Thermo Pulse Mobliel
Het idee
Surfend op Internet kwam ik een merkwaardig tuigje tegen dat wel wat weg had van een Stirling motor maar dat slechts één zuiger had die op en neer liep in een een glazen buis waarin zich ook een prop staalwol bevond. Geen verdringer dus en slechts één enkelvoudige aandrijving voor de werkzuiger met vliegwiel. Alles bij elkaar een wel heel erg simpel ontwerp, althans wat uiterlijk betreft.
De beschrijving was eigenlijk summier, maar ik vond wel een video-clipje waaruit in ieder geval bleek dat het motortje echt liep. Omdat ik op dat moment geen groot project om handen had besloot ik zo'n ding eens te maken bij wijze van "tussendoortje". Ik wilde er wel een grapje aan toevoegen om het geheel toch wat meer aanzien te geven. Hoewel gezegd werd dat het vermogen heel erg laag was vatte ik toch het plan op om het motortje zichzelf te laten ronddraaien op een centrale as die gelagerd is in een houten voet.
Gaandeweg het ontwerpen en bouwen begon ik er meer dan verwacht plezier in te krijgen. Vooral vanaf de eerst zuigerslagen begon het geheimzinnig thermo dynamische proces dat zich in de glazen buis afspeelt mij uitermate te intrigeren.
Helemaal verrast was ik toen bleek dat het lage vermogen toch meer dan voldoende was om de hele motor om zijn as te laten rondraaien met een deftig tempo van ca 10 omwentelingen per minuut.
De principe werking
Hier kan ik kort over zijn en tegelijkertijd helaas ook wat vaag. Wat is er zich precies afspeelt in de glazen buis is namelijk vooralsnog niet voor 100% begrepen, in ieder geval is het nergens afdoende beschreven. Ik kan dit zeggen omdat ik deelnam aan een internet discussie met een groep mensen die zich met thermodynamische processen bezig houden. Voornamelijk Amerikanen die elkaar met theoretische en praktische beschouwingen bestoken. Aanvankelijk werd wel gedacht dat het proces overeenkwam met dat van thermo-acoustische motoren, waarvan de eerste patenten dateren uit de jaren 50 van de vorige eeuw en die wel goed beschreven zijn in theoretische en praktische verhandelingen. Maar het lijkt nu wel zeker dat zich hier een ander proces afspeelt omdat o.a. de glazen buis veel te kort zou zijn voor een thermoacoustisch proces.
Ik moet mij hier dus beperken tot wat ik er van denk te begrijpen, al dan niet helemaal gesteund door de genoemde discussie genoten:
In de glazen buis treden drukgolven op, die samen met de zuiger met viegwiel in een soort resonantie komen. De lucht in de buis verkeert cyclisch in over- en onderdruk, waarbij die op één plaats wordt verhit door een spiritusbrander die aan de buitenkant van de glazen buis staat opgesteld. Dit kringproces levert blijkbaar voldoende netto energie op om de zuigerbeweging in stand te houden. De staalwol in de buis versterkt het proces, maar welke rol die precies speelt is ook nog steeds een van de raadsels. Uit mijn experimenten blijkt dat het niet zozeer de lucht afkoelt aan het gesloten uiteinde van de buis, hetgeen eerder wel gedacht werd. Vrij zeker treedt de (cyclische) koeling van de lucht op in het gedeelte waar de zuiger zich bevindt.
Het feit dat men voor dit type motor zeer uiteenlopende namen tegen komt zoals Thermoacoustic Engine, Lamina Flow Engine, Pulse Tube, Mystery Engine, Moteur à hystérésis thermique, enz. versterkt het idee dat er meer onbewezen ideën bestaan dan harde feiten.Typische kenmerken en gevoeligheden.
