Ultra
Low Temperature Stirling Engine
Niedertemperatur-Stirling-Motor
Ultra - Exergia Ideas in Light and Energy [email protected] www.newenergyshop.com
Page / Seite 2
Ultra - Exergia Ideas in Light and Energy [email protected] www.newenergyshop.com
Einfhrung
Auf der Suche nach einer Alternative zur etabliertenDampfmaschine entwickleten die Brder James und RobertStirling im Jahre 1815 ein neues Motoren-Konzept. Dieserneue Motor verwendete Luft als Arbeitsmedium undvermied damit das Explosionsrisiko der Kessel derdamaligen Dampfmaschinen.
Im Gegensatz zu den blichen Otto- und Diesel-Motorenfindet beim Stirling-Motor keine interne Verbrennung statt.Er wird lediglich durch Zufuhr von externer Wrmebetrieben und ist daher zur Nutzung jeglicherWrmequellen geeignet. Diese Eigenschaft ist es, die denStirling Motor heute bei der Suche nach alternativenEnergietechniken wieder interessant macht. In denachtziger Jahren des letzten Jahrhunderts wurden vonProf. I. Kolin (Universitt Zagreb), Prof. J. Senft (Universittof Wisconsin) und anderen erstmals Stirling-Maschinenrealisiert, die durch Temperatur-differenzen im Bereich vonca. 20 Grad Celsius und darunter angetrieben werdenkonnten. Damit waren Konzepte aufgezeigt, den Stirling-Motor auch zur Nutzung von Solarstrahlung und Abwrmeeinzusetzen.
Der Modell-Motor Ultra ist von diesen Konzepten inspiriertund demonstriert eindrucksvoll die Umwandlung vonNiedertemperatur-Wrme in Bewegungsenergie.
Introduction
In 1815 during the early days of the Industrial Revolutionlooking for an alternative concept for the established steamengines the brothers James and Robert Stirling inventedtheir so called Stirling Engine and built a first prototype.Because this type of engine used air instead of steam asworking fluid it avoided the risk of explosion of the steamengines of these days.
The Stirling engine is a heat engine that is vastly differentfrom the internal-combustion engine in your car or a steamengine. It has the potential to use any heat source as fueland can be more efficient than a gasoline or diesel engine.As the limitation of our fossil energy resources becameobvious, scientists and engineers recalled the old Stirlingprinciple to use alternative energy sources. During the 80`sof the last century prof. I. Kolin (University of Zagreb), prof.J. Senft (University of Wisconsin) and others developed thefirst engines based on the adapted Stirling principle runningwith a temperature differential below 20 degrees Celsius.Thereby the possibility of designing a Stirling enginepowered by unconcentrated sunlight or waste heat waspointed out.
The Stirling Ultra shows the realization of these concepts inform of an extraordinary engine, which demonstrates theconversion of low temperature heat - even the heat of yourhand - into mechanical work.
Function
Let's assume that the engine's bottom plate is hot and thetop plate cold. When the displacer plate moves up, air flowsaround it and down to the bottom plate, where it is warmedup. On its way back to the top of the engine hot air streamsaround the displacer plate and is cooled by the aluminiumtop plate. The periodic change of the air's temperaturecauses a variation of its pressure, because it isencapsulated in the engine's housing. This results in aperiodic force on the working piston on top of the engine.This force is transmitted by the connecting rod andcrankshaft to the flywheel and converts the up-and-downmovement of the working piston into a rotational movementof the flywheel.
The displacer itself gets the power for its movement fromthe rotating flywheel via a connection of a secondconnecting rod to the crankshaft.
Funktionsweise
Wir gehen von einer warmen Boden- und einer kaltenDeckplatte aus. Bei der Aufwrtsbewegung derVerdrngerplatte strmt die Luft an dieser vorbei nachunten, wo sie sich erwrmt. Bei der Abwrtsbewegung derVerdrngerplatte strmt die Luft nach oben und khlt sichan der Deckplatte ab. Da das Arbeitsluftvolumen gegen dieUmgebung abgedichtet ist, fhrt die periodischeTemperaturschwankung zu einer Druckvariation. Diesewirkt als Kraft auf den Arbeitskolben an der Deckplatte. DasPleuel und die Kurbelwelle bertragen diese Kraft auf dasSchwungrad und wandeln so die Auf- undAbwrtsbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung desSchwungrades um.
Die Antriebsenergie fr die Verdrngerplatte wird demSchwungrad entnommen und ber die Kurbelwelle und einzweites um 90 Grad versetztes Pleuel bertragen.
