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

3B SCIENTIFIC

Stirling-Motor transparent U10050

Bedienungsanleitung

03/08 ALF

®

PHYSICS

1 Schwungrad mit Markierung

(zur Bestimmung der Dreh­zahl

2 Motor-Generator-Einheit mit

zweistufiger Riemenscheibe
3 Schalter
4 Glühbirne
5 4-mm-Sicherheitsbuchsen
6 Spiritusbrenner
7 Temperatur-Messstutzen 1
8 Verdrängerkolben
9 Schlauchanschluss mit Kap-

pe für Druckmessungen
10 Temperatur-Messstutzen 2
11 Arbeitskolben
12 Gewindestange M3 (verbun-

den mit Arbeitskolben)

1. Sicherheitshinweise

• Brennspiritus vorsichtig in Spiritusbrenner

einfüllen, darauf achten, dass nichts verschüt­tet wird.

• Spiritusbrenner nie befüllen, solange der Docht

noch glimmt oder eine andere offene Flamme
in der Nähe ist.

• Spiritusflasche nach Gebrauch sofort verschlie-

ßen.

• Nicht in die offene Flamme fassen.

• Vorsicht! Flamme nur mit befestigtem Deckel

löschen.

Der Stirlingmotor erhitzt sich beim Betrieb mit
offener Flamme.

• Während und nach dem Betrieb des Stirling-

motors Verdrängungszylinder nicht berühren.

• Stirlingmotor vor dem Wegräumen abkühlen

lassen.

2. Beschreibung

Der Stirlingmotor ermöglicht die qualitative und
quantitative Untersuchung des Stirlingschen Kreis­prozesses. Er kann in drei verschiedenen Modi
betrieben werden: als Wärmekraftmaschine, als
Wärmepumpe und als Kältemaschine.

Verdrängungszylinder und Verdrängerkolben be­stehen aus hitzebeständigem Glas, Arbeitszylinder,
Schwungrad und Getriebeabdeckungen aus Acryl­glas. Somit lassen sich jederzeit die einzelnen Be­wegungsabläufe sehr gut beobachten. Die Kurbel­wellen sind kugelgelagert und bestehen aus gehär­tetem Stahl. Die Pleuel sind aus verschleißfestem
Kunststoff gefertigt.

Die eingebaute Motor-Generator-Einheit mit zwei­stufiger Riemenscheibe ermöglicht die Umwand­lung der erzeugten mechanischen Energie in elekt­rische Energie. Mit Umschaltmöglichkeit zum Be­trieb einer eingebauten Lampe sowie zum Betrieb
externer Lasten oder zur Einspeisung elektrischer
Energie zum Betrieb als Wärmepumpe oder Kälte­maschine.

Durch Befestigung des im Lieferumfang enthalte­nen Fadens an der Gewindestange am Arbeitskol­ben lässt sich dessen Hubweg messen.

1

3. Technische Daten

Motor-Generator-Einheit: max. 12 V DC
Riemenscheibe zweistufig: 30 mm Ø, 19 mm Ø
Arbeitskolben: 25 mm Ø
Hub Arbeitskolben: 24 mm

25cmmm

Volumenänderung: 24 mm

⎛
⎜

⎝

⎞
⎟

2

⎠

3

=π⋅

12

Minimum Volumen: 32 cm³
Maximum Volumen: 44 cm³
Leistung des

Stirlingmotors: ca. 1 W
Abmessungen: ca. 300x220x160 mm³
Masse: ca. 1,65 kg

4. Schema der Funktionsweise

Der ideale Stirlingprozess läuft in 4 Takten ab (sie­he Fig. 1):

1.Takt: Expansionsphase: Isotherme Zustandsän­derung, die Luft expandiert bei konstanter
Temperatur

2.Takt: Isochore Zustandsänderung, die Luft kühlt
bei konstantem Volumen im Regenerator
ab

3.Takt: Kompressionsphase: Isotherme Zustands­änderung, die Luft wird isotherm kompri­miert

4.Takt: Isochore Zustandsänderung, die Luft wird
im Regenerator wieder auf die Anfangs­temperatur aufgeheizt

Im Stirlingmotor kann dieser Idealfall jedoch nicht
realisiert werden. Durch den Phasenversatz des
Arbeits- und Verdrängerkolbens erreicht man eine
Annäherung an diesen idealen Prozess. Dabei über­lappen sich jedoch die 4 Takte. Bei der Expansion
findet schon ein Gaswechsel von heiß nach kalt
statt und bei der Kompressionsphase befindet sich
noch nicht die ganze Luft im kalten Teil des Mo­tors.

