. 10-14 mm breit,
Gewicht ca. 100-140 g.
- Alumuffe 25 mm lang, 22 mm Durchmesser, 5 mm Bohrung
(Blende)
Jeweils an den Enden 10 mm tiefe Einstiche,
passend für das Reagenzglas und den Arbeitszylinder.
Gläser mit dünnem Teflonband (1/2"x260",
MilSpec T-27730A oder 12 mm x 0,08 mm x 12m) vorsichtig in die Muffe einpressen.
Achtung, wenn das Glas an der Schnittkante
zu sehr "ausgefranst" ist, dann bekommt es nach dem Einpressen schnell
Risse.
- Kolbenhub ca.14 mm. Pleuelstange ca. 50 mm lang. Wenn
Drehzahlen über 1000 U/min gewünscht sind, dann muss der
obere Totpunkt des Kolbens ca. 1-2 mm vor
der Blende liegen und das Reagenzglas mit Regenerator kürzer sein
(siehe unten).
Die
Verbindung von Pleuel zu Glaskolben erfolgt mit einem "Aluminiumstöpsel".
Dieser wird entweder mit Silikon in den Kolben eingeklebt oder mit
einem O-Ring geklemmt. Aluminium dehnt sich mehr aus als Glas!!
- Stahlwolle grob (Größe 2) in einer Länge von
ca. 70 mm in das Reagenzglas einbringen, aber nicht bis zum Ende schieben,
sondern ca. 20 mm Luft lassen. Von der Stahlwolle
wird in Längsrichtung ein entsprechender Streifen abgeschnitten,
zu einer Wurst gerollt und dann abgelängt.
Stahlwolle
nicht zu dicht in das Reagenzglas stopfen!
Je nach Flammenhöhe und Brennerart sind Drehzahlen
von 150 bis 1000 U/min möglich.
Die Drehzahl ändert sich auch mit der Lage
und Länge der Stahlwolle. Eine Verkürzung auf ca. 2 cm
kann sich positiv auf die Drehzahl auswirken.
Siehe hierzu unten thermoakustischer Motor
Opitec spezial.
Wird die Stahlwolle bei einer vorgebenen Länge
des Reagenzglases mehr in Richtung Blende verschoben,
dann vergrößert sich die Drehzahl.
Ein einfacher Test zeigt, ob der Motor gut funktionieren wird:
Nach dem Zusammenbau darf das Schwungrad wenn es angeschubst wird nicht
einfach stehen bleiben, sondern es muss pendeln.
Tut es das nicht, ist entweder die Kompression zu gering oder die Reibung
zu hoch. Der Stift im Schwungrad für den Pleuelantrieb muss parallel
zur Schwungradachse sein und auch die Bohrung im Kolben für das Pleuel
muss parallel zur Schwungradachse sein! |
Wer sich beim Bau an die obigen Vorgaben hält, bekommt mit Sicherheit
einen lauffähigen Motor.
Voilà, der fertige Motor, serienreif und das Video
dazu.
Normalerweise arbeitet dieser Motor fast geräuschlos, das was
Sie
im Video hören sind fettfreie Kugellager und Spiel im Pleuel.
Die im Aluhalter klemmbare Alumuffe läßt sich in gewissen
Grenzen
verschieben, so ist ein Feintuning der Drehzahl möglich und der
Motor lässt sich hervorragend zerlegen.
Dieser Motor lauft .. und läuft ..und läuft, selbst wenn
er jahrelang
unbenutzt rumsteht; Flamme drunter und ab geht die Post.
Eine nochmalige Erhöhung der Drehzahl auf 1600 U/min
(Video) ist mir mit einem
100 mm langem Reagenzglas und einem auf 45mm verkürztem Regenerator
gelungen. Bei dieser Drehzahl ist bereits ein leichter Brummton zu hören,
d.h. der Kolben schwingt mit ca. 26 Hz.
