Remarques sur le modèle de construction moteur à air chaud
NOTES SUR LES MOTEURS AIR CHAUD
1. Une quantité d'air de l'air à volume V et de la température T est comprimé au volume V2 sans changement de température (à savoir par application d'un dissipateur de chaleur).
2. L'air est ensuite comprimé à volume V3 au cours de laquelle la température monte à T2 (dissipateur de chaleur enlevée).
3. Une source de chaleur à la température T2 est ensuite appliquée à l'air pour dilater qui est autorisé à se dilater à partir de V3 à V2 (pas de changement de la température).
4. La source de chaleur est ensuite éliminé et l'air peut se dilater à son volume initial V avec la température tombant de T2 avant de T.
Carnot a trouvé expérimentalement que la quantité d'énergie produite par l'expansion de l'air de retour à V2 V est supérieure à celle requise pour comprimer l'air de V à V2. donnant un excès de puissance. « L'air alors », Carnot a déclaré, « a servi de moteur thermique: nous avons en effet, employé dans le plus d'avantages possible de manière, sans inutile rétablissement de l'équilibre a été effectué par le calorique. »
Carnot a également réalisé que la puissance développée dépend de la chute de température et établit la proposition générale La force motrice de la chaleur est indépendante des agents employés pour le réaliser, sa quantité uniquement fixée par la température des corps entre lesquels il est effectué, enfin, le transfert de calories. Cela signifie que l'efficacité théorique ne dépend que des limites de température entre lesquelles le moteur fonctionne-à-dire ((T max - T min) / T max), bien que Carnot a réalisé que ne pouvait avoir lieu que s'il n'y avait pas de transfert de chaleur directe entre les organismes de différents température.
1. Un moyen d'obtenir une compression isotherme à une température basse.
2. Un moyen d'obtention d'une détente isotherme à une température élevée.
3. différence la plus importante possible de la température.
4. Aucun transfert de chaleur directe entre les extrémités chaudes et froides.
Une étude de la conception du moteur à air chaud au cours des 200 dernières années, indique qu'aucun des ci-dessus peut être entièrement incorporé dans un design pratique et un compromis doit être trouvé entre la théorie et ce qui est facile à réaliser avec des matériaux à portée de main.
La mise en page qui a prouvé au fil des années le plus de succès et populaire est la conception inventée en 1794 par, l'Anglais, Thomas Mead, puis plus tard repris et développé, en Ecosse, par les frères et les autres Stirling. Cette conception (Fig. 1) est constitué d'un tube à extrémité ouverte munie d'un piston de puissance P et un piston de déplacement D. L'extrémité supérieure est maintenue froide et le fond maintenu chaud. D sert à déplacer l'air enfermé dans le chaud au bout froid de la chambre. Le mode de fonctionnement est le suivant:
1. D au bas de sa course et P au sommet de sa course. L'air enfermé est à l'extrémité froide.
2. P se déplace vers le bas de sa course de manière à comprimer l'air enfermé, toute la chaleur résultant de la compression de l'air en cours de suppression par le refroidisseur. (Compression isotherme à T min.)
3. D se déplace du bas de sa course vers le haut de sorte que l'air enfermé déplacement du froid au bout chaud, l'air chauffé deviendront et la pression va augmenter. (Transfert de chaleur à volume constant).
4. P est ensuite repoussé au sommet de sa course. (Dilatation isotherme à T max.)
5. D se déplace du haut vers le bas de sa course, l'air est déplacé en arrière à partir du chaud au bout froid et les élimine plus froides restantes chaleur de l'air. (Transfert de chaleur à volume constant).
6. Le cycle se répète.
Pour simplifier l'appareil de chauffage et de refroidissement ne figurent pas dans le schéma.
De Meads conception de 1794 à l'heure actuelle, tous les concepteurs de moteurs à air chaud ont été confrontés à des problèmes et pratiquement tous les brevets retirés depuis, il a été des améliorations suivantes dans un ou l'autre.
1. Comment transférer efficacement la chaleur de la source de chaleur à l'air.
2. Comment la chaleur efficacement abstraite wast à la fin froide.
3. Comment réduire le transfert de chaleur le long des parois de la chambre de chauffage et à travers le plongeur.
4. Comment conduire le déplacement et le décalage de l'air entre les extrémités chaudes et froides.
Comme on peut le voir dans les pages d'ingénieur modèle. le problème auquel sont confrontés dans la fabrication de moteurs à air chaud n'est pas tant sur d'évoluer un design efficace, mais faire un qui fonctionne réellement! Les modèles suivants ont été mises au point par l'expérience de l'auteur et de donner une mise en page du moteur assez compact, qui, bien que thermodynamiquement pas très efficace est capable de donner une puissance raisonnable.
. La figure 2 montre une disposition de conception Stirlings de 1815 avec le paramètre de conception ci-dessous:
je. longueur de la chambre de refoulement L = 3 fois son diamètre.
ii. longueur de la chambre de chauffe-eau = 2 / 3L
iii. longueur du refroidisseur = 1 / 3L
iv. volume balayé de déplaceur = 1,5 fois balayé volume de cylindre de piston.
v. = longueur du déplaceur 2 / 3L et la course = 1 / 3L.