5. Bedienung

5.1 Der Stirlingmotor als Wärmekraftmaschine

• Spiritusbrenner befüllen, in die Aussparung in

der Grundplatte einsetzen, Docht ca. 1 bis 2
mm herausdrehen und entzünden.

• Verdrängerkolben in die hinterste Position

bringen und nach kurzer Erwärmungszeit (ca. 1
bis 2 Minuten) Schwungrad durch leichtes An­schieben in Uhrzeigersinn (aus Blickrichtung
Motor-Generator-Einheit) in Bewegung verset­zen (siehe Fig. 2).

• Gegebenenfalls Spannung des Treibriemens

durch Verschieben der Motor-Generator­Einheit einstellen.

• Glühbirne durch Schalterstellung „oben“ ein-

schalten.

• Alternativ externe Last über die 4-mm-Buchsen

anschließen und in Schalterstellung „unten“

betreiben.
Drehzahl ohne Last: ca. 1000 U/min
Drehzahl mit

Generator als Last: ca. 650 U/min
Generatorspannung: ca. 6 V DC
Druckdifferenz: +250 hPa/-150 hPa

5.2 Der Stirlingmotor als Wärmepumpe oder

Kältemaschine

Zusätzlich erforderlich:
DC-Netzgerät 15 V, 1,5 A U8521121-230

oder
DC-Netzgerät 15 V, 1,5 A U8521121-115

Digital-Thermometer U11818

• Temperatursensoren in die Temperatur-

Messstutzen einsetzen und an das Digital-

Thermometer anschließen (siehe Fig. 3).

• Gleichstromquelle über die 4-mm-Buchsen

anschließen.

• Max. 12 V einstellen und Stirlingmotor in

Schalterstellung „unten“ betreiben.

• Temperaturzunahme bzw. –abnahme beo-

bachten.
Im Betriebsmodus Kältemaschine dreht das

Schwungrad im Uhrzeigersinn (aus Blickrichtung
Motor-Generator-Einheit), im Betriebsmodus Wär­mepumpe entgegen dem Uhrzeigersinn.

• Zum Wechsel der Betriebsmodi Anschlusskabel

umpolen.
Druckdifferenz: +250 hPa/-150 hPa
Motorspannung: 9 V
Drehzahl: 600 U/min
Temperaturdifferenz (bezogen auf 21° C):

Kältemaschine: -4 K (Reservoir: +6 K)
Wärmepumpe: +13 K (Reservoir: -1 K)

5.3 Aufnahme der Betriebsdruckwerte im Ar-

beitskolben

Zusätzlich erforderlich:
3B NETlog
3B NETlab

TM

U11300

TM

U11310

Relativ-Drucksensor ±1000 hPa U11322

• Druckverbindungen zwischen „positiver“

Schlauchwelle der Sensorbox und der

Schlauchanschlussöffnung am Arbeitszylinder

herstellen (siehe Fig. 4).

• Drucksensor mit dem 3B NETlog

• Software starten und Messung durchführen.

TM

verbinden.

2

Fig. 1 Schema der Funktionsweise (A: Verdrängerkolben, B: Arbeitskolben)

Fig.2 Der Stirlingmotor als Wärmekraftmaschine

3

Fig. 3 Der Stirlingmotor als Wärmepumpe oder Kältemaschine

Fig. 4 Aufnahme der Betriebsdruckwerte im Arbeitskolben

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

Technische Änderungen vorbehalten

© Copyright 2008 3B Scientific GmbH

3B SCIENTIFIC

Stirling Engine, Transparent U10050

Instruction Sheet

03/08 ALF

1. Safety instructions

®

PHYSICS

1 Flywheel with marking for

speed determination

2 Motor-generator unit with

2-stage pulley
3 Switch
4 Bulb
5 4-mm safety plugs
6 Alcohol burner
7 Temperature measure-

ment connector 1
8 Displacement piston
9 Capped hose connection

for pressure measure-

ments
10 Temperature measure-

ment connector 2
11 Working piston
12 Threaded rod M3 (con-

nected with the working

piston)

2. Description

• Pour the fuel alcohol carefully into the alco-

holburner, making sure that none of it is spilt.

• Never fill the alcoholburner as long the wick is

still smoldering or another open flame is in
close proximity.

• Immediately close the fuel container after use.

• Keep away from the open flame.

• Caution! Only extinguish the flame by fitting

the cover provided for this purpose.

The Stirling engine becomes hot when it is oper­ated with an open flame.

• Do not touch the displacement cylinder during

or immediately after operation of the Stirling
motor.

• Allow the Stirling engine to cool before putting

it away.

The Stirling engine can be used for qualitative and
quantitative investigations of the Stirling cycle.and
can be operated in three different modes: heat
engine, heat pump and refrigerator.

