Αρχική > περιβάλλον, Κατασκευές > Περί μηχανής Stirling και περιβάλλοντος

Περί μηχανής Stirling και περιβάλλοντος

Πάει καιρός από την τελευταία φορά που τα είπαμε. Δυστυχώς κάπως έτσι θα κυλίσει η χρονιά αυτή μέχρι τον Ιούνιο μιας και ο φόρτος των μαθημάτων της τρίτης Λυκείου δεν μου αφήνει και πολλά περιθώρια. Ας μην κλαίγομαι όμως..

Τελευταία, έπεσε στην αντίληψή μου κάτι που με ενθουσίασε και προς μεγάλη μου έκπληξη, όσους ρώτησα, που να έχουν φυσικά σχέση με το «άθλημα», κανένας τους δεν ήξερε την ύπαρξή του. Μιλώ για μια θερμική μηχανή, την λεγόμενη «μηχανή Stirling». Φυσικά, πήρε την ονομασία της από τον δημιουργό και εφευρέτη της Robert Stirling(Σκωτία 1790-1878) ο οποίος, ως μοναχός, προβληματιζόταν με το γεγονός ότι πολλές από τις μέχρι τότε χρησιμοποιούμενες ατμομηχανές πάθαιναν διάφορες φθορές με αποτέλεσμα, στις περισσότερες των περιπτώσεων, την έκρηξη των καζανιών και φυσικά την πρόκληση όχι μόνο τραυματισμών στους γύρω αλλά και πολλές φορές θανάτων. Και αυτό φυσικά γιατί τα καζάνια με τον ατμό λειτουργούσαν επί καιρό σε μεγάλες θερμοκρασίες και τα μέταλλα δεν ήταν και πρώτης ποιότητας. Έχοντας κληρονομήσει το εφευρετικό χάρισμα από τον πατέρα του, επινόησε μια θερμική μηχανή σαν την ατμομηχανή, που όμως είναι αρκετά πιο οπλή στην κατασκευή της, δεν λειτουργεί με ατμό αλλά με ατμοσφαιρικό αέρα και θα μπορούσε να αντικαταστήσει τις ατμομηχανές τις ίδιες.

Τώρα. Σχετικά με το καθαρά τεχνικό μέρος, το οποίο και με ενδιαφέρει.

Πριν πω οτιδήποτε, θα κάνω μια γενική αναφορά στις θερμικές μηχανές για τους μη καταρτισμένους τεχνολογικά και επιστημονικά αναγνώστες.

Θερμικές μηχανές ή θερμοκινητήρες, ονομάζονται οι μηχανές οι οποίες μετατρέπουν την θερμότητα που παράγεται από την χημική ενέργεια της καύσης, σε μηχανικό έργο.

Ανάλογα με τον τρόπο πραγματοποίησης της καύσης χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: στις μηχανές εσωτερικής καύσεως και στις μηχανές εξωτερικής καύσεως ή ατμομηχανές.

  • Εσωτερικής καύσεως ονομάζονται οι μηχανές που ως μέσο για την παραγωγή έργου χρησιμοποιούν τον αέρα και κατά κάποιο τρόπο το ίδιο το καύσιμο, δηλαδή καυσαέρια π.χ εμβολοφόρος κινητήρας αυτοκινήτου, αεροστρόβιλος αεροπλάνου.
  • Εξωτερικής καύσεως ονομάζονται οι μηχανές όπου η καύση δεν λαμβάνει μέρος στο χώρο παραγωγής έργου αλλά έξω από αυτόν και στις οποίες το μέσο παραγωγής έργου δεν είναι το καυσαέριο αλλά κάποιο άλλο στοιχείο όπως π.χ. νερό. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν οι ατμοστρόβιλοι, οι ατμομηχανές.

Η μηχανή Stirling είναι μια θερμική μηχανή εξωτερικής καύσης που λειτουργεί με συγκεκριμένη ποσότητα αέρα που κυκλοφορεί μέσα σε μια κλειστή διαδρομή, ή αν θέλετε, δοχείο. Όπως κάθε θερμική μηχανή, διαθέτει δύο δεξαμενές, μία θερμή και μια ξυχρή. Ο αέρας μπορεί και κυκλοφορεί χωρίς δυσκολία ανάμεσα στις δύο δεξαμενές. Όταν βρίσκεται στη θερμή δεξαμενή, ο όγκος του αέρα αυξάνεται ενώ όταν ο αέρας βρίσκεται στην ψυχρή δεξαμενή, ο όγκος του μειώνεται.(λόγω ιδιοτήτων των μορίων του). Όταν μιλώ για δεξαμενές, εννοώ φυσικά κυλίνδρους στους οποίους υπάρχουν έμβολα που μπορούν και κινούνται με ευκολία. Αντίστοιχη μεταβολή με τη θερμοκρασία, «παθαίνει» και η πίεση και αυτό αναγκάζει ουσιαστικά τα έμβολα να κινηθούν με τέτοιο τρόπο ώστε σε συνεργασία να καταφέρουν να κινήσουν τον στροφαλοφόρο άξονα, ή με πιο απλά λόγια, να δώσουν κίνηση στον πιθανό τροχό μιας συσκευής ή ενός αυτοκινήτου.