Die theoretische Drehzahl ist bei diesem Motor mindestens doppelt
so hoch. Sie kann nur nicht aufgrund von Reibungseinflüssen und Massenträgheit
ausgenutzt werden. Ein weiteres Video
zeigt, mit welcher kleiner Flamme der Motor noch vernünftig dreht.
Das absolute Minimum an Flamme ist hier
zu sehen. Um die Famme überhaupt zu erkennen, mußte ich für
die Aufnahme ziemlich abdunkeln.
Solarbetrieb ist mit einer Kondensorlinse
(z.B. aus einem Diaprojektor) möglich.
Der krönende Abschluss meiner Experimente ist dieser Edel-Motor
in Alu-Messing-Ausführung mit vergoldeten Messingteilen.
Dies war allerdings nur mit Unterstützung eines befreundeten Modellbauers
( Manfred Becker, Ober-Ramstadt) und seiner professionellen CNC-Fräsmaschine
(Schwungrad und Logo) zu realisieren.
Auch die anderen Schwungräder mit geschwungenen Speichen stammen
von ihm.
Nochmals vielen Dank Manfred.
Dieser Motor "läuft" mit einer Füllung auf kleiner
Flamme 120 Minuten!
Meine Testserie von
thermoakustischen Motoren.
Eine weitere, sehr elegante Variante dieses Motors besteht darin, das
Reagenzglas gleichzeitig als Resonator und Zylinder einzusetzen. Für
den Kolben empfehle ich Graphit. Dies einmal wegen der besseren Anpassung
an die Rundtoleranz des Reagenzglases (Graphit läßt sich gut
schleifen) und zum anderen wegen der sehr geringen Wärmeausdehnung
des Graphits. Bei einem Metallkolben ist der Glasbruch vorprogrammiert.
Die Blende zwischen Resonator und Zylinder besteht aus einem Stück
Rund-Alu mit 5 mm-Bohrung.. Das Aluteil wird mit einem O-Ring im Reagenzglas
festgehalten. Die einzige Schwierigkeit besteht nun darin, das Reagenzglas
bruchsicher zu fixieren. Günter Bettinger hat diesen Motor so gebaut
(siehe YouTube).
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Nanu, ein neuer Rupp-Manson
Motor? (03.2011)
Nein, dies ist der Versuch auf der Basis des Rupp-Motors einen weiteren
sehr kompakten thermoakustischen Motor zu "zaubern". Und in der Tat, er
funktioniert.
Probleme gab es insofern, weil der Hub und die Pleuellänge festgelegt
waren, und auch ein kleines Kugellager im Pleuel nicht möglich war.
Ob so ein kleines Kugellager überhaupt was bringen würde,
bleibt dahin gestellt.
Durch das kurze Pleuel (25 mm) und den kleinen Hub (9 mm)
sind schon minimale Reibungsverluste im Übergang Kolben zu Pleuel
und Pleuel zum Schwungradantrieb "tödlich". Aber nach mehreren Nacharbeiten
ist es mir gelungen, das Motörchen auf ca. 2000 U/min !
zu bringen, allerdings nur in eine Drehrichtung, in die andere Richtung
schafft er diese Drehzahl nicht. Vermutlich ist dies doch auf geringste
Unsymmetrien in der Ausführung zurückzuführen. Im Video
kann die Drehzahl eher gehört als gesehen werden. Der gerade schon
hörbare Brummton deutet allerdings auf eine Kolbenfrequenz von mehr
als 25 Hz hin.
Der Kolben (15 mm Ø) ist aus Graphit und läuft im
Aluzylinder. Das Reagenzglas ist 90 mm lang. Ein 70 mm kurzes Reagenzglas
hat auch noch funktioniert, nur wird nach 10 min. Laufzeit das Ende des
Reagenzglases, das kühl bleiben muss, so heiß, dass der Motor
nur noch lustlos dreht.
