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Bedienungsanleitung

3B SCIENTIFIC® PHYSICS

U10050 Stirlingmotor, transparent

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Der Stirlingmotor ermöglicht die quantitative Untersu-chung des Stirlingschen Kreisprozesses. Er kann in dreiverschiedenen Modi betrieben werden: als Wärmekraft-maschine, als Wärmepumpe und als Kältemaschine.

Versuchsthemen:• Aufnahme des pV-Diagramms als Wärmekraftma-

schine• Aufnahme des pV-Diagramms als Wärmepumpe

bzw. Kältemaschine• Experimentelle Bestimmung der mechanischen

und der elektrischen Leistung in Abhängigkeit derDrehzahl

• Experimentelle Bestimmung des Wirkungsgrades• Bestimmung der Temperaturdifferenzen beim Be-

trieb als Wärmepumpe bzw. Kältemaschine

1. Sicherheitshinweise

• Brennspiritus vorsichtig in Alkohol-Brenner einfül-len, darauf achten, dass nichts verschüttet wird.

• Alkohol-Brenner nie füllen, solange der Docht nochglimmt oder eine andere offene Flamme in derNähe ist.

• Spiritusflache nach Gebrauch sofort verschließen.• Nicht in die offene Flamme fassen.• Während und nach dem Betrieb des Stirlingmotors

mit Alkohol-Brenner Verdrängungszylinder nichtberühren. Glas kühlt nur langsam ab.

• Vorsicht! Flamme nur mit befestigtem Deckel lö-schen.

2. Beschreibung, technische Daten

Verdrängungszylinder und Verdrängerkolben bestehenaus hitzebeständigem Glas, Arbeitszylinder, Schwung-rad und Getriebeabdeckungen aus Acrylglas. Somit las-sen sich jederzeit die einzelnen Bewegungsabläufe sehrgut beobachten. Die Kurbelwellen sind kugelgelagertund bestehen aus gehärtetem Stahl. Die Pleuel sindaus verschleißfestem Kunststoff gefertigt.Die eingebaute Motor-Generator-Einheit mit zwei-stufiger Riemenscheibe ermöglicht die Umwandlungder erzeugten mechanischen Energie in elektrischeEnergie. Mit Umschaltmöglichkeit zum Betrieb einereingebauten Lampe sowie zum Betrieb externer Las-ten oder zur Einspeisung elektrischer Energie zum Be-trieb als Wärmepumpe oder Kältemaschine.Alkohol-Brenner (U10051) im Lieferumfang enthalten.

Motor-Generator-Einheit: max. 12 V DCRiemenscheibe zweistufig: 30 mm Ø, 19 mm ØGesamtvolumen: ca. 35 mlVolumenveränderung: ca.10 mlLeistung des Stirlingmotors: ca. 1 WAbmessungen: 300 mm x 220 mm x 160 mmMasse: 1,65 kg

2.1 Der Stirlingmotor als Wärmekraftmaschine (Abb. 1)In diesem Betriebsmodus dient der Alkoholbrenner alsEnergiequelle. Der über das Schwungrad mit einem Rie-men verbundene Elektromotor arbeitet als Generatorund liefert eine Ausgangsspannung, mit der eine Glüh-

1 Schwungrad mit Markierung zur Bestimmung der Drehzahl

2 Motor-Generator-Einheit mit zweistufiger Riemenscheibe

3 Schalter

4 Glühbirne

5 4-mm-Sicherheitsbuchsen

6 Alkoholbrenner

7 Temperatur-Messstutzen 1

8 Verdrängerkolben

9 Schlauchanschluss mit Kappe für Druckmessungen

bl Temperatur-Messstutzen 2

bm Arbeitskolben

bn Gewindestange M3 (verbunden mit Arbeitskolben)

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23B Scientific GmbH • Rudorffweg 8 • 21031 Hamburg • Deutschland • www.3bscientific.com • Technische Änderungen vorbehalten

birne oder über die Ausgangsbuchsen ein anderer Ver-braucher (z.B. ein kleiner Ventilator) betrieben werdenkönnen.

Drehzahl ohne Last: ca. 1000 U/minDrehzahl mit Generator als Last: ca. 650 U/minGeneratorspannung: ca. 6 V DCDruckdifferenz: + 250 hPa / - 150 hPa

2.2 Der Stirlingmotor als Wärmepumpe oderKältemaschine (Abb. 2)

Die Motor-Generator-Einheit dient als Antrieb desStirlingmotors im Betriebsmodus Wärmepumpe oderKältemaschine je nach Drehrichtung des Stirlingmotors.Dreht das Schwungrad im Uhrzeigersinn (aus der Blick-richtung vom Motor), arbeitet der Stirlingmotor als Käl-temaschine, entgegen dem Uhrzeigersinn als Wärme-pumpe. Zwei Temperatur-Messstutzen vor und hinterdem Verdrängerkolben stehen zur Messung derTemperaturzunahme bzw. –abnahme zur Verfügung.

Druckdifferenz: + 250 hPa / - 150 hPaMotorspannung: 9 VDrehzahl: 600 U/minTemperaturdifferenz(bezogen auf 21° C):

Kältemaschine: – 4 K (Reservoir: + 6 K)Wärmepumpe: + 13 K (Reservoir: - 1 K)

max. 12 VDC

Temperatur-Messstutzen 1 und 2

2.3 Aufnahme eines pV-Diagramms (Abb. 3)Zur Aufnahme von pV-Diagrammen kann die Druck-messung im Arbeitszylinder über die Schlauchanschluss-öffnung bewerkstelligt werden und die Volumen-bestimmung durch Befestigen des mitgelieferten Fadensam Arbeitskolben zur Messung des Hubweges.

3. Schema der Funktionsweise

Der ideale Stirlingprozess läuft in 4 Takten ab:1.Takt:Expansionsphase: Isothermische Zustandsände-

rung, die Luft expandiert bei konstanter Tem-peratur

2.Takt:Isochorische Zustandsänderung, die Luft kühltbei konstantem Volumen im Regenerator ab

3.Takt:Kompressionsphase: Isothermische Zustandsän-derung, die Luft wird isotherm komprimiert

4.Takt:Isochorische Zustandsänderung, die Luft wirdim Regenerator wieder auf die Anfangs-temperatur aufgeheizt

Im Stirlingmotor kann dieser Idealfall jedoch nicht rea-lisiert werden. Durch den Phasenversatz des Arbeits-und Verdrängerkolbens erreicht man eine Annäherungan diesen idealen Prozess. Dabei überlappen sich je-doch die 4 Takte. Bei der Expansion findet schon einGaswechsel von heiß nach kalt statt und bei derKompressionsphase befindet sich noch nicht die gan-ze Luft im kalten Teil des Motors.

Abbildung 1 Abbildung 2

Abbildung 3 Abbildung 4: A : Verdrängerkolben, B : Arbeitskolben

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Instructions d’utilisation

3B SCIENTIFIC® PHYSICS

U10050 Moteur Stirling transparent

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Le moteur Stirling permet une analyse quantitative ducycle Stirling. Il peut être exploité en trois modes dif-férents : comme moteur thermique, comme thermo-pompe et comme machine frigorifique.

Thèmes des expériences :• Relevé du diagramme pV comme moteur thermi-

que• Relevé du diagramme pV comme thermopompe et

machine frigorifique• Détermination expérimentale de la puissance mé-

canique et électrique en fonction de la vitesse• Détermination expérimentale du rendement• Détermination de la différence de température lors

du fonctionnement comme pompe thermique etcomme machine frigorifique

1. Consignes de sécurité

• Remplir avec précaution l’alcool dénaturé dans lebrûleur ; veiller à ne pas en renverser.

• Ne jamais remplir le brûleur à alcool tant que lamèche répand encore une faible lueur ou qu’uneautre flamme directe est allumée à proximité.

• Après son emploi, refermer immédiatement la bou-teille d’alcool.

• Ne pas mettre la main dans la flamme.• Pendant et après l’exploitation du moteur Sterling

avec le brûleur à alcool, ne pas toucher le cylindrerefouleur. Le verre ne refroidit que lentement.

• Prudence ! Eteindre la flamme uniquement lors-que le couvercle est fixé.