Page / Seite 3
Ultra - Exergia Ideas in Light and Energy [email protected] www.newenergyshop.com
Assembly Drawing / Zusammenbauzeichnung
Parts List / Teileliste
1 Top plate Deckplatte
2 Housing ring Gehusering
3 Floor plate Bodenplatte
4 Displacer Verdrnger
5 Displacer bushing Verdrngerbuchse
6 Displacer rod Verdrngerstange
7 Power piston Arbeitskolben
8 Power piston bushing Arbeitskolbenbuchse
9 Power cylinder Arbeitszylinder
10 Elbow joint Winkel
11 Connecting rod, short Pleuel, kurz
12 Connecting rod, long Pleuel, lang
13 Crank disc Kurbelwange
14 Socket Einsatz
15 Crank disc Kurbelscheibe
16 Bearing bush Lagerbuchse
17 Flywheel Schwungrad
18 Packing ring O-Ring
19 Ball bearings Kugellager
20 Crankshaft Kurbelwelle
21 Crank pin Kurbelzapfen
Page / Seite 4
Ultra - Exergia Ideas in Light and Energy [email protected] www.newenergyshop.com
Justierung des Verdrngers
Dieser Stirling-Motor ist fertig montiert und braucht imNormalfall keine weitere Justierung. Falls Sie ausirgendwelchen Grnden den Verdrnger nachjustierenmssen, beachten Sie bitte folgendes:
Ziel ist es bei einer Schwungrad-Umdrehung einenvollstndigen Hub des Verdrngers (4) zwischen Deck- (1)und Bodenplatte (3) zu erreichen. Durch geringfgigesVerdrehen der Kurbelwange (13) auf dem Kurbelzapfen(21) im Uhrzeigersinn knnen Sie den Verdrngerhubvergrern. Bei anschliessender Drehung der Kurbelwelle(20) wird die Verdrngerbuchse (5) bei Berhrung desVerdrngers mit der Deck- bzw. Bodenplatte auf derVerdrngerstange (6) verschoben. Vergrern Sie denVerdrngerhub soweit, dass bei einer Umdrehung derVerdrnger jeweils leicht oben und unten anschlgt. Umeinen vollstndig freien Lauf des Verdrngers zu erreichenmssen Sie danach die Kurbelwange minimalzurckdrehen.
Adjusting the Displacer
Your engine comes completely assembled and should runout of the box. So in normal use the engine should neverneed adjusting. But if you ever have to do adjustment, hereis the procedure:
The general idea of adjustment is to get a full stroke of thedisplacer (4) between the housing top (1) and floor plate(3). There are two important markers: One the socket (14)and another on the crank disc (13). Start with alignment ofthis two markers. To increase the stroke of the displacer (4)wind the crank disc A (13) a bit. Then carefully rotate theflywheel (17). Doing this the displacer rod (6) will be shiftedin the displacer bushing (5). Repeat this procedure until yougot a full stroke of the displacer (4) in the housing. After thisrewind the crank disc (13) a little bit so that there is a littlegap between the displacer (4) and the housings top (1) andfloor plate (3) when it is in the upper and lower position.
Important note:
Ultra is a demonstration engine for intermittent use with amaximum operating temperature of 45 C. Never put oil,water or other fluids on the engines pistons. To clean theacrylic parts do not use agressive solvents.
Bitte beachten:
Ultra ist ein Demonstrations-Modell und daher nicht fr denDauereinsatz geeignet. Achten Sie darauf, dass bei derErwrmung eine Temperatur von 45 C nicht berschrittenwird. Niemals l, Wasser oder sonstige Flssigkeiten aufdie Laufflchen des Kolbens gelangen lassen. Bitte zurReinigung der Plexiglasteile keine agressivenLsungsmittel verwenden.
Operation
Your Ultra engine is driven by a heat flow between its topand bottom plate caused by a temperature differentialbetween these plates. So there are two possibilities to runthe engine: Heat the bottom plate and cool the top plate orvice versa. These operation modes are correlated withopposite direction of rotation. Heat sources can be the heatof your hand, hot water, coffee, tea in a cup or (sun) lightbeing absorbed by the top plate. You can even use thesurrounding air as a heat source and cool it with ice cubes.But notice that a minimal temperature differential of about15 C between the top and bottom plate is required to runthe engine. Do your own experiments!
A few minutes after beginning the heating or cooling youcan start up the engine with a smooth kick on the flywheel.Be aware of the right direction of rotation.
Inbetriebnahme
Dieser Motor bezieht seine Antriebsenergie aus einemWrmestrom zwischen der Deck- und Bodenplatte, diedazu auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werdenmssen. Man kann dies sowohl durch Erwrmen als auchdurch Abkhlen der Bodenplatte erreichen. Beachten Siejedoch die sich ergebenden unterschiedlichenDrehrichtungen. Machen Sie eigene Experimente: StellenSie den Motor auf Ihre warme Handinnenflche, eineTasse mit heissem Kaffee oder Tee, oder lassen Sie Ihnvon oben durch Sonnenlicht erwrmen. Es ist sogarmglich Ultra mit Eiswrfeln zu betreiben. Entscheidendjedoch ist immer, dass eine ausreichendeTemperaturdifferenz z
