Stirling motor

Datum:  Februari-Mei 2017

Inleiding:

Bij AliExpress en andere Chinese webwinkels kan men relatief goedkoop bouwpakketjes voor een Stirling motor kopen. Daar kunnen we een aantal experimenten mee uitvoeren.

Materiaal:

  • Bouwpakket Stirling Motor
  • Spiritus
  • Aansteker
  • Mobiele telefoon of Camera
  • Vernier GoLink gekoppeld aan PC met daarop LoggerLite geinstalleerd
  • Vernier Voltage Probe (VP-BTA)
  • CMA  Lichtsensor 0513
  • Multimeter
  • Laser waterpas
  • Klein spiegeltje
  • Dubbelzijdige tape
  • Draad
  • Soldeerstation / soldeer
  • Klemmetje
  • PC met Audacity geïnstalleerd.
  • Online MP4 naar MP3 file conversie tool

https://nl.aliexpress.com/item/So-Cool-hot-sale-Mini-Hot-Air-Stirling-Engine-Motor-Model-Educational-Toy-Kits-best/32789908689.html?spm=2114.48010308.4.2.MYM8c0

 
Voltmeter
Lichtmeter

Laserwaterpas
Multimeter

Uitvoering:

Stirling motor
  • Assembleer de motor volgens de op het web te vinden instructies
  • Vul de brander met spiritus
  • Steek de brander aan en plaats deze onder de grote buis
  • Observeer
  • Maak foto's en filmpjes.
Bepalen van het geproduceerde voltage
  • In de opstelling is een kleine elektromotor opgenomen.
  • Soldeer draden vast aan de contactpunten vaan de electromotor
  • Verbindt deze met de Vernier voltage probe die ingestoken is in de Vernier Go!Link
  • Zorg ervoor dat de draden de werking van de kleine zuiger niet belemmeren, men kan hiervoor het klemmetje gebruiken.
  • Start de PC op en vervolgens de Logger Lite software
  • Stel de meting in op met een meettijd van 60 s waarbij 10 samples/s genomen worden.
  • Steek de brander aan onder de grote buis van de Stirling motor.
  • Wacht tot deze stabiel draait.
  • Start de meting en verwerk de resultaten
Bepalen van de rotatiesnelheid
  • Plak m.b.v. dubbelzijdige tape een klein spiegeltje aan de binnenkant van het grote wiel.
  • Verbindt de lichtmeter met de Vernier Go!Link
  • Start de PC op en vervolgens de Logger Lite software
  • Stel de meting in op met een meettijd van 60 s waarbij 20 samples/s genomen worden.
  • Positioneer laser en lichtmeter zodanig dat er een duidelijk lichtsignaal op de lichtmeer valt.
  • Steek de brander aan onder de grote buis van de Stirling motor.
  • Wacht tot deze stabiel draait.
  • Start de meting en verwerk de resultaten
  • Maak ook een filmpje.
  • Converteer m.b.v. een on-line file conversie tool de MP4 file om naar een MP3 file.
  • Analyseer deze file m.b.v. Audacity.

Resultaten:

Stirling motor

Bovenaanzicht

Zijaanzicht van de Stirling motor in werking

Filmpje van de Stirling motor in werking

YouTube link: Stirling motor
 
Bepalen van het geproduceerde voltage
In onderstaande afbeelding is het "ruwe"meetsignaal te zien. Om dat wat beter te verwerken kan men het als CSV of als txt file exporteren en importeren in Excel voor verdere verwerking.
In onderstaande figuur kan men het opgeschoonde resultaat zien met wat commentaar toegevoegd.
De motor produceert maar ca. 6mV, verrassend weinig. Op het einde van de meting heb ik de Stirling motor even stopgezet om er zeker van te zijn dat ik een geproduceerd signaal aan het meten was. Ook heb ik dit nagemeten met een multimeter (AC mode) maar die gaf hetzelfde resultaat.
In eerste instantie dacht ik dat de pieken die men in het signaal ziet misschien te gebruiken waren voor het  bepalen van de rotatiesnelheid. Aangezien deze echter ook in het "0-signaal" zitten is dat niet mogelijk.
Bepalen van de rotatiesnelheid
In onderstaande afbeelding is het "ruwe"meetsignaal te zien. Om dat wat beter te verwerken kan men het als CSV of als txt file exporteren en importeren in Excel voor verdere verwerking.
In onderstaande figuur kan men het opgeschoonde resultaat zien.
Dit signaal is een beetje ruw. Zomen we in.
Dan tellen we ca. 54 pieken in 10 seconden oftewel een rotatiesnelheid van 5.4/s. Dit zonder rekening te houden met de hoogte van de piek. Uiteindelijk geeft dat een beetje een ongemakkelijk gevoel Kunnen we niet op een andere manier controleren of deze rotatiesnelheid klopt? Na wat nadenken kwam ik tot de conclusie dat dat inderdaad kon nl door het audiosignaal te analyseren dat tijdens het opnemen van de video opgenomen was.

YouTube link: Stirling motor
Filmpje van de Stirling motor tijdens de bepaling van de rotatiesnelheid
Converteren we de MP4 file naar een MP3 file mbv van een online conversietool enl aden de file vervolgens in Audacity in dan krijgen we onderstaand resultaat.
Zomen we weer in.
We moeten bij de analyse van het signaal een beetje rekening houden met de beweging die de zuiger maakt , een heenslag en een terugslag. Dat zien we ook terug in het signaal een "harde" slag en een meer "piep" slag. Als we daar rekening mee houden dan zie we hier ook een rotatiesnelheid van ca. 5.5 rotaties/s.