Ein sehr interessanter Effekt ergab sich bei einer Drehzahl zwischen
2000 und 2500 U/min. Der Motor wurde auf einmal ganz leise, d.h. der Kolben
bewegte sich in einer Frequenz harmonisch zur Drehzahl der Schwungscheibe,
so dass keinerlei Druck mehr auf das Pleuel ausgeübt wurde und das
Spiel im Pleuel nicht mehr hörbar war. Ich schließe daraus,
dass bei dieser Drehzahl auch die höchstmögliche Frequenz der
thermoakustischen Schwingung im Resonator erreicht wurde und diese lag
bei etwa 35-40 Hz.
Eine Drehzahlabschätzung läßt sich übrigens ohne
Drehzahlmesser sehr einfach mit Hilfe des stroboskopischen Effektes ermitteln:
wird z.B. eine drehende Scheibe mit einem schwarzen Punkt in
das Licht einer Leuchstofflampe gehalten (sie flackert mit 50 Hz), dann
bleibt der Punkt bei 6000 U/min scheinbar stehen. Sind 2 stehende Punkte
zu sehen ist die Drehzahl 3000 U/min, bei 5 stehenden Punkten 1200 /min
usw. Hat ein Schwungrad nun 5 Speichenräder, dann bleiben die Speichen
auch bei 1200 U/min scheinbar stehen oder sind 10 Speichen zu sehen, dann
ist die Drehzahl 600 U/min.
Hinsichtlich einer geringeren Reibung mit einem Kugellagers im Pleuel haben
sich meine Vermutungen bestätigt, dass so ein kleines Kugellager nichts
mehr bringt, um höhere Drehzahlen zu erreichen. Ich habe mich dazu
hinreißen lassen, es doch einmal auszuprobieren. Ich konnte so ein
kleines Kugellager (1,5x4x1,2 mm) in ebay (roeco2005) auftreiben.
Es zeigte sich, dass die Drehzahl 2000 U/min nicht mehr erreicht wird.
Bei so hohen Drehzahlen ist die Reibung eines Kugellagers anscheinend größer,
als wenn das Pleuel nur in einem Zapfen geführt wird. Es gibt jedoch
einen Vorteil mit diesem kleinen Kugellager, die Laufgeräusche sind
erheblich geringer, weil es jetzt absolut kein Spiel mehr im Pleuel zum
Schwungradantrieb gibt.
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Thermoakustischer Motor
Opitec spezial (06.2015)
Dieser Motor ist für diejenigen Modellbauer gedacht, die ohne eine
Glasspritze einen thermoakustischen Motor basteln wollen.
Das Besondere bei diesem Motor ist die Möglichkeit, günstig
einen fertigen Arbeitszylinder mit Kolben und Kolbenstift von Opitec
als Ersatzteil ( Nr. 802510+802521+269266) vom Gamma-Stirling zu beziehen.
Diese Teile (Zylinder+Kolben+Stift) sind zusammen für 6,65 Euro erhältlich
(Stand 05.2015).
Die Zylinder-Arbeitskolbenkombination ist so leichtgängig und
dicht wie eine Glasspritze, sie darf nur nicht geölt werden. Wer nicht
in der Lage ist auf seiner Drehmaschine so eine Kombination herzustellen
- die Genauigkeit sollte schon besser als 30µm sein - der ist mit
diesem Fertigteil bestens bedient.

Der Zylinder hat an der Seite ein 8 mm Sackloch mit 3 mm-Bohrung, dadurch
bietet sich eine vertikale Anordnung geradezu an. Die Bohrung wird auf
6 mm aufgebohrt und in das Sackloch ein Aluzwischenstück mit einer
5 mm Bohrung und entsprechenden O-Ringen zum Fixieren des Reagenzglases
eingepresst.