L'idée d'avoir la chambre chaude plus longtemps que le refroidisseur est d'obtenir un gradient de température du chaud au bout froid du cylindre de déplacement. Même en utilisant un tube à paroi mince pour le dispositif de chauffage il est lié à une certaine conduction de chaleur le long du tube et l'extension de la longueur est une façon de réduire; Cette caractéristique se trouve dans de nombreux vieux modèles de moteurs, mais dans les conceptions modernes de métaux spéciaux sont utilisés pour résoudre ce problème. Le cylindre de déplacement est le mieux réalisé en deux parties assemblées avec une faible rondelle de conduction de chaleur. J'utilise le tube en laiton car il est facile de travailler avec, mais en acier inoxydable permettant des températures plus élevées à utiliser; ce type de chauffage est pas très efficace, mais est le plus simple à faire.
Ce rapport du volume balayé de piston et déplaceur donne un taux de compression raisonnable, idéalement, il devrait être plus proche l'unité, mais cela donne lieu à des pertes plus importantes mécaniques par frottement qui sont difficiles à surmonter dans un petit moteur. En général, plus le taux de compression plus la puissance de sortie, mais il semble que vous ne peux pas la nature à grande échelle, pour les petits moteur plus les pertes par frottement proportionnellement à la puissance développée.
(Note: dans les moteurs Stirling à basse température, le rapport en volume balayé est grande, à savoir, le volume balayé du déplaceur beaucoup plus grande que celle du piston D'une manière générale à des températures élevées le rapport en volume balayé doit être petit, mais augmente lorsque la commande. la différence de température est abaissée.)
Le moyen le plus efficace de refroidissement est avec une chemise d'eau, comme le montre les ailettes de refroidissement d'air naturel pour donner lieu à une surchauffe, à moins assez grande, et refroidissement à air forcé de l'air peut absorber presque toute la puissance du moteur. Petits modèles peuvent être chauffés par un brûleur meths, et les gros moteurs par une flamme de gaz, l'utilisation d'un guide de flamme (F) permet de maintenir le flux de gaz le long de la paroi de l'élément chauffant, l'écart entre celui-ci et le dispositif de chauffage dépend de la flamme de taille utilisée, pour un écart faible va réduire le débit et étouffer la flamme.
Le piston peut rodées pour obtenir une bonne étanchéité avec deux champs d'huile. alternativement un joint torique en caoutchouc souple peut être monté. Le piston peut être monté légèrement plus souple que d'un piston et nappé un bosquet usiné pour prendre le joint torique, précautions doivent être prises avec l'ajustement de l'anneau afin de ne pas donner à beaucoup glisser; la profondeur de bois recommandé pour une utilisation dans les moteurs à vapeur donnera un ajustement serré. Les joints toriques peuvent aussi être utilisés pour sceller la tige d'entraînement de déplacement. est donné les anneaux fonctionnent très bien fourni une lubrification suffisante et semblent donner moins de traînée qu'un joint de type rodée. Seule l'huile mince doit être utilisé, et l'huile qui pénètre dans la chambre de chauffe-eau carboniser et altérer le transfert de chaleur; cependant, j'ai qu 'un mélange de paraffine et Redex (un lubrifiant supérieur cylindre pour moteurs à combustion interne) en tant que lubrifiant semble venir sur ce qu'elle ne pas carboniser.
Un volant d'inertie, suffisamment lourd pour porter le moteur au cours de la course de compression à des vitesses de fonctionnement normales sera nécessaire pour donner encore en cours d'exécution et il est préférable monté sur roulements à billes ou à aiguilles. Cela peut faire un moteur à grande vitesse / compression élevée difficile à démarrer car il devra être filé à la vitesse avant qu'elle ne commence à courir; mais il est une erreur de s'adapter trop lourd un volant d'inertie. Pour plus de réduire les frottements, les courses de billes dans la bielle piston de puissance valent ajustement que les pertes par frottement dans la compression de l'air peut avec une mauvaise conception dépasser la puissance, et aucune quantité de chaleur ne sera jamais le faire fonctionner.
De nombreux modèles ont été évolué pour entraîner le déplacement, dans certains vieux cames moteurs ont été utilisés pour donner un mouvement intermittent au déplaceur, l'idée étant d'obtenir le diagramme indicateur le plus près possible du cycle de l'air idéal, mais les pertes mécaniques supplémentaires l'emportent sur les avantage qui aurait pu être gagné. La méthode la plus simple est d'avoir le piston et le plongeur coopérant avec un déphasage compris entre 90 ° et 110 °, ce qui donne un mouvement sinusoïdal continu de l'agent de déplacement, et il sera constaté qu'une plus grande partie de la compression a lieu à l'extrémité froide et une plus grande partie de l'expansion de l'extrémité chaude, de sorte que les conditions d'un surplus de travail à produire sont encore remplies. Le diagramme indicateur est de forme ovale. En utilisant un angle de 90 ° permet une liaison simple à utiliser.
Dans le cycle d'événements, la pression maximale obtenue dépendra de la quantité d'une partie de prise d'air dans le processus. Cela provoque un facteur appelé espace mort à considérer, c'est la masse d'air qui ne participe pas au processus et suppose une température moyenne; un trop grand espace mort réduit l'efficacité globale en réduisant P max. Fig. 3 montre un schéma suivant la conception MEADS améliorée par Robert Stirling en 1816, ce qui est beaucoup plus compact. La longueur totale du déplaceur doit être étendu pour accueillir le piston de puissance, mais cependant ne doit pas être étendue pour couvrir la course complète du piston depuis comme le montre le graphique, les coups de déplaceur et le piston peuvent être faits pour se chevaucher, de sorte réduisant la quantité d'espace mort. La tige d'entraînement de plongeur passe à travers le centre du piston. Étant donné que la puissance dépend de la quantité d'air déplacé par le déplacement, la puissance peut varier en faisant varier la course du déplaceur. La puissance peut également être augmentée en utilisant de l'air plus dense, i.e. de l'air comprimé, mais il est de peu d'avantage à moins qu'une manivelle boîtier étanche est utilisé, la manivelle étant alors mis sous pression jusqu'à la pression minimale de fonctionnement du moteur. En disposant de la manivelle cas pour communiquer avec l'intérieur du moteur lorsque le piston se trouve à la fin de la course de la puissance peut être modifiée simplement être en modifiant la pression manivelle cas.
La plupart des vieux moteurs à air modèles ont fonctionné à la pression atmosphérique, avec un cylindre ouvert, avec des pertes inévitables de fluide de travail par le biais de fuites, menant éventuellement au moteur de travailler avec un cycle de pression qui alternait au-dessus et en dessous de l'atmosphère. Pour surmonter ces nombreux modèles incorporés un Calve non-retour qui a permis à l'air dans le moteur lorsque la pression atmosphérique est tombé en dessous. Dans un modèle de cette vanne doit être légèrement chargé afin qu'il ouvre avec le minimum de différence de pression à travers elle.
Dans tout ce qui précède conçoit le piston est placé à l'extrémité froide; idéalement faire en sorte que l'air se dilate à une température constante du cylindre doit être à l'extrémité chaude. Cependant, l'exploitation et la lubrification du piston à des températures très élevées n'est pas facile. James Stirling a expérimenté avec l'idée, mais est revenue à piston froid, les seuls moteurs à air qui ont élargi l'air chaud contre un moteur de bateau Ericssons étaient piston et les moteurs à gaz de four à base sur les travaux de Sir George Cayley, qui ont tous deux écrans thermiques montés au piston, et de nombreux moteurs à gaz de four avait chemises d'eau pour empêcher le piston de la surchauffe, mais ces machines ont travaillé sur un principe différent. L'un des rares moteurs de type déplaceur à construire avec un piston chaud étaient ceux construits par Henry Essex en Amérique. Le modèle Essex E. un ventilateur d'échappement de cuisine, le chapeau du cylindre chaud agissant en tant que piston d'alimentation, le cylindre de coulissement vers le haut et vers le bas à l'intérieur des ailettes de refroidissement formant l'extrémité froide.
Dès 1797 il a été constaté qu'une plus grande économie en cours d'exécution pourrait être obtenue dans les moteurs à air en utilisant une partie de la chaleur wast, mais le développement du principe de régénération était dû en grande partie au travail de Robert et James Stirling. Dans de nombreux vieux moteurs à air régénérateur a été complètement omis, car la construction simple et a été un point de vente plus que l'économie en cours d'exécution. Les moteurs eux-mêmes étaient généralement si grossièrement inefficace, qu'il y aurait eu peu de point dans le montage d'un régénérateur, mais beaucoup d'entre eux ont travaillé régulièrement avec peu ou pas d'entretien pendant plus de 50 ans, ce qui était tout ce qui required.Those étaient des jours sans énergie crises lorsqu'un quelques seaux supplémentaires sur le feu peu importait.
On pourrait faire valoir que, en raison de possibles pertes supplémentaires, il y a peu de point dans le montage d'un régénérateur à un moteur de modèle, mais ils ne fonctionnent mieux avec une chambre aménagée. Le type qui a été monté sur le moteur Robinson est le plus facile à adapter (fig. 4). I équipé de deux disques perforés à la tige de plongeur ayant un diamètre inférieur au diamètre interne du cylindre de déplacement et la distance entre eux correspondant à la longueur requise de l'agent de déplacement. laine de fil fin est ensuite enroulé autour entre les disques, la laine de fil est assez souple et lors de la première montée dans le cylindre sera assez raide pour se déplacer, mais si le moteur est retourné à la main avec le chauffage, la chaleur prend bientôt la jaillir et la laine repose contre la paroi du cylindre.
Une augmentation supplémentaire de l'efficacité peut être obtenue en utilisant les gaz d'échappement du brûleur à préchauffer l'air entrant dans le brûleur, mais ce n'est pas facile à faire avec brûleur petit esprit et ne vaut pas vraiment la peine avec moins d'un type plus efficace de la chambre de chauffage est utilisé.