Discussie & conclusie:

Stirling motor

Alhoewel er verschillende varianten van een Stirlingmotor zijn deze allemaal gebaseerd op het principe dat gassen (in dit geval lucht) bij verwarming uitzetten en bij afkoelen krimpen. Door op een handige manier gebruik te maken van dit verschil in volume/temperatuur kan men dit omzetten in beweging.

In de grote cilinder wordt de lucht opgewarmd door de brander eronder, daardoor gaat de luchtuitzetten en de zuiger beweegt naar een situatie waarin het volume groter is (bij constante druk). De beweging van de zuiger wordt overgebracht naar het vliegwiel waarbij de beweging van het vliegwiel overgebracht wordt op de zuiger van de kleine (koude) cilinder. Deze trekt nu warme lucht uit de grote cilinder (maximaal volume) dat vervolgens afkoelt in de kleine cilinder. De lucht krimpt dan weer waardoor ook de zuigers en dus ook het vliegwiel in beweging komen totdat een minimaal volume bereikt is waarbij de koude lucht weer in de grote cilinder terecht komt en de cyclus weer opnieuw kan beginnen.
 
Al met al begon ik dit experiment met alleen maar de gedachte om de Stirling motor even te laten draaien maar vervolgens probeerde ik er wat meer uit te halen.
Dat is uiteindelijk met de rotatiesnelheids bepaling goed gelukt als was de eerste benadering die ik koos nogal omslachtig. Analyse van het geluidssignaal is in deze veel gemakkelijker.
Waar ik nog niet helemaal uit ben is het minieme voltage dat de elektromotor levert. Volgens mij zou dat normaal heel wat hoger moeten zijn. Een multimeter geeft echter hetzelfde resultaat. Ik heb er nog even over nagedacht om de elektromotor uit de opstelling te halen maar besloot daarvan af te zien omdat het in elkaar sleutelen van de Stirling motor iets meer gepriegel was dan ik oorspronkelijk verwacht had. Ik houd het er maar voorlopig op dat de kwaliteit van deze elektromotor niet zo goed is.

Opmerkingen:

  • De Excel sheet die ik gebruikt heb: EXP1_EXP2.xlsx
  • Het gebruik van de Go!Link maakt een meting gedurende langere tijd met opslag van individuele datapunten mogelijk . Men kan ook een multimeter gebruiken.

Literatuur:

  • Yunus A. Cengle, Michael A. Boles; "Thermodynamics An Engineering Approach"; 3rd Ed; McGraw Hill; 1998; ISBN 0070119279; p. 504-508.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Achtergrondinformatie:

De schotse domine Robert Stirling (1790-1878) is de uitvinder van dit soort motoren, reden waarom die naar hem zijn vernoemd.

Stirlingmotoren worden tegenwoordig toegepast bij onder andere warmte-krachtkoppeling oftewel WKK. Daarnaast kunnen stirlingmotoren worden toegepast in cv-ketels om verwarming te genereren van 1,5 of 10 kW. Dit wordt ook wel micro-warmte-krachtkoppeling genoemd. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van thermoakoestische stirlingmotoren die lineair trillend werken. In deze variant van stirlingmotoren wordt wisselstroom opgewekt die rechtstreeks aan het net kan worden geleverd.
Thermodynamica van de Stirling motor
Theoretisch gezien kan men 4 fasen onderscheiden gedurende elke cyclus.

i. Een isotherme verandering als warmte wordt toegevoerd en arbeid geproduceerd wordt:

ii. Een isochore verandering als het gas afkoelt:

iii. Een isotherme verandering als warmte geproduceerd wordt en arbeid toegevoegd:

iv. Een isochore verandering als warmte toegevoerd wordt aan het systeem:

Volgens de eerste wet van de thermodynamica geldt dat als thermische energie wordt toegevoegd aan een geïsoleerd system de hoeveelheid even groot is als de som van de inwendige energie toename en de mechanische arbeid die verricht wordt:

Voor de Stirling motor is het van beland dat the thermische energie die geproduceerd wordt in de isochore stap opgeslagen kan worden en later weer gebruikt kan worden tijdens de isoschore opwarmingsstap (regeneratie principe) . Dientengevolge wordt, gedurende fase IV de hoeveelheid thermische energie vrijgegeven tijdens fase II, regeneratief geabsorbeerd. Dit betekent dat er alleen maar een uitwisseling van thermische energie plaatsvindt binnen de motor. Mechanische arbeid wordt toegevoegd tijdens fase I en III. Aangezien de inwendige energie niet veranderd gedurende isotherme processen zal de arbeid die uitgevoerd wordt in deze fases gelijk zijn aan de hoeveelheid geabsorbeerde of vrijgegeven thermische energie.  
Aangezien

Waarin n het aantal mol opgeslagen in het systeem is en R de gas constant geldt voor de hoeveelheid arbeid geproduceerd tijdens fase I:

Dientengevolge is de hoeveelheid arbeid toegevoegd tijdens fase III:



aangezien

De totale hoeveelheid arbeid is dan de som van W1 en W3, hetgeen gelijk is aan het oppervlakte in het pV diagram:

Slechts een deel van de totale effectieve energie Wt kan gebruikt worden als effectieve arbeid Wm door externe belasting op de motor. De resterende hoeveelheid vertegenwoordigd verlies in de Stirling motor zelf. De maximale thermische efficiëntie van een reversibel proces van een thermische motor is gelijk aan de verhouding tussen de totale hoeveelheid werk W1 en de hoeveelheid toegevoegde thermische energie:

Volgens Carnot is dit de theoretische maximaal haalbare thermische efficiëntie van een thermische motor. De efficiency neemt af met toenemende temperatuurverschillen.

28/05/2017