Temperatura pracy modeli silników Stirlinga
Zapewne osoby zainteresowane budową modeli silników Stirlinga zadają sobie pytanie o rzeczywiste temperatury ich pracy. Dlaczego chociaż trochę powinny się tym zainteresować? Ponieważ od tego zależą materiały jakich należy użyć oraz technologia budowy modelu. Temperatura pracy będzie miała wpływ również na wyniki obliczeń termodynamicznych, o ile oczywiście ktoś pokusi się aby je przeprowadzić.
Oczywiście prowadzone przez nas pomiary termowizyjne są pobieżne. Modele nie zostały należycie przygotowane do testów. Tzn. Aby pomiary były w pełni miarodajne, należało by badane modele polakierować czarną matową farbą. Zapewniło by to prawidłowe warunki wypromieniowywania ciepła oraz zapobiegło odbiciom obrazu w błyszczących elementach maszyn. Mimo to wykonane zdjęcia termowizyjne wystarczają aby się zorientować w warunkach pracy modeli. Każda ilustracja jest podzielona: Na lewym zdjęciu widać obraz termowizyjny, na prawym panoramiczny obraz w świetle widzialnym. Obraz termowizyjny jest oczywiście jego fragmentem obejmującym ok. 30% pola widzenia (przesunięty trochę na lewo). Kamera nie robi obydwu zdjęć równocześnie, dlatego obydwa obrazy mogą być dodatkowo przesunięte lub obrócone względem siebie.
Na początek przyjrzyjmy się naszemu ulubionemu modelowi. Silniki tej serii były przez nas dość dobrze dopracowane. A nawet przebadane. Tzn. w swoim czasie, trochę "dla jaj", zbadaliśmy nawet przebiegi ciśnienia wewnątrz silnika i wykonaliśmy wykres indykatorowy. Stąd wiemy, że model osiągał moc indykatorową ok. 2,5W :)
Ale co z temperaturą pracy?
Chwilę po podpaleniu palnika wygląda to tak:
Widać, że palnik jeszcze jeszcze się nie rozpalił. 30 sekund później, gdy silnik może już pracować, jest już tak:
Warto zwrócić uwagę, że temperatura części gorącego denka przekracza 150 °C. Górnej granicy temperatury (rozżarzone włókna knota palnika) niestety się nie dowiemy, ponieważ w zastosowanym trybie pracy kamera termowizyjna kończyła zakres swojej pracy na 360 °C. Na kolejnym zdjęciu wykonanym parę minut później, efekt już nie występuje. Prawdopodobnie luźne włókna knota już się wypaliły, a temperatura denka oscyluje w granicach 180-200°C:
Popatrzmy co się dzieje w górnej części modelu:
Niewiele. Niestety obudowa płaszcza wodnego (pustego) utrudnia nam obserwację cylindra wyporowego. Spójrzmy zatem pod innym kątem:
Oczywiście górne denko nie ma temperatury 20 °C. Jaka panuje tam temperatura informują nas króćce. Trzeba przyznać, że jest tam dość chłodno. Widać też, że temperatura czynnika roboczego przy wlocie do rurki łączącej cylindry wynosi ok. 30 °C. Popatrzmy na całą rurkę:
Czyli temperatura czynnika roboczego wzdłuż rurki spada i tłok roboczy pracuje w zasadzie w temperaturze pokojowej. Warto zwrócić uwagę na duży gradient temperatury obudowy płaszcza wodnego. Spowodowany jest on brakiem wody. Oczywiście nie można przyjąć, że płaszcz wodny (lub inny radiator) jest niepotrzebny. Pamiętajmy, że silnik pracował dopiero paręnaście minut. Po paru godzinach pracy na pewno jego temperatura była by znacznie wyższa. Na niektórych imprezach edukacyjnych nasze modele pracowały nawet po 6 godzin non-stop zachowując sprawność techniczną. Oczywiście w płaszczu wodnym z wodą ;) Co się stanie po napełnieniu płaszcza wodą? Temperatura części zimnej trwale się ustabilizuje:
A to już inny model. Konstrukcyjnie zbliżony do poprzedniego. Głównie różni się ogromnym cylindrem wyporowym o wielokrotnie większej objętości niż w w/w modelu przy zachowanym rozmiarze cylindra roboczego. Ten silnik jest także dużo lepiej ogrzewany, choć w mało profesjonalny sposób. Uzyskiwane temperatury w części gorącej są naprawdę poważne:
Oczywiście model nie znajduje się w piekarniku. Z uwagi na wyższe temperatury kamera pracowała w zakresie pomiarowym od 80 do 650 °C. Więc wszystko co jest chłodniejsze niż 80 °C jest odcięte na tym poziomie temperatury. Z zastosowania "otwartego" palnika można wyciągnąć jeszcze jeden wniosek. A mianowicie, jak łatwo jest przegrzać taki silnik. Pierwszy z omawianych silników też był początkowo także ogrzewany w taki sposób. Jednak uzyskiwane parametry pracy były mniej więcej podobne jak w wypadku małych "dedykowanych" palników z malutkimi płomyczkami - temperatura o ponad połowę mniejsza, a wyniki podobne. Wróćmy do "dużego" modelu. Co się dzieje w jego części zimnej? Ano nic. Nadal jest zimno mimo braku chłodzenia, tj. radiatora lub płaszcza wodnego:
Zdjęcie panoramiczne w świetle IR palnika. Dodam, że ten model ma na tyle dużą moc, aby napędzić prądniczkę wykonaną z miniaturowego silniczka elektrycznego:
Kolejny silnik. To dość popularny komercyjny model. Palnik oczywiście jest nieoryginalny, ale temperatura całkiem zdrowa. Mimo to w części zimnej nie dzieje się absolutnie nic ciekawego (zakres pracy kamery od 80 do 650 °C):
Szczegóły części zimnej:
W końcu model niskotemperaturowy. To klasyczny Japoński, ekonomiczny, masowo produkowany model do samodzielnego montażu. Nie trudno zauważyć, że jego paliwo, czyli kawa rozpuszczalna, zaraz będzie miała idealną temperaturę do wypicia ;)
W części zimnej niewiele się dzieje:
Z boku też:
Należy jednak zwrócić uwagę, że poza denkami wykonanymi z cienkiej blachy prawie wszystkie elementy tego modelu wykonane są z tworzyw sztucznych. Nawet tak niewielkie różnice temperatur pomiędzy różnymi częściami modelu są sporym wyzwaniem wytrzymałościowym dla tych tworzyw. Cylinder wyporowy podlega relatywnie sporym naprężeniom. W połączeniu z marną jakością tworzywa skutkuje to jego zmęczeniowym pękaniem w perspektywie parudziesięciu godzin pracy lub paru lat postoju na półce. Na koniec panoramiczny rzut okiem na model:
Tekst przygotował: dr inż. Szymon Dowkontt.