1. De restrictie.
Het feit dat het ware proces niet goed bekend is maakt ook dat men voor verrassingen kan komen te staan als er afgeweken wordt van een werkend model. Dat overkwam mij dus ook toen ik een doorlopende glazen buis toepaste in plaats van een messing cilinder die met o-ringen in de glazen buis is gestoken, zoals ik dat op de Internet video had gezien. In mijn geval is de glazen buis dus ook tegelijkertijd de cilinder voor de werkzuiger. Dit heeft ongetwijfeld gevolgen voor de temperatuur huishouding maar ook voor het dynamische druksysteem in de buis zoals later bleek. Feit is dat mijn motor aanvankelijk geen enkel teken van leven gaf, ook niet onbelast met het systeem voor het ronddraaien van de gehele motor om de centrale as.
Na een groot aantal willekeurige experimenten, die ik hier niet zal opsommen vanwege de later gebleken irrelevantie, had ik het bijna opgegeven totdat ik de eerder genoemde video nog eens goed bekeek. Ik zag daar een soort vernauwing op de plaats waar de messing cilinder overging in de glazen buis. Hoewel later bleek dat dit uitsluitend een gevolg was van de mechanische konstruktie dacht ik toen dat het een rol zou kunnen spelen in het druksysteem. Omdat ik geen notie had van hoe zo'n restrictie er uit zou moeten zien haalde ik mijn afvalbak tevoorschijn met kleine propjes messing, al dan niet met boringen en/of andere vervormingen. Ik begon daarmee een volslagen willekeurige reeks experimenten, waarbij ik de messing propjes in de buis legde op de plaats waar de buis is ingeklemd; zie bovenstaande doorsnede.
Verreweg de meeste propjes sorteerden geen enkel effect maar met sommigen leek er wat leven in de brouwerij te komen. Ik was aangenaam verrast en tegelijkertijd met stomheid geslagen toen ik één propje vond waarmee de motor bleef lopen, zij het nog niet geheel betrouwbaar. Maar het had mij ervan overtuigd dat hier een belangrijke sleutel zat voor succes. Met de typische kenmerken van dit "referentie propje" ben ik toen een restrictie gaan maken waarbij ik steeds een van deze kenmerken eraan toevoegde. Nog steeds een tamelijk willekeurige werkwijze eigenlijk, maar uiteindelijk slaagde ik erin om een vorm te vinden waarmee de motor goed en zeer betrouwbaar loopt. Het is de restrictie zoals die nu op tekening staat; zie ook onderstaande figuur:
2. De positie van de restrictie.
Het blijkt dat de positie van de restrictie t.o.v. de zuiger zeer gevoelig is. De motor loopt alleen goed als de zuiger de restrictie net niet raakt. Het afstellen daarvan kan eenvoudig en het best worden gedaan door de zuiger zelf de restrictie op zijn plaats te laten duwen bij de montage. De vier rubberen drukstukjes houden de restrictie wel op zijn plaats, maar de druk ervan is zodanig dat die nog wel kan schuiven in de glazen buis. Door nu het vliegwiel handmatig een volle slag rond te draaien zal de zuiger de restrictie vanzelf in de goede positie drukken waarbij de afstand tot de zuiger in de uiterst linkse positie vrijwel nul is en blijft.
Ook hier moet ik de onbetwiste verklaring schuldig blijven, anders dan dat het aannemelijk is dat de dode ruimte in het zuigergedeelte zo klein mogelijk moet zijn.3. De staalwol.
Voor de staalwol heb ik de bekende (Sorbo) pannenspons gebruikt. Ik heb lichte voorkeur voor de grove uitvoering boven de fijne, hoewel ik nauwelijks verschil heb kunnen ontdekken in het gedrag van de motor. De grove versie werkt alleen wat prettiger in dit geval en er bestaat hiermee ook geen kans dat er zeer dunne draadjes van het staalwol tussen de zuiger en de glazen buis terecht komen.
Ik heb wel wat experimenten gedaan m.b.t. de vulling in de buis. Zo heb ik o.a. de staalwol in twee stukken gesplitst om warmte geleiding door het materiaal heen te elimineren in de veronderstelling dat het staalwol in de top van de buis een koelende werking moest hebben. Dat bleek averechts uit te pakken: de motor gaf in dat geval geen enkel teken van leven meer! En zo stapelde de ene verbazing zich op de andere!