2. Description, caractéristiques techniques

Le cylindre et le piston refouleurs sont constitués enverre thermorésistant, le cylindre de travail, la rouevolante et les protections de l’engrenage en verre acryli-que. Ainsi les différentes phases des mouvements peu-vent-elles à tout moment être très bien observées. Lesvilebrequins en acier durci sont montés sur billes. Lesbielles sont en plastique inusable.L’unité intégrée du moteur – générateur avec poulie àdeux étages permet de transformer l’énergie mécani-que générée en énergie électrique. Avec possibilité decommutation pour exploiter une lampe intégrée ainsique pour appliquer des charges externes ou alimenterl’énergie électrique pour l’emploi comme pompe ther-mique ou machine frigorifique.Brûleur à alcool (U10051) fourni.

Unité moteur – générateur : max. 12 V CCPoulie à deux étages : Ø 30 mm, Ø 19 mmVolume total : env. 35 mlModification de volume : env. 10 mlPuissance dumoteur Stirling : env. 1 WDimensions : 300 mm x 220 mm x 160 mmMasse : 1,65 kg

2.1 Le moteur Stirling comme moteur thermique(Fig. 1)

Dans ce mode d’exploitation, le brûleur à alcool sertde source d’énergie. Relié par une courroie à la rouevolante, le moteur électrique fonctionne comme un

1 Roue volante avec repère pour déterminer la vitesse

2 Unité moteur – générateur avec poulie à deux étages

3 Interrupteurs

4 Ampoule

5 Douilles de sécurité de 4 mm

6 Brûleur à alcool

7 Support de mesure de température 1

8 Piston déplaceur

9 Raccord de tuyau avec chape pour mesures de pression

bl Support de mesure de température 2

bm Piston de travail

bn Tige filetée M3 (reliée au piston de travail)

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max. 12 VDC

Temperatur-Messstutzen 1 und 2

Figure 1 Figure 2

Figure 3 Figure 4 : A : Piston déplaceur, B : Piston de travail

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générateur et fournit une tension de sortie permettantd’allumer une ampoule ou de faire marcher un autreappareil (par ex. un petit ventilateur) par les douillesde sortie.Vitesse sans charge : env. 1 000 t/minVitesse avec générateurcomme charge : env. 650 t/minTension du générateur : env. 6 V CCPression différentielle : + 250 hPa / - 150 hPa

2.2 Le moteur Stirling comme thermopompe oumachine frigorifique (Fig. 2)

L’unité de moteur – générateur sert à entraîner le mo-teur Stirling en mode thermopompe ou machine fri-gorifique, selon le sens de rotation du moteur. Si laroue volante tourne dans le sens des aiguilles d’unemontre (vue depuis le moteur), le moteur Stirling fonc-tionne comme une machine frigorifique ; si la rouetourne dans le sens inverse, le moteur fonctionnecomme une thermopompe. Deux supports de mesurede température devant et derrière le piston refouleurpermettent de mesurer l’augmentation et la diminu-tion de la température.

Pression différentielle : + 250 hPa / - 150 hPaTension de moteur : 9 VVitesse de rotation : 600 t/minEcart de température(rel. à 21° C) Machine frigorifique : - 4 K (réservoir : + 6 K) Thermopompe : + 13 K (réservoir : - 1 K)

2.3 Relevé d’un diagramme pV (Fig. 3)Pour relever des diagrammes pV, la pression dans lecylindre de travail peut être mesurée par le biais del’orifice de raccord de tuyau. Pour déterminer le vo-lume, fixer le fil au piston de travail pour mesurer sacourse.

3. Schéma du principe de fonctionnement

Le processus Stirling idéal comprend 4 phases :1ère phase : Phase d’expansion : modification d’état

isothermique, l’air se détend à températureconstante

2e phase : Modification d’état isochore, l’air refroidità volume constant dans le régénérateur

3e phase : Phase de compression : modification d’étatisothermique, l’air est comprimé iso-thermiquement

4e phase : Modification d’état isochore, l’air est de nouveau réchauffé dans le régénérateur à latempérature initiale

Ce cas idéal ne peut cependant pas être réalisé dans lemoteur Stirling. Le décalage de phase des pistons detravail et refouleur permet de s’approcher du proces-sus idéal. Mais les quatre phases se chevauchent. Aucours de l’expansion, on observe déjà un échange ga-zeux de chaud à froid et, lors de la compression, latotalité de l’air ne se trouve pas encore dans la partiefroide du moteur.

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