Das Fixieren funktioniert aber nur dann problemlos, wenn die Nut im
Aluteil und die O-Ringe so gewählt werden, dass das Regeagenzglas
nicht zu stramm über die O-Ringe geschoben werden muss. Das Bruchrisiko
für das Reagenzglas ist ziemlich groß. Mit ein wenig Silikonfett
auf den O-Ringen läßt sich das Regenzglas leichter über
die Ringe schieben..
Der abgeschrägte Teil des Zylinders wird rundgedreht, um auch
hier ein Alurundteil einpressen zu können.
Gegenüber der der seitlichen Bohrung des Zylinders wird eine Fräsung
von ca. 2 mm Tiefe angebracht, um dann ein Messingvierkant 8x8 mm mit zwei
3er Gewindenlöchern weich einzulöten. Hart löten würde
ich nicht empfehlen, da durch die größere Hitze der Zylinder
in der Maßhaltigkeit gefährdet ist. Die Gewinde dienen zum Befestigen
des Schwungradhalters.
Die übrigen Daten (Pleuel und Hub) ensprechen den obigen Angaben.
Das Messing-Schwungrad ist 5 mm breit, hat einen Durchmesser von 50 mm
und ist doppelt kugelgelagert.
Auch dieser Motor läuft problemlos (Video),
wenn das Pleuel mit Kugellager sauber gebohrt wird und beim Drehen des
Schwungrades nicht klemmt.
Das habe ich auch wieder bei diesem Motor festgestellt :-> kleinste
Abweichungen in der Parallelität von Schwungradachse und Pleuelachse
und der Motor kommt nicht auf Drehzahl. Wenn im Pleuel kein Kugellager
verwendet wird, ist die Genauigkeit nicht ganz so wichtig. Bei höheren
Drehzahlen jedoch "wandert" das Pleuel hin und her und bremst die Drehzahl.
Wenn ein Kugellager im Pleuel eingesetzt wird darauf achten, dass ein gutes
genommen wird, das die hohen Drehzahlen verkraftet. Mein Motor kam aus
heiterem Himmel nur noch in einer Drehrichtung auf Touren. Die Ursache
war das Kugellager im Pleuel.
Nachdem ich mit mehreren Kugellagern immer wieder Probleme hatte, habe
ich auf Gleitlager umgestellt. Die kleinen Kugellager sind für so
hohe Drehzahlen nicht geeignet. Es gab immer wieder ungewollte Drehzahländerungen,
Mit dem Gleitlager ist das jetzt vorbei.
Dieser Motor läuft, wie bereits oben schon
beschrieben auch ohne den Regenerator, wenn er von Hand auf Drehzahl gebracht
wird.
Das folgende Video
beweist es. Die Drehzahl und Leistung ist aber viel niedriger.
Es genügen anscheinend geringste Verunreinigungen und Druckänderungen
im Reagenzglas, um die thermoakustischen Schwingungen auszulösen.
Ich habe nach diesem Experiment den Regenerator auf 2 cm gekürzt
und er läuft damit noch besser. Er erreicht jetzt Drehzahlen von über
2000 U/min., aber nur wenn ein sehr reibungsarmes Kugellager ohne Schmierung
verwendet wird. Der kürzere Regenerator beweist, dass ein zu langer
und zu dicht gepackter Regenerator die Schwingungen "ausbremst".
Achtung: bei den hohen Drehzahlen kann der Kolben hin und wieder
klemmen, da er trocken läuft. Das ist am Drehzahlabfall zu erkennen.
In diesem Fall den Kolben und Zylinder vorsichtig säubern und
Abrieb entfernen. Habe ich schon mehrfach mit Erfolg praktiziert.
Wenn der Motor geölt wird ( z.B. Petroleum) dann läuft er
nur widerwillig oder gar nicht an.
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Thermoakustische Maschine
als Freikolbenmotor/free piston engine (01.2010)
In
einem weiteren Versuch habe ich den thermoakustischen Motor ohne Schwungrad
ausprobiert. Der Kolben sollte dann aufgrund der thermoakustischen Schwingungen
frei schwingen. Und in der Tat macht er dies auch (Video).