Uiteindlijk ben ik tot de konklusie gekomen dat de buis tussen de top en de spiritusbrander geheel gevuld moet zijn met de staalwol.4. De positie van de spiritusbrander.
Ook hier weer een eenduidige konklusie zonder verklaring: de vlam moet precies gelijk vallen met de overgang staalwol/lucht (zie de doorsnede). Iedere andere positie (b.v. halverwege de staalwol of bij de top van de buis) veroorzaakt een slechtere of helemaal niet lopende motor.
De vlam moet tamelijk groot zijn en om de buis heen spelen. De buis moet dus blijkbaar bij dit ontwerp ter plekke behoorlijk warm worden om voldoende vermogen op te wekken. Alhoewel de motor bewust met lage snelheid om zijn centrale as ronddraait wordt de vlam daardoor toch enigzins van de buis verdreven. Daarom is het nodig het lontje van de spiritusbrander iets weg te drukken tegen de draairichting in om te voorkomen dat de buis onvoldoende warm wordt.
5. De zuigerpassing.
De speling van de zuiger in de glazen buis moet vrij klein zijn om een goed resultaat te krijgen: gelijk of kleiner dan 0,03mm. Dat betekent dat de glazen buis al mooi cilindrisch moet zijn met een inwendige diameter die niet veel meer mag varieren dan zo'n 2 tot 3 hondersten van en millimeter, in ieder geval over het gebied waarlangs de zuiger op en neer beweegt. Het is dus allereerst zaak om een reageerbuis te bemachtigen die hieraan voldoet want dat doen ze niet allemaal! De hittebestendige pyrex Duran (Fiolax) reageerbuizen hebben zo'n uiterst kleine tolerantie op de binnendiameter en zijn daarom bij uitstek geschikt voor dit doel. Er moet natuurlijk wel iets ruimte zijn (ca 0,02mm) om de zuiger vrijwel wrijvingsloos in de buis te laten lopen; zie de test hiervoor op de video.
De konstruktie
Zoals te zien is aan de schets en het tekeningpakket is de konstruktie tamelijk eenvoudig zodat het nauwelijks toelichting vereist, behalve:
1. De zuiger moet enerzijds goed afsluiten en anderzijds bijna wrijvingsloos in de buis lopen. Daarvoor is grafiet wel het ideale materiaal ook al omdat de thermische uitzetting nog iets kleiner is dan van pyrex glas. Minder ideaal is dat het wel eens moeilijk kan zijn om aan grafiet te komen. In dat geval kan de zuiger ook van messing worden gemaakt mits die ook weer mooi past in de glazen buis en het oppervlak gepolijst is. Messing zet welliswaar ca 5x meer uit dan glas maar de temperatuur van deze zuiger komt nauwelijks boven de omgevingstemperatuur dus dat blijkt helemaal geen bezwaar. Het is mijn ervaring dat een messing zuiger feitelijk dezelfde goede resultaten oplevert als een grafiet zuiger.
2. Het rubberen snaartje moet dun en soepel zijn en een dusdanige omtrek hebben dat die met lichte spanning om de ril in de houten voet en om de vliegwiel-as kan worden gespannen. Erg kritisch is dit niet.Het opstarten.
De motor kan worden opgestart met een lichte zet aan het vliegwiel, ca 30 seconden nadat de spiritusbrander is onstoken. De motor heeft geen voorkeur voor de draairichting.
Als alles goed is ingesteld loopt het motortje goed en betrouwbaar, waarbij het vliegwiel ca 600 omw./min maakt. Door de overbreng vertraging van 1 op 60 draait de hele motor dan deftig rond met ca 10 omwentelingen per minuut.
Onbelast (losgekoppelde snaar) heeft het motortje een toerental van ca 1000 omwentelingen per minuut.Tekening pakket
Ik heb van deze Themo Puls Mobiel een CAD tekening pakket gemaakt dat beschikbaar is voor iedere geinteresseerde; klik hier voor een aanvraag.
Prachige uitvoeringen van
Jeroen Jonkman:
Mooie replica van Rick Giordano:
Mooie replica van Claudio Mercuri:
Mooie replica van
Daniel Salmeron Ballart:
Replica Paul Iriks:
