Nếu bạn có một vài lon nước ngọt và một vài phụ kiện dễ tìm khác, bạn có thể tạo lại một trong những động cơ thương mại đầu tiên từng được sản xuất. Mặc dù có kích thước nhỏ, động cơ Stirling có thể đóng lon Coke vẫn nói lên linh hồn cơ khí chung của chúng ta khi nó kêu và tách rời trên giá, quay một bánh đà, quay một vài cánh quạt hoặc thậm chí tạo ra một vài watt.
Chính sự đơn giản của nó gợi lên một thời gian khác. Và cho dù được xem như một bằng chứng về khái niệm, một mô hình thú vị, một đoạn hội thoại hay một tác phẩm điêu khắc động học, việc tạo ra động cơ Stirling có thể làm lon nước ngọt là một cách tuyệt vời để bước vào quá khứ.
Động cơ Stirling là đứa con tinh thần của Robert Stirling, người đã phát minh ra khái niệm này vào năm 1816. Ý tưởng đằng sau động cơ của ông là sử dụng không khí để cung cấp năng lượng cho động cơ, chứ không phải là công nghệ đang phát triển vào thời điểm đó - hơi nước.
Điều khiến động cơ của Stirling trở nên khác biệt so với những động cơ khác là việc sử dụng "bộ tiết kiệm", giúp tăng cường khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Điều này hiện được biết đến như một trình tái tạo. Từ năm 1816 đến năm 1843, Stirling và anh trai của ông, James, đã cải tiến thiết kế và hiệu suất của động cơ. Vào giữa thế kỷ 19, động cơ của ông đã cung cấp năng lượng cho các ngành công nghiệp lớn bao gồm cả xưởng đúc. Tuy nhiên, động cơ của ông, cũng như hầu hết các động cơ không khí nóng, phù hợp hơn với các ứng dụng công suất thấp. Mong muốn của ông là tạo ra một giải pháp thay thế an toàn hơn cho động cơ hơi nước đang phát nổ đã bị đánh bại bởi nhu cầu có thêm năng lượng để vận hành các ngành công nghiệp đang phát triển.
Điều đầu tiên bạn nên biết về động cơ Stirling là cách các bộ phận kết hợp với nhau và cách chúng hoạt động.
Nội dung
Lấy đi bộ tái sinh của Stirling và bạn có một động cơ không khí nóng. Cách thức hoạt động của động cơ không khí nóng rất đơn giản. Không khí trở thành thứ được gọi là "chất lỏng hoạt động". Một nguồn nhiệt, trong trường hợp của hầu hết các động cơ Stirling của lon nước ngọt, đây là một ngọn nến châm trà, làm nóng không khí khiến nó nở ra. Không khí sau đó được làm lạnh, làm cho nó co lại. Sự giãn nở và co lại của không khí, hay chất lỏng làm việc, là một chu trình nhiệt động lực học. Bây giờ, sử dụng chu trình nhiệt động lực học này để di chuyển một piston và bạn đã cho phép chu trình nhiệt động lực học tạo ra công cơ học hữu ích một cách hiệu quả. Khi bạn gắn trục khuỷu vào pít-tông và lắp thêm bánh đà, bạn đã có những kiến thức cơ bản về động cơ.
Hãy hoàn thành việc xây dựng một động cơ Stirling và bạn sẽ học được nhiều hơn một vài bài học về kỹ thuật sản xuất bia tại nhà. Hơn hết, việc xây dựng một cái rất thú vị và mang lại cho bạn cơ hội sáng tạo với những thứ mà hầu hết mọi người coi là rác. Và việc thấy nó hoạt động sẽ đưa nó lên một cấp độ hoàn toàn mới.
Nghe có vẻ đơn giản? Nó là vậy, nhưng vẫn còn một thời gian nữa trước khi động cơ được chế tạo. Bạn sẽ cần nhiều thành phần hơn, một vài vật liệu và hiểu biết về cách tất cả chúng khớp với nhau trước khi động cơ của bạn hoạt động chậm chạp.
Đây là những gì bạn cần:
Hãy cùng tham quan các thành phần bạn sẽ xây dựng, xem chúng hoạt động như thế nào, chúng làm gì và tất cả chúng ăn khớp với nhau như thế nào.
Lịch sử StirlingRobert Stirling không phải là người đầu tiên thử động cơ không khí, nhưng ông là người đầu tiên tạo ra một sản phẩm thương mại khả thi và thiết kế động cơ của ông đã được đưa vào sử dụng vào năm 1818 để cung cấp năng lượng cho máy bơm nước tại một mỏ đá.
Jim Larsen, nhà chế tạo động cơ Stirling, tác giả và nhà giáo dục lâu năm cho biết:“Bạn phải suy nghĩ như một người thợ đồng hồ. "Bạn phải chú ý đến các chi tiết. Nếu bạn chú ý đến các chi tiết, bạn có cơ hội thành công cao hơn".
Các thành phần chính của động cơ Stirling tương đối đơn giản và dễ hiểu. Trong khi chúng tôi đang tập trung vào động cơ lon nước ngọt, động cơ đã được chế tạo bằng các vật liệu khác nhau, từ thùng sơn đến thùng phuy đựng dầu. Larsen cho biết trong một thử thách trong Lễ Tạ ơn khi đến thăm nhà vợ, anh đã chế tạo động cơ Stirling từ các loại vật liệu trong cửa hàng phần cứng, bao gồm cả xoong và nồi.
Các lon nước ngọt bằng nhôm có hình dạng làm sẵn, được tạo sẵn hoàn hảo cho động cơ. Chúng cũng dễ làm việc và tất nhiên là rất rẻ. Và trong khi không đủ mạnh để sử dụng nghiêm túc, chúng sẽ chịu được công suất vi mô được tạo ra bởi hầu hết các kế hoạch động cơ.
Buồng áp suất là một bình chứa không khí bị giam giữ, hoặc chất lỏng làm việc, trong hệ thống kín. Tại đây không khí được đốt nóng và làm lạnh trong chu trình nhiệt động lực học. Mặc dù rò rỉ không khí và áp suất có thể là nguyên nhân của nhiều động cơ, nhưng buồng áp suất thực sự cần một rò rỉ nhỏ được kiểm soát. Nếu không có sự rò rỉ này, căn phòng sẽ đơn giản trở thành một phong vũ biểu và chỉ phản ứng với những thay đổi về áp suất khí quyển của không khí xung quanh nó.
Larsen cho biết nhiều nhà chế tạo Stirling chọn thay đổi chất lỏng làm việc trong buồng áp suất từ không khí sang heli, chất lỏng này phản ứng tốt hơn trong chu kỳ nhiệt động lực học.
Cơ chế truyền động sử dụng sự giãn nở và co lại của không khí bên trong buồng áp suất để dẫn động trục khuỷu. Cơ cấu truyền động có thể được gắn vào mặt bên của động cơ hoặc được tích hợp vào cấu trúc của động cơ.
Đối với Larsen, trục khuỷu là bộ phận quan trọng nhất của động cơ, và ảnh hưởng đến mọi bộ phận của toàn bộ, từ thời gian, chuyển động của con tàu, đến tốc độ của bánh đà và sự cân bằng của toàn bộ động cơ. “Đây là một phần bạn muốn dành thời gian để làm đúng,” Larsen nói.
Bánh đà không chỉ là dấu hiệu cho thấy động cơ đang hoạt động. Nó hoạt động như một thiết bị lưu trữ năng lượng. Một bánh đà cân bằng tốt sẽ lấy năng lượng được tạo ra trong quá trình chuyển đổi công suất của động cơ và lưu trữ nó. Khi cần năng lượng để đẩy vật dời xuống bánh đà sẽ cung cấp năng lượng tích trữ của nó để thắng ma sát và các lực khác. Nếu không có bánh đà tốt, tàu đổ bộ sẽ chỉ bay lên đỉnh của khoang và ở đó.
Larsen cho biết có một bánh đà cân bằng tốt là chìa khóa để đạt được hiệu quả. Nếu bánh xe không cân bằng, động cơ phải làm việc nhiều hơn để di chuyển nó. Ông nói:“Bạn không muốn động cơ làm nhiều việc hơn nó phải làm.
Người di dời trong động cơ không khí nóng dùng để chuyển không khí bên trong buồng áp suất. Hãy nhớ rằng, động cơ không thể chạy nếu không có chu trình nhiệt động lực học, nơi không khí được đốt nóng và làm mát, gây ra sự giãn nở và co lại. Nếu buồng áp suất được làm nóng đơn giản, không có bất cứ thứ gì bên trong để chuyển không khí, thì không khí bên trong sẽ nóng lên và nở ra, nhưng không bao giờ co lại.
Với nguồn nhiệt ở phía dưới, động cơ không khí nóng cũng sử dụng làm mát ở phía trên, thường là nước đá hoặc nước lạnh, để làm mát không khí. Khi không khí được làm nóng, nó nở ra, di chuyển bộ chuyển vị đến gần đỉnh của buồng áp suất. Ở trên cùng của buồng, không khí được làm mát, co lại và di chuyển bộ chuyển vị xuống dưới. Tất cả điều này xảy ra với sự hỗ trợ của cơ cấu truyền động, trục khuỷu và bánh đà.
Bộ đệm thường là một miếng len thép cuộn với một dây nhẹ chạy qua tâm. Bạn có nhớ khi Larsen nói về việc cần phải suy nghĩ như một nhà sản xuất đồng hồ không? Đây là một trong những thời điểm. Bộ dịch chuyển cần có thể trượt tự do trong buồng áp suất, đồng thời lấp đầy hầu hết buồng áp suất. Nó cần cho phép luồng không khí lưu thông tự do, đồng thời hạn chế một số luồng. Ý tưởng là để giảm thiểu ma sát và tối đa hóa hiệu quả. Chủ đề này là một hằng số trong suốt quá trình xây dựng động cơ.
Hộp nhiệt chỉ đơn giản là một giá đỡ mà động cơ đặt. Nguồn nhiệt được đặt bên dưới động cơ.
Điều này có vẻ như rất nhiều công việc không mang lại nhiều lợi nhuận. Nhưng có một cảm giác rõ ràng khi bạn hoàn thành động cơ, khắc phục sự cố để nó hoạt động, và thấy nó tự hoạt động. Đối với Larsen, niềm đam mê của anh ấy đã bắt đầu từ hơn nửa thập kỷ trước, trong khi niềm đam mê của bạn có thể bắt đầu sau vài ngày kể từ bây giờ.
Băng hìnhĐể xem động cơ Stirling của lon nước ngọt đang hoạt động, hãy xem video này và một số video khác trực tuyến.
Nguồn
Làm cách nào để chuyển sang dầu tổng hợp?
Nhiệt độ Subzero có thể làm hỏng xe của tôi như thế nào?
Làm cách nào để biết máy bơm nhiên liệu của tôi đang hoạt động kém?
Bạn có thể lái một chiếc xe quá nóng đến mức nào?