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

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

2

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).

P1

Fig. 1 Wärmezufuhr

Fig. 2 Wärmezufuhr

P

P1

V

Fig. 4 Wärmeabgabe

P

V

Fig. 5 Wärmeabgabe

P

V

P

V

P2

Fig. 3 Expansion

P

P2

V

Fig. 6 Kompression

P

V

3

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

4

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

5

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

© Copyright 2010 3B Scientific GmbH

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

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

3

Rotor: 400 mm
Weight: 2.2 kg

2

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

P

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

P

P1

Fig. 1 Heating

Fig. 2 Heating

V

P1

Fig. 4 Cooling

P

P

V

Fig. 5 Cooling

P

P2

V

3

P

P2

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.

4

• 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.

5