Dazu mus nach einer gewissen Aufheizzeit der Kolben "angeschubst" werden.
Der Gummiring verhindert, dass der Glaskolben an die Alublende knallt.
Die Schwingungweite (der Hub) des Kolbens ist umso größer,
je weiter der Kolben in der Ausgangsstellung von der Blende entfernt war.
Hier gibt es eine Übereinstimmung mit meinen obigen Versuchen mit
Schwungrad, wonach der Hub des Kolbens kleiner sein kann, wenn der obere
Totpunkt des Kolbens nahe an der Blende ist. Wird allerdings der Kolben
sehr weit von der Blende entfernt (hier ca. 4cm) zum Schwingen gebracht,
dann bricht die thermoakustische Welle nach einiger Zeit zusammen.
Der freischwingende Kolben zeigt eindeutig, dass nicht wie beim herkömmlichen
Stirling Luft mit Hilfe des Verdrängers hin und hergeschoben wird
zum Aufheizen und Abkühlen, sondern dass tatsächlich eine stehende
Welle den Kolben bewegt.
Der thermoakustische Motor unterliegt zwar den Regeln des Carnot-Kreisprozesses,
der gravierende Unterschied zum Stirlingmotor besteht aber darin, dass
ein Schwungrad zur Überwindung der Totpunkte nicht notwendig ist.
In einem späteren Versuch will ich testen, ob nennenswerte Energie
mit Hilfe eines Lineargenerators erzeugt werden kann. Dazu wird in den
Glaskolben ein Magnet eingebracht und um den Zylinder kommt die Spule,
vielleicht kann ich dazu Teile einer Schüttel-Taschenlampe verwenden.
Mittlerweile habe ich den Versuch den thermoakustischen Freikolbenmotor
als Generator einzusetzen, durchgeführt.
Um es vorwegzunehmen, das Ergebnis ist enttäuschend.
In den Kolben habe ich einen Stabmagnet Neodym 12 x 25 mm eingebracht
und um den Zylinder eine Spule mit den Maßen 30 x 30 mm gelegt. Die
Spule hat ca 1000 Wdg. 0,2 CuL mit einem Widerstandswert von ca. 40 Ohm.
Die Ausgangsspannung beträgt ~3 Vss. Diese wird mit Germaniumdioden
(wegen der geringen Durchlassspannung) gleichgerichtet und bringt eine
Leuchtdiode älterer Generation gerade so zum Leuchten
d.h. die Leistung beträgt höchstens 5-10 mW.
Ich habe im Januar 2015 das Experiment mit 2
LED neuerer Generation - antiparallel an die Spule ansgeschlossen
- durchgeführt und siehe da, jetzt könnte man glauben, was für
eine Power der Motor
auf die Beine bringt (siehe hierzu auch meinen kritischen Kommentar unter
Bemerkungen zu Heißluftmotoren).
Ich könnte mir vorstellen, dass durch Optimierung noch ewas mehr
rauszuholen ist, aber mehr als 20 mW ist meiner Meinung nach nicht drin,
d.h. mit der thermoakustischen Energie ist auf diesem Wege kein Blumentopf
zu gewinnen, vor allem, wenn man noch berücksichtigt, dass der eingesetzte
Brenner eine Leistung von ca. 15 Watt hat!
Industriell wird der thermoakustische Motor in anderer Bauform (meist
mit einer Membran statt Kolben) eingesetzt, um elektrische Energie mit
Hilfe eines Lineargenerators zu gewinnen.
Im
Internet habe ich die Skizze eines solchen thermoakustischen Generators
endeckt.
Eine weitere Möglichkeit Energiezuwachs zu erhalten, besteht darin,
die thermoakustische Welle in einen Helmholtz-Resonator einzukoppeln.
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Quelle: Robert Sier; http://www.stirlingengines.org.uk/ |