Doelstelling
Omdat ik op internet modellen van Koffiekop Stirlings tegenkwam waarvan geclaimd wordt dat die op een mensenhand kunnen lopen heb ik mij tot doel gesteld deze prestatie op zijn minst te evenaren. Ik heb ervoor gekozen om daarbij uit te gaan van mijn Koffiekop model nr.9 en die vervolgens zodanig te optimaliseren dat ik daarmee deze uitdaging succesvol zou volbrengen.
Gedachtegang bij de aanpak
Het zal duidelijk zijn dat een mensenhand relatief maar heel weinig energie kan toevoegen aan het systeem. Toch moet deze geringe energie de tegenwerkende krachten van het systeem overwinnen om de Stirling aan het draaien te krijgen. De uitdaging is dus om die tegenwerkende krachten zodanig ver te elimineren dat de toegevoerde energie van de hand het daarvan gaat winnen.
Er zijn in dit geval twee krachten die tegenwerken:
1. De zwaartekracht die inwerkt op het asymmetrisch systeem met de verdringer, de werkzuiger, twee drijfstangen en de excentrieken op de krukas.
2. De mechanische wrijvingen die bij de draaiende en glijdende onderdelen ontstaat. De bijdrage van de luchtwrijving (voornamelijk langs het vliegwiel) kunnen we m.i. gevoeglijk even verwaarlozen.ad 1: Het uitbalanceren
De tegenwerkende krachten als gevolg van de zwaartekracht zijn in principe geheel te compenseren door het compleet gemonteerde systeem 100% goed uit te balanceren. Dit balanceren moet gebeuren zonder verstorende drukschommelingen in het systeem. Daarom moet dit gedaan worden vóórdat de onderste cilinderplaat luchtdicht gemonteerd wordt aan de wand van de cilinder voor de verdringer.
Voor dit uitbalanceren gaan we als volgt te werk:
- Stel de hele motor geheel samen zonder de onderste cilinderplaat.
- Maak de dikte van het contra gewicht eerst wat overmaats zodat het later stapsgewijs op het juiste gewicht kan worden na gedraaid.
- Geef het CD vliegwiel zonder contra gewicht een zet en wacht tot het systeem stil valt. Verdraai in deze positie van de krukas het vliegwiel zodanig om zijn as dat het gat voor het contra gewicht precies bovenaan staat. Merk deze positie van het vliegwiel t.o.v. van de krukas door op de as en op de kern van het vliegwiel merkstreepjes in te krassen die precies tegenover elkaar liggen. Daarmee kan dan later de juiste positie van het vliegwiel op de krukas worden teruggevonden mocht die eventueel verdraaid zijn.
- Steek het overmaatse contragewicht in het gat van het vliegwiel en geef het vliegwiel weer een zet. Door het nog te zware contra gewicht zal het systeem nu steeds stil vallen op een punt waar het contra gewicht zich ergens onderaan zal bevinden. Nu moet steeds stapsgewijs het contragewicht een fractie worden afgedraaid net zo lang tot het systeem stilvalt waarbij de positie van het contra gewicht geheel willekeurig wordt. Een ietwat tijdrovend klusje, maar het is belangrijk om er voor te zorgen dat de tegenwerkende zwaartekracht zo veel mogelijk wordt geelimineerd om daarmee het nodige temperatuurverschil tussen onder- en bovenplaat zo klein mogelijk te maken.
Het bleek dat alleen al dit uitbalanceren een geweldig positief effect had op de motorprestatie!ad 2: Wrijvingen minimaliseren.
Men kan de wrijvingen wel verminderen, maar natuurlijk nooit helemaal nul maken. Degene die beweert dit wel te kunnen is uitvinder van het "perpetuum mobile" en zou daarmee meteen onsterfelijk worden.
Allereerst heb ik, behalve op de vliegwielas, nu ook kogellagertjes toegepast op de plaats waar de drijfstangen ronddraaien op de asjes van de excentrieken. Het is mijn ervaring dat alle kogellagertjes eerst goed moeten worden schoongemaakt door ze even rond te draaien in een badje met wasbenzine. Daarna niet smeren met welke olie dan ook omdat ze dan eerder wat zwaarder gaan lopen dan lichter! En van slijtage is bij dit soort modelletjes eigenlijk geen sprake.
Om zo weinig mogelijk dwarskrachten te introduceren heb ik de excentrieken nu ook aan weerszijden van de vliegwiellagering gepositioneerd. Ook moeten de asjes perfect haaks in de wangen van de excentrieken staan om wringen van de drijfstangen tijdens het ronddraaien te voorkomen. Om diezelfde reden moeten ook de hartlijnen van de drijfstangen 100% in het verlengde staan met de hartlijnen van de twee cilinders.
Blijft over de glijweerstand van de werkzuiger in zijn glazen cilinder en die van de verdringeras in het glijbusje. Het materiaal van de werkzuiger heb ik vervangen door grafiet, dat mooi op maat gedraaid is in de glazen cilinder. Het oppervlak van de zuiger kan spiegelglad worden gemaakt door het in de draaibank te polijsten met krantpapier tussen duim en wijsvinger. Op deze manier loopt deze grafiet zuiger uiterst licht en toch nagenoeg lekvrij in de glazen cilinder. Grafiet heeft een uitmuntende zelfsmerende werking, hetgeen belangrijk is omdat, zeker bij deze werkzuiger, nooit met olie gesmeerd mag worden!
Om dezelfde redenen heb ik ook de lagerbus van de verdringer-as van grafiet gemaakt. Ik heb voor de verdringer-as standaard as materiaal gebruikt dat exact aan de maat is en super glad, zeker als het nog even met bv. koperpoets word gepolijst. Dergelijke asjes draai ik nooit zelf omdat die altijd wat minder goed aan de maat zijn dan dit standaard materiaal. Het grafiet busje eerst gedraaid met een fractie ondermaatse boring en die vervolgens opgeruimd met een scherpe H6 ruimer.Tenslotte:
- De verdringer is van het heel lichte maar stijve Balsa hout met in het centrum een aluminium kern waar de as in is geschroefd. In plaats van Balsa hout kan ook piepschuim (polystyreen) worden gebruikt.
- In de onderplaat heb ik een 1mm dikke roodkoperen plaat gelijmd om de warmte van de hand beter en sneller naar de lucht in het systeem te leiden. De eindtemperatuur zal daarmee overigens niet anders worden dan met een massieve aluminium plaat.Het is me met al deze maatregelen gelukt om het motortje te laten opstarten met een minimaal temperatuurverschil tussen de bodemplaat en de bovenplaat van ca 11ºC; een forse verbetering t.o.v. Koffiekop Stirling nr.9, die nog 40 á 45ºC nodig had om op te starten. Het is een evenaring van de beste "Hand Stirling" die ik voorlopig op internet ben tegen gekomen.
Motorprestaties.
Onderstaande grafiek geeft het verband weer tussen het verschil in temperatuur van de onder- en bovenplaat enerzijds en het toerental van het motortje anderzijds. Ik heb deze metingen gedaan door de motor met de onderplaat in een plasje water te zetten waarvan ik de temperatuur goed kon meten met een normale kwik thermometer. De temperatuur van de bovenplaat was daarbij steeds gelijk aan die van de omgeving.
Condities voor het bedrijf op de hand
Op zichzelf zijn deze genomen maatregelen nog geen garantie dat deze motor onder alle omstandigheden op de hand gaat lopen. Er moet immers altijd een temperatuurverschil van tenminste 11ºC bereikt worden. De oppervlaktetemperatuur van een hand kan behoorlijk varieren. Op een koude hand zoals die kan zijn na enig verblijf in een frisse omgeving wordt de bodemplaat niet veel warmer dan 22 á 24ºC. De bovenplaat moet dan dus kouder zijn dan ca 13ºC, hetgeen natuurlijk niet het geval is als de motor de kamertemperatuur heeft van 20 a 22ºC.
Op een warme hand kan de bodemplaat maximaal 28 á 30ºC warm worden. Maar ook dan loopt het motortje nog net niet als de bovenplaat de normale kamertemperatuur heeft. Het temperatuurverschil is dan met 8 á 9ºC nog net iets te klein!
Het opstarten lukt dus alleen op een normaal warme hand en als het de bovenplaat kouder is dan ca 18ºC. Dit kan worden bereikt door het motortje enige tijd tevoren in een koele omgeving te zetten of als een (half) klontje ijs in een aluminium bakje wordt gedaan dat op de bovenplaat wordt gezet. Voor deze laatste mogelijkheid heb ik bij dit motortje een voorziening getroffen, zoals op de foto's te zien is.
Maar met deze secundaire maatregelen loopt het motortje dan ook vlot aan met toerentallen rondom 100 omw./min. Het motortje blijft geruisloos lopen zolang het temperatuurverschil groter blijft dan 11ºC.
Met één half klontje ijs loopt het motortje zeker een half uur op de hand, een tijd die meestal te lang is om de ontstane kramp in de arm te blijven weerstaan!Bij grotere temperatuurverschillen zoals die b.v. op een mok met (oorspronkelijk) kokend water optreden worden toerentallen bereikt van 400 tot 600omw./min. De looptijd varieert van ca 1 uur tot 1½ uur, afhankelijk van de afmetingen en de isolatie eigenschappen van de mok. Met een blokje ijs in het bakje kan deze looptijd nog fors verlengd worden omdat daarmee het onvermijdelijk opwarmen van de bovenplaat sterk wordt verminderd.
De ultieme uitdaging is natuurlijk om het trucje met het stukje ijs ook nog te elimineren. Maar daarvoor zou de vereiste 11ºC nog met enkele graden verlaagd moeten worden. Dat kan m.i. alleen bereikt worden door de wrijvingen nog essentieel verder te verminderen. Maar ik heb er wel een tamelijk hard hoofd in of mij dat nog lukt. Maar je weet maar nooit!
Tekening pakket
Ik heb van deze Lage Temperatuur Stirling een CAD tekening pakket gemaakt dat beschikbaar is voor iedere geinteresseerde; klik hier voor een aanvraag
