3B Scientific Stirling Engine D User Manual [en, de, es, fr, it]

3B SCIENTIFIC

Bedienungsanleitung

05/10 THL/ALF

PHYSICS

Stirling-Motor D U8440450

1 Grundplatte 2 Aussparung für Teelicht 3 Heizplattenanschluss 4 Schlauchanschlussstutzen mit Verschlusskappe 5 Stativsäule 6 Schwungstange mit Massen 7 Exzenter mit Nut

8 Winkelscheibe 9 Zugfeder 10 Pleuel mit Haken 11 Arbeitskolben (Membran) 12 Obere Platte 13 Verdrängerkolben 14 Untere Platte mit elektrischer Heizung

1. Sicherheitshinweise

Beim Arbeiten mit offener Flamme besteht Brandund Verletzungsgefahr!

• Beim Umgang mit offener Flamme und flüssi-

gem Wachs besondere Vorsicht walten lassen.

• Der Stirling-Motor darf nicht gleichzeitig elekt-

risch und mit Teelicht beheizt werden. Dies kann zur Beschädigung des Geräts führen.

• Bei Betrieb des Stirling-Motors mit einem Spot-

light oder Sonnenlicht ist unbedingt darauf zu achten, dass die roten Kunststoffteile nicht intensiver Wärmestrahlung ausgesetzt werden.

2. Beschreibung

Der Stirling-Motor D ist ein für den Unterricht optimiertes Funktionsmodell zur Demonstration der Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie sowie zur Untersuchung des Stirling’schen Kreisprozesses.

Der Verdrängerkolben bewegt sich diskontinuierlich mit einer Verweilzeit während der Erwärmung und während der Abkühlung des Arbeitsmediums Luft. Dadurch wird der ideale Stirling’sche Kreisprozess besser ausgefahren als dies bei kontinuierlicher Kolbenbewegung der Fall wäre und es wird ein höherer Wirkungsgrad erreicht. Die Steuerung des Verdrängerkolbens erfolgt über die Winkelscheibe. Bei Wärmezufuhr von unten über die Heizplatte oder eine Kerzenflamme eilt der Verdrängerkolben dem Arbeitskolben (Membran) um ca. 100° voraus. Der optimale Winkel ist technisch bedingt drehzahlabhängig.

Zur Wärmezufuhr kann wahlweise eine integrierte elektrische Heizplatte, ein Teelicht oder die gebündelte Wärmestrahlung der Sonne bzw. einer Lampe genutzt werden. Dabei hängt die Drehrichtung davon ab, ob die Wärmezufuhr von oben oder von unten erfolgt.

Zur Aufnahme von pV-Diagrammen kann die Druckmessung im Arbeitszylinder über einen Schlauchanschlussstutzen bewerkstelligt werden und die Volumenbestimmung durch Befestigen eines Fadens am Haken des Pleuels zur Messung des Hubweges des Arbeitskolbens.

3. Lieferumfang

1 Stirling-Motor D U8450450 1 Satz Transportsicherung (Schaumstoffblock,

Gummiring und Arretierstab)

4. Zubehör

Ergänzungssatz Stirling-Motor D U8440455 Der Ergänzungssatz Stirling-Motor D stellt die Zu-

behörteile bereit, die zum Aufbau der Sensoren nötig sind. Der Satz besteht aus:

1 Auflageplatte für die Montage des Wegaufnehmers (U11371)

1 Rändelschraube zur Befestigung der Auflageplatte auf der Stativsäule

1 Stiel mit Magnetfuß für den Wegaufnehmer 1 Silikonschlauch zum Anschluss des Relativ-Druck-

sensors ±100 hPa (U11321) 1 Fadenset mit Saugnapf 2 Massestücke mit Haken je 20 g

5. Technische Daten

Heizspannung: 8 – 15 V, 1,5 A Gasvolumen: 330 cm³ – 345 cm³ Drehzahl: 30 – 100 U/min Abmessungen

ohne Schwungstange: 260×185×330 mm³ Schwungstange: 400 mm Masse: 2,2 kg

6. Funktionsprinzip

Die Funktionsweise des Stirling-Motors kann vereinfachend in die folgenden vier Takte unterteilt werden:

Wärmezufuhr: Zur Wärmezufuhr bewegt sich der Verdrängerkol-

ben (P1) aufwärts und verdrängt die Luft nach unten in den geheizten Bereich des Verdrängungszylinders. Temperatur und Druck steigen annähernd isochor an. Der Arbeitskolben befindet sich währenddessen im unteren Totpunkt (siehe Fig. 1). Der Verdrängerkolben läuft dem Arbeitskolben vorraus und erreicht den oberen Totpunkt. Die Luft hat nun das kleinste Volumen, die höchste Temperatur und den höchsten Druck (siehe Fig. 2).

Expansion: Die erwärmte Luft expandiert annähernd isotherm

und treibt den Arbeitskolben (P2) nach oben. Dabei

wird mechanische Arbeit über die Kurbelwelle an die Schwungstange abgegeben. Das Luftvolumen wird größer, die Luft nimmt Wärme auf und der Druck verringert sich (siehe Fig. 3).

Wärmeabgabe: Bei der Wärmeabgabe befindet sich der Arbeitskol-

ben im oberen Totpunkt während sich der Verdrängerkolben (P1) abwärts bewegt und die Luft in den oberen Bereich des Verdrängungszylinders verdrängt. Die Luft wird abgekühlt und die obere Platte nimmt Wärme auf. Der Verdrängerkolben erreicht den unteren Totpunkt (siehe Fig. 4 und 5).

Kompression: Die abgekühlte Luft wird isotherm durch den sich

nach unten bewegenden Arbeitskolben komprimiert. Die mechanische Arbeit hierfür wird durch die Schwungstange geliefert (siehe Fig. 6).

Fig. 1 Wärmezufuhr

Fig. 2 Wärmezufuhr

Fig. 4 Wärmeabgabe

Fig. 5 Wärmeabgabe

Fig. 3 Expansion

Fig. 6 Kompression

7. Erstinbetriebnahme

• Netzgerät an das Buchsenpaar anschließen und

eine Heizspannung bis 12 V (ca. 1,5 A) einstellen.

• Nach einer Aufheizzeit von ca. 1 bis 2 Minuten

Schwungstange mit Drehrichtung im Uhrzeigersinn bei Blickrichtung von vorn auf den Motor anstoßen.

• Falls der Stirling-Motor sich nicht selbständig

weiterdreht, den Anstoß nach ca. 1 min wiederholen.

Die Motordrehzahl verhält sich annähernd proportional zur Temperaturdifferenz zwischen oberer Platte und unterer Platte und ist damit weitgehend von der zugeführten Wärme abhängig.

• Heizspannung schrittweise bis auf 8 V reduzie-

ren und Abnahme der Drehzahl beobachten.

8.1.2 Heizung mit einer Kerzenflamme

• Teelicht entzünden und auf eine hitzeresisten-

te Unterlage stellen.

• Stirling-Motor mit seiner zentrischen Ausspa-

Fig. 7 Stirling-Motor in gesichertem Zustand

• Gummiring (3) vom Sicherungshaken (4) für

den Verdrängerkolben abnehmen und Haken aus dem Schlauchanschlussstutzen herausziehen.

• Schlauchanschlussstutzen mit roter Verschluss-

kappe (5) abdichten.

• Schaumstoffblock (2) zwischen Stativsäule und

Schwungmasse entnehmen.

• Arretierschraube (1) lösen, Schwungstange

horizontal im Gleichgewicht ausrichten und Ar-

retierschraube wieder festziehen. Der Motor ist damit betriebsbereit. Der Transport des Stirling-Motors darf nur mit

gesichertem Verdrängerkolben erfolgen.

• Dazu Verschlusskappe vom Schlauchanschluss-

stutzen entfernen, Sicherungshaken wieder

einsetzen und mit dem Gummiring sichern.

• Schwungstange arretieren.

8. Bedienung

8.1 Betrieb als Wärmekraftmaschine

8.1.1 Elektrische Heizung

Zur elektrischen Beheizung des Stirling-Motors ist folgendes Netzgerät empfehlenswert:

1 DC-Netzgerät 15 V, 1,5 A (230 V, 50/60 Hz) U8521121-230 oder 1 DC-Netzgerät 15 V, 1,5 A (115 V, 50/60 Hz) U8521121-115

rung über das Teelicht stellen.

• Einige Minuten abwarten bis sich die untere

Platte erhitzt hat.

• Schwungstange mit Drehrichtung im Uhrzei-

gersinn bei Blickrichtung von vorn auf den Motor anstoßen.

• Falls der Stirling Motor sich nicht selbständig

weiterdreht, den Anstoß nach ca. 1 min wiederholen.

8.1.3 Heizung mit einer Lampe (Spotlight)

• Obere Platte des Stirling-Motors von oben aus

einer Entfernung von 1 bis 2 cm einer 60-WGlühlampe mit eingeschränktem Abstrahlwinkel (Spotlight) bestrahlen. Die untere Platte kühlt in diesem Falle die Luft im Verdrängerzylinder ab.

• Alternativ die obere Platte mit durch einen

Hohlspiegel gebündeltes Sonnenlicht beheizen.

• Etwa 8 bis 10 Minuten abwarten bis sich die

obere Platte erhitzt hat.

• Schwungstange mit Drehrichtung gegen den

Urzeigerrichtung bei Blickrichtung von vorn auf den Motor anstoßen.

• Falls der Stirling-Motor sich nicht selbständig

weiterdreht, den Anstoß nach einiger Zeit wiederholen.

8.2 Aufnahme des pV-Diagramms

Zur Aufnahme des pV-Diagramms sind folgende Geräte zusätzlich erforderlich:

1 Ergänzungssatz Stirling-Motor D U8440455 1 3B NETlog™ (230 V, 50/60 Hz) U11300-230

oder

1 3B NETlog™ (115 V, 50/60 Hz) U11300-115 1 3B NETlab™ U11310 1 Relativ-Drucksensor ±100 hPa U11321 1 Wegaufnehmer U11371 1 DC-Netzgerät 15 V, 1,5 A (230 V, 50/60 Hz)

U8521121-230 oder 1 DC-Netzgerät 15 V, 1,5 A (115 V, 50/60 Hz) U8521121-115

• Relativ-Drucksensor mit dem Silikonschlauch

an den Schlauchanschlussstutzen anschließen.

• Auflageplatte mit der Rändelschraube auf der

Stativsäule befestigen.

• Stiel mit Magnetfuß in den Wegaufnehmer

schrauben und auf die Auflageplatte platzieren.

• Schraube an der Rolle des Wegaufnehmers

lösen. Faden ein Mal um die Rolle legen, aus

der Aussparung herausführen und eine Schlau-

fe um die Schraube legen. Mit der Schraube

den Faden fixieren (siehe Fig. 8).

• Das eine Ende des Fadens am Pleuelhaken

befestigen, ans andere Ende ein Massestück

hängen.

• Einen zweiten Faden mittels des Saugnapfs auf

der Grundplatte befestigen. Faden über die Nut

im Exzenter legen und das zweite Massestück

als Last ans freie Ende hängen.

Fig. 8 Schematische Darstellung der Führung des Fadens um die Rolle am Wegaufnehmer (U11371)

• Dieses Massestück dient als Last und sorgt

dafür, dass das pV-Diagramm besser ausgefahren wird.

• Netzgerät an die Heizplatte anschließen und

eine Spannung bis 12 V (ca. 1,5 A) einstellen.

• Beide Sensoren am Interface 3B NETlog™ an-

schließen.

• Software in Computer starten.

• Nach der Aufwärmzeit den Stirling-Motor durch

Anstoßen im Uhrzeigersinn starten.

• Messung in der Software starten. Daten aus-

werten.

Fig. 9 Experimenteller Aufbau zur Aufnahme des pV-Diagramms

Fig. 10 Druck-Volumen-Diagramm des Stirling-Motors D

Elwe Didactic GmbH • Steinfelsstr. 6 • 08248 Klingenthal • Deutschland • www.elwedidactic.com

3B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Deutschland • www.3bscientific.com

Technische Änderungen vorbehalten

3B SCIENTIFIC

Stirling Engine D U8440450

Instruction manual

05/10 THL/ALF

PHYSICS

1 Base plate 2 Hole for tea candle 3 Hot plate connector 4 Hose nozzle with sealing cap 5 Stand 6 Rotor with weights 7 Eccentric with groove

8 Torque disc 9 Tension spring 10 Connector rod with hook 11 Working piston (membrane) 12 Upper plate 13 Displacement piston 14 Lower plate with electric heater

1. Safety instructions

When working with naked flames, there is always a risk of fire and injury.

• Take extra care when handling naked flames

and molten wax.

• The Stirling engine may not be heated electri-

cally at the same time as it is being heated by a

candle. There is a risk of damage to the

equipment.

• When operating the Stirling engine using a

spotlight or sunlight, it is essential that care be

taken not to expose the red plastic components

to intense heat.

2. Description

The Stirling engine D is a fully functional model, optimised for teaching purposes and intended to demonstrate how thermal energy can be converted to mechanical energy as well as for investigating the Stirling cycle.

The displacement piston moves discontinuously with a delay during heating and cooling of the working medium, air. This emulates the ideal Stirling cycle better than would be the case with a continuously moving piston and also makes for improved efficiency. The motion of the displacement piston is controlled by the torque disc. When heat is supplied from below, either by means of the electric heater or by a candle flame, the displacement piston precedes the working piston (membrane) by about 100°. The optimum angle is technically dependent on the speed of rotation.

Heat can be supplied either by the built-in electric hot plate, a candle or by focussed heat radiation from the sun or by a lamp. The direction of rotation depends on whether the heat is supplied from above or below.

To record pV diagrams, the pressure in the working cylinder can be measured by means of a hose attached to the nozzle provided and the volume can be determined by attaching a thread to the hook on the connecting rod in order to measure the stroke of the working piston.

3. Scope of delivery

1 D-series Stirling engine U8450450 1 Set of transport packaging (foam plastic block,

rubber band and retaining rod)

4. Accessories

Supplementary set for Stirling engine D U8440455

The supplementary set for the D-series Stirling engine provides accessories necessary for constructing sensors. The set consists of the following:

1 Base plate for assembly of displacement sensor (U11371)

1 Knurled screw for attaching the base plate to the stand

1 Stem with a magnetic base for the displacement sensor

1 Silicone tube for attaching a relative pressure sensor, ±100 hPa (U11321)

1 Set of threads with suction cup 2 Weights with hook, both 20 g

5. Technical data

Heater voltage: 8 – 15 V, 1.5 A Gas volume: 330 cm³ – 345 cm³ Speed: 30 – 100 rpm Dimensions

not including rotor: 260×185×330 mm

Rotor: 400 mm Weight: 2.2 kg

6. Operating principle

The principle of a how a Stirling engine works can be divided, in simplified form, into the following four processes:

Heating: During the heating phase, the displacement piston

(P1) moves upwards so that air is displaced down into the heated part of the displacement cylinder. Temperature and pressure both rise in a fashion that is almost isochoric. The working piston is in its lower rest position (bottom dead centre) at this point (see Fig. 1). The displacement piston moves in advance of the working piston till it reaches its top dead centre position. This is the point where the air is at its lowest volume, but highest temperature and pressure (see Fig. 2).

Expansion: The heated air expands almost isothermally, thus

forcing the working piston (P2) upwards. In the process, mechanical work is transferred via the shaft to the rotor. The volume of air increases as the air absorbs heat and the pressure reduces (see Fig. 3).

Cooling: Cooling occurs while the working piston is at top

dead centre and the displacement piston (P1) is on its downstroke, forcing air to move into the upper part of the displacement cylinder. The air then cools and the upper plate absorbs heat. The displacement piston finally reaches bottom dead centre (see Figs. 4 and 5).

Compression: The cooler air is compressed isothermally by the

working piston moving downwards. The mechanical work needed for this is supplied by the rotor acting as a flywheel (see Fig. 6).

Fig. 3 Expansion

Fig. 1 Heating

Fig. 2 Heating

Fig. 4 Cooling

Fig. 5 Cooling

Fig. 6 Compression

7. Getting the engine ready for use

Fig. 7 Stirling engine as secured for storage

• Remove the rubber band (3) from the securing

hook (4) for the displacement piston and take

the hook out of the hose nozzle.

• Seal off the hose nozzle with the red cap (5).

• Remove the foam plastic block (2) between the

stand and the rotor weight.

• Undo the securing screw (1), align the rotor

horizontally so that it is balanced and tighten

the screw back up again. The engine is then ready for use. The Stirling engine must not be transported unless

the displacement piston is secured.

• To secure it, take the sealing cap of the hose

nozzle, put the securing hook back in and se-

cure it in place with the rubber band.

• Secure the rotor as well.

8. Operation

8.1 Operation as a heat engine

8.1.1 Electric heating

The following power supplies are recommended for heating the Stirling engine electrically:

1 DC power supply, 15 V, 1.5 A (230 V, 50/60 Hz) U8521121-230 or 1 DC power supply, 15 V, 1.5 A (115 V, 50/60 Hz) U8521121-115

• Connect the power supply to the pair of sockets

and set the heater voltage up to 12 V (1.5 A approx.).

• After heating for about one or two minutes,

start the engine by pushing the rotor clockwise as seen from the front of the engine.

• If the Stirling engine fails to keep moving of its

own accord, wait about a minute longer and push the rotor round again.

The speed of the engine is nearly proportional to the difference in temperature between the top plate and the bottom plate and is thus largely dependent on the heat supplied.

• Reduce the heater voltage in steps down to

about 8 V and observe how the speed reduces.

8.1.2 Heating via a candle flame

• Light a tea candle and place it on a heat-

resistant mat.

• Place the Stirling engine over the candle so the

hole in the middle is over the flame.

• Wait for several minutes until the lower plate

has heated up.

• Push the rotor clockwise as seen from the front

of the engine.

• If the Stirling engine fails to keep moving of its

own accord, wait about a minute longer and push the rotor round again.

8.1.3 Heating via a lamp (spotlight)

• Shine a light on the top plate from about 1 or 2

cm using a lamp with a 60-W bulb and a focussed beam (spotlight). In this case it is the lower plate that will cool the air in the displacement cylinder.

• Alternatively, the upper plate can be heated

via sunlight focused using a concave mirror.

• Wait for about 8 to 10 minutes until the upper

plate has heated up.

• Push the rotor anti-clockwise as seen from the

front of the engine.

• If the Stirling engine fails to keep moving of its

own accord, wait about a minute longer and

push the rotor round again.

8.2 Recording a pV diagram

To record a pV diagram, the following pieces of equipment are also required:

1 Supplementary set for Stirling engine D U8440455 1 3B NETlog™ unit (230 V, 50/60 Hz) U11300-230

or 1 3B NETlog™ unit (115 V, 50/60 Hz) U11300-115

1 3B NETlab™ program U11310 1 Relative pressure sensor, ±100 hPa U11321 1 Displacement sensor U11371 1 DC power supply, 15 V, 1.5 A (230 V, 50/60 Hz)

U8521121-230 or 1 DC power supply, 15 V, 1.5 A (115 V, 50/60 Hz) U8521121-115

• Connect the relative pressure sensor to the

hose nozzle using silicone tubing.

• Attach the base plate to the stand using the

knurled screw.

• Screw the stem with the magnetic base into the

displacement sensor and place it on the base

Fig. 8 Schematic illustration of how the thread is wound around the pulley of the displacement sensor (U11371)

• Connect the power supply to the heater plate

and set the voltage up to 12 V (1.5 A approx.).

• Connect both sensors to the 3B NETlog™ inter-

face.

• Run the software on a computer.

• After the Stirling engine has heated up, start it

running by pushing the rotor in a clockwise direction.

• Start a measurement using the software and

evaluate the data.

plate.

• Loosen the screw on the displacement sensor’s

pulley. Wind a thread once around the pulley

and lead it out of the recess placing a loop

around the screw. Use the screw to fix the

thread in place (see Fig. 8).

• Attach one end of the thread to the hook of the

connector rod and suspend a weight from the

other end.

• Use the suction pad to attach a second thread

to the base plate. Thread this over the groove

in the eccentric and use the other weight as a

load on the free end.

• This load ensures that the pV diagram comes

out better.

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