The displacement cylinder and piston are made of
heat-resistant glass; the working cylinder, flywheel
and transmission covers are made of acrylic glass.
This allows a very clear observation of the indivi­dual motion sequences at all times. The cranks­hafts are equipped with ball bearings and made of
hardened steel. The connecting rods consist of
wear-resistant plastic. The integrated motor­generator unit with a 2-stage pulley allows the
generated mechanical energy to be converted into
electrical energy. A switchover mechanism permits
operation of an integrated lamp or external loads,
as well as a feeding of electrical energy in order to
simulate a heat pump or refrigerator.

By attaching the thin cord supplied with the appa­ratus to the threaded rod on the work piston, the
stroke length can be measured.

1

3. Technical data

Motor-generator unit: max. 12 V DC
2-stage pulley: 30 mm dia., 19 mm dia.
Working piston: 25 mm dia.
Path of working piston: 24 mm

25cmmm

Volumetric change: 24 mm

⎛
⎜

⎝

⎞
⎟

2

⎠

3

=π⋅

12

Minimum volume: 32 cm³
Maximum volume: 44 cm³
Power of the

Stirling motor: 1 W approx.
Dimensions: 300x220x160 mm³ ap-

prox.

Weight: 1.65 kg approx.

4. Functioning principle

An ideal Stirling cycle has 4 phases (refer to Fig. 1):
Phase 1: Isothermal change of state, during which

the air expands at constant temperature.

Phase 2: Isochoric change of state, during which

the air cools at constant volume in the re­generator.

Phase 3: Isothermal change of state, during which

the air is compressed at constant tempera­ture.

Phase 4: Isochoric change of state, during which

the air in the regenerator is heated back to
its initial temperature.

However, the Stirling motor is not capable of
achieving this ideal behaviour. The phase shifts
between the working piston and displacement
piston only allow an approximation of the ideal
process, the 4 different phases exhibiting a certain
degree of overlap: Already during expansion, the
gas temperature changes from hot to cold, and
when compression begins, some of the air has not
yet reached the cold part of the motor.

5. Operation

5.1 The Stirling Engine as a heat engine

• Fill the methylated-spirit burner, place it in the

recess in the base-plate, twist out about 1-2
mm of the wick, and ignite it.

• Move the displacer piston to its farthest-back

position, and after a short heating-up time
(about 1-2 minutes) push the flywheel gently in
the clockwise direction (as seen from the mo­tor-generator unit) to set it turning (see Fig. 2).

• If necessary, adjust the tension of the drive belt

by moving the motor-generator unit.

• Turn on the filament lamp by moving the

switch to the “up” position.

• Alternatively, connect an external load through

the 4 mm sockets and drive it by moving the

switch to the “down” position.
Speed without a load: 1000 rpm approx.
Speed with a generator
as the load: 650 rpm approx.
Generator voltage: 6 V DC approx.
Pressure difference: +250 hPa / -150 hPa

5.2 The Stirling motor as a heat pump or refrig-

erator

Additional instruments needed:
DC Power supply 15 V, 1.5 A U8521121-115

or
DC Power supply 15 V, 1.5 A U8521121-115

Digital thermometer U11818

• Insert temperature sensors into the thermome-

ter sockets and connect them to a measuring

instrument (see fig. 3).

• Connect a DC voltage source through the 4 mm

sockets.

• Adjust the voltage (maximum 12 V) and oper-

ate the Stirling engine with the switch in the

“down” position.

• Observe the increase or reduction in tempera-

ture.
In the refrigerator mode of operation, the flywheeI

rotates in the clockwise direction (as seen from the
motor-generator unit), whereas in the heat pump
mode it rotates in the anticlockwise direction.

• To switch between the two modes of operation,

reverse the polarity of the connections.
Pressure difference: +250 hPa / -150 hPa
Motor voltage: 9 V
Speed: 600 rpm
Temperature difference (with respect to 21° C):

Refrigerator: -4 K (reservoir: +6 K)
Heat pump: +13 K (reservoir: -1 K)

5.3 Recording the operating pressure on the

work piston

Additional instruments needed:
3B NETlog
3B NETlab

TM

U11300

TM

U11310

Relative pressure sensor, ±1000 hPa U11322

• Connect a pressure hoses between the “posi-

tive” hose connector of the sensor box and the

hose connector on the work cylinder (see fig.

4).

• Connect the pressure sensor to the 3B NETlog

• Start the program software and carry out the

TM

.

measurements.

2

Fig. 1 Functioning principle (A: Displacement piston, B: Working piston)

Fig.2 The Stirling motor as a heat engine

3

Fig. 3 The Stirling motor as a heat pump or refrigerator

Fig. 4 Recording the operating pressure on the work piston

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