Αρχή λειτουργίας μηχανής Stirling

 ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ

Η μηχανή Stirling (Στέρλινκ) είναι μια μηχανή εξωτερικής καύσης που βασίζεται στη διαδοχική θέρμανση και ψύξη αέρα σε κλειστό κύκλωμα.

Το βασικό της πλεονέκτημα είναι ότι μπορεί να δουλέψει με καύσιμο μικρής σχετικά θερμαντικής ικανότητας, σε αντίθεση πχ με την ατμομηχανή που πρέπει να φέρει το νερό σε σημείο βρασμού και ακόμα παραπάνω.

Μειονέκτημα της Sterling είναι η μικρή σχετικά απόδοσή της.

Στην αρχή λειτουργίας της μηχανής Stirling βασίζονται οι συνήθεις ψυκτικές διατάξεις ψυγείων και κλιματιστικών μονάδων, μόνο που δουλεύουν "ανάποδα", δηλαδή αντί να κινείται το έμβολο από τη ροή θερμότητας του αερίου (που δεν είναι αέρας σ' αυτή την περίπτωση) που περιέχεται στο σύστημα, ο ηλεκτροκίνητος συμπιεστής μετακινεί θερμότητα από τη μία περιοχή στην άλλη.

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ

Το συγκεκριμένο μοντέλο, κατασκευής του γράφοντα, είναι ένα από τα απλούστερα που μπορεί να κατασκευάσει κάποιος για να επιδείξει την αρχή λειτουργίας μιας μηχανής Stirling και συναρμολογείται από διαθέσιμα υλικά, χωρίς να απαιτείται κάποιο ειδική κατασκευή.

Αποτελείται κυρίως από έναν γυάλινο (δοκιμαστικό, στη συγκεκριμένη περίπτωση) σωλήνα, τον μισό χώρο του οποίου καταλαμβάνουν γυάλινες μπίλιες (από παιδικό παιχνίδι) οι οποίες κινούνται ελεύθερα κατά μήκος του.

Ο σωλήνας στηρίζεται στο μέσο του περίπου (μαύρη κουκίδα), σ' ένα σημείο περιστροφής (μέσω του κοντού άσπρου σωλήνας που διακρίνεται κάτω από τον γυάλινο).

Στη δεξιά άκρη φέρνουμε το καύσιμο (μέσα στο τενεκεδένιο κυλιδρικό δοχειάκι), ώστε να θερμαίνει τον γυάλινο σωλήνα στο σημείο αυτό, χωρίς να εμποδίζει την ταλάντωσή του επάνω - κάτω.

Στην αριστερή άκρη συνδέουμε μια σύριγγα (γυάλινη, ώστε να έχει χαμηλές τριβές), έτσι ώστε όταν ο σωλήνας θερμανθεί και ο αέρας που περιέχει διασταλεί, η σύριγγα να σπρώξει το αριστερό άκρο του σωλήνα προς τα επάνω.Στο ίδιο άκρο του σωλήνα έχει τυλιχτεί ένα κομμάτι από χαρτοπετσέτα, που τη διαβρέχουμε με νερό, ώστε να εξασφαλίζεται καλύτερη ψύξη αυτής της περιοχής.

Εικόνα της διάταξης της πολύ απλής μηχανής Stirling που περιγράφεται εδώ, κατασκευής και φωτογράφισης από τον γράφοντα.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ

Για να λειτουργήσει το σύστημα, ο σωλήνας πρέπει να είναι τελείως κρύος, θα πρέπει δηλαδή να έχουν μεσολαβήσει τουλάχιστον 2 ώρες από την προηγούμενη λειτουργία του.

Ελέγχουμε επίσης, ενόσω το σύστημα είναι κρύο, ότι η σύριγγα είναι τελείως συμπιεσμένη, δηλ δεν περιέχει καθόλου αέρα και ότι οι συνδέσεις είναι στεγανές.

Αν η σύριγγα περιέχει αέρα, την αποσυνδέουμε από το επάνω άκρο του ελαστικού σωλήνα, τη συμπιέζουμε και ξανασυνδέουμε τον σωλήνα.

Η στεγανότητα ελέγχεται ανασηκώνοντας ελαφρά το αριστερό άκρο του οριζόντιου γυάλινου σωλήνα, το οποίο θα πρέπει να επιστρέψει όταν το αφήσουμε, στην αρχική του θέση.

Αν δεν είναι στεγανό, θα πρέπει να λιπάνουμε ελαφρά την τάπα που φράζει το άνοιγμα του δοκιμαστικού σωλήνα (είναι συνήθως το σημείο που έχει προβληματική στεγανότητα στη συγκεκριμένη κατασκευή) και να την ξανατοποθετήσουμε.

Σ' αυτή τη θέση έναρξης, το αριστερό άκρο του σωλήνα πρέπει να είναι σαφώς χαμηλότερο από το δεξιό (γύρω στα 2 εκ), και φυσικά όλες οι μπίλιες να βρίσκονται αριστερά.

Ανάβουμε το καύσιμο, και μετά από μισό με ένα λεπτό παρατηρούμε ότι σωλήνας κινείται, κάνοντας ταλάντωση γύρω από τον άξονά του.

ΕΞΗΓΗΣΗ

 Καθώς ο αέρας θερμαίνεται μέσα στο κλειστό σύστημα σωλήνα- σύριγγας, διαστέλλεται και ωθεί το έμβολο της σύριγγας προς τα έξω.

Αυτό προκαλεί επιμήκυνση της σύριγγας με αποτέλεσμα η αριστερή άκρη του σωλήνα να ανυψωθεί, ωθώντας τις μπίλιες να κυλίσουν δεξιά.

Καθώς οι μπίλιες μετατοπίζονται δεξιά, ο ζεστός αέρας από το δεξιό άκρο μέσα στον σωλήνα εκτοπίζεται αριστερά, όπου ψύχεται, με αποτέλεσμα να συσταλεί και η σύριγγα να γυρίσει περίπου στην αρχική της θέση (ή αρκετά χαμηλά ώστε οι μπίλιες να ξανακυλίσουν αριστερά).

Τότε ο κύκλος θέρμανσης – ψύξης του αέρα επαναλαμβάνεται προκαλώντας την ταλάντωση του σωλήνα, για όσο τουλάχιστον διατηρείται η θερμοκρασιακή διαφορά δεξιού – αριστερού άκρου του σωλήνα.

ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ

Στη συγκεκριμένη διάταξη έχει συνδεθεί μηχανικά ένα πηνίο (ο μικρός καφέ κύλινδρος), του οποίου η κίνηση μέσα σε μαγνητικό πεδίο (που μεταφέρει στον μεταλλικό κατακόρυφο άξονα η μεταλλική μπίλια που πατάει στον κόκκινο μαγνήτη), δείχνει τη δυνατότητα παραγωγής ρεύματος το οποίο κινεί τη βελόνα του ενδεικτικού όργανου που διακρίνεται προσαρμοσμένο επάνω στην ξύλινη κεντρική κολώνα. Η κίνηση της βελόνας είναι επάνω - κάτω γύρω από το ουδέτερο κέντρο της, καθώς το πηνίο ανεβοκατεβαίνει και η τάση συνεχώς αντιστρέφεται.

                                                                                                                        Γ. Μεταξάς