Στα παρακάτω σχήματα, θα προσπαθήσω να περιφράψω τον θερμοδυναμικό κύκλο της μηχανής.

alpha_stirling_frame_12

1) Η μεγαλύτερη ποσότητα του αέρα είναι συγκεντρωμένη στη θερμή δεξαμενή(κόκκινο), όπου φυσικά θερμαίνεται, αυξάνεται ο όγκος άρα και η πίεσή του, και αυτό ωθεί το έμβολο προς τα έξω. Έτσι παρασύρει μαζί του και τον στρόφαλο(με απλά λόγια τροχό) έτσι ώστε αυτός να καλύψει το 1/4 του κύκλου του.

alpha_stirling_frame_16

2) Ο αέρας, σε αυτ΄το στάδιο έχει τον μέγιστο όγκο του. Το έμβολο, ξεκινά να πιέζει τον αέρα προς την ψυχρή δεξαμενή, όπου ψύχεται και η πίεσή του μειώνεται. Εδώ, ο στροφαλοφόρος άξονας έχει ολοκληρώσει τη μισή περιστροφή γύρω από τον εαυτό του.

alpha_stirling_frame_4

3) Σχεδόν όλος ο αέρας βρίσκεται τώρα στην ψυχρή δεξαμενή και η ψύξη συνεχίζεται. Το ψυχρό έμβολο, πιέζεται από τον στροφαλοφόρο άξονα και ξεκινά να συμπιέζει τον αέρα. Εδώ ο στροφαλοφόρος άξονας έχει ολοκληρώσει τα 3/4 την περιστροφής γύρω από τον εαυτό του.

alpha_stirling_frame_8

4) Ο αέρας εδώ έχει συμπιεστεί στο μέγιστο και πλέον θα αρχίσει να αυξάνει τον όγκο του στη θερμή δεξαμενή όπου θα θερμανθεί ξανά οδηγώντας το έμβολο στην ολοκλήρωση του θερμοδυναμικού κύκλου.

Αν αυτό σας φάνηκε δύσκολο στην κατανόηση, δείτε κι ένα animated σχήμα. (αν δεν κινείται, κάντε κλικ πάνω του και θα ανοίξει κανονικά σε νέα σελίδα)

alpha_stirling

Υπάρχει και παραλλαγή της ίδιας μηχανής που λειτουργεί με τον ίδιο ακριβώς τρόπο.

stirling_animationΌπως θα καταλάβατε, για να λειτουργήσει κάτι τέτοιο, χρειάζεται να του παρέχουμε θερμική ενέργεια καθώς και ψυχρό κλίμα.

Σκεφτόμουν πως κάτι τέτοιο δεν θα ήταν δύσκολο. Δεδομένης της αρκετά ανεπτυγμένης τεχνογνωσίας που διαθέτουμε πάνω στα φωτοβολταϊκά, θα μπορούσαμε να συγκεντρώσουμε ηλιακή ενέργεια με τη μορφή υψηλής θερμοκρασίας και να τη χρησιμοποιήσουμε ως ψυχρή δεξαμενή, ενώ με μία ανέμη στερεωμένη πάνω στον στροφαλοφόρο άξονα, μπορούμε να ψύξουμε εύκολα ένα ψυγείο αέρα για να το χρησιμοποιήσουμε ως ψυχρή δεξαμενή. Και χωρίς ψυγείο αέρα θα λειτουργήσει φυσικά, απλά το αναφέρω για μεγαλύτερη απόδοση. Όλο αυτό λοιπόν, θα μπορούσαμε να το χρησιμοποιήσουμε για να τροφοδοτήσουμε αρκετές από τις ανάγκες της αστικής ζωής, με σεβασμό και αγάπη προς το περιβάλλον. Ας ανεξαρτητοποιηθούμε επιτέλους σε κάποιο βαθμό από το πετρέλαιο και τα κλάσματά του. Ας δώσουμε μια ευκαιρία σε πηγές ενέργειας που μας προσφέρει η φύση απλόχερα και τις αφήνουμε ανεκμετάλλευτες.

Με μια πρόχειρη αναζήτηση που έκανα στο youtube, βρήκα πολλούς που έχουν κατασκευάσει τέτοιες μηχανές με απλά υλικά, όπως κουτάκια από αναψυκτικά ή κομμάτια ξύλου και λειτουργούν κανονικά. Προσωπικά, θα επιχειρήσω να κατασκευάσω κι εγώ μια τέτοια μηχανή σε μικρή κλίμακα για να δω πως ακριβώς λειτουργεί και να γευτώ τη χαρά της δημιουργίας και αν πετύχει αυτό, θα το κατασκευάσω και σε μεγάλη κλίμακα προσπαθώντας να κινήσω ένα (μικρό) αυτοκίνητο, το οποίο έχω ήδη κατασκευάσει για άλλο λόγο βέβαια μόνος μου και πιθανότατα θα μιλίσω γι αυτό σε επόμενη δημοσίευση….

ορίστε και μερικά video

http://www.youtube.com/watch?v=D7NV38Ymep0&feature=channel_page

http://www.youtube.com/watch?v=q7_1W799nkk&feature=channel_page

http://www.youtube.com/watch?v=AifGfayZHzc

http://www.youtube.com/watch?v=Ch4PvwLAYzw&feature=related

Advertisements
  1. Andreas
    Αύγουστος 28, 2010 στο 7:07 μμ

    Κανα νέο έχουμε από αυτήν την μηχανή? έφτιαξες μια τέτοια μηχανή τελικά?

  2. Δημήτρης Ευαγγελόπουλος
    Σεπτεμβρίου 17, 2010 στο 3:13 πμ

    Η αλήθεια είναι πως έκανα ακρετές προσπάθειες. Εκεί που απέτυχα είναι να κάνω αυτό που έφτιαξα στεγανό ώστε να μην χάνει το νερό του. Στο σημείο δηλαδή όπου έβαλα το έμβολο, έφευγε νερό. Οπότε όπως καταλαβαίνεις, δεν λειτούργησε 😦

    Σε ενδιαφέρει να φτιάξεις?

  1. No trackbacks yet.

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Αρέσει σε %d bloggers: