Het idee
Het ietwat instabiele gedrag van de Stirling Onrust modellen volgens nr. 6 en 7 heeft mij getriggerd om een variant te maken die dit gedrag niet vertoont.
Ik kreeg het vermoeden dat ik daarvoor het relatief lange en dunne slangetje moest elimineren waar de opgewarmde en afgekoelde lucht zich afwisselend door heen moet "wringen". Het slangetje beweegt ook mee op en neer, waardoor er ook wat mechanische en weinig gecontroleerde tegenkrachten veroorzaakt worden.
Ook wilde ik het handmatig en lopende weg nastellen van het evenwicht met de slinger vermijden.
De uitwerking van het ontwerp
Het elimineren van het slangetje was eigenlijk eenvoudig te realiseren door de reageerbuis en de cilinder rechtstreeks aan elkaar te koppelen. Wel moest voldaan worden aan het stirling principe dat de kogels, die hier als verdringer fungeren, 90º in het bewegingsdiagram voorlopen op de beweging van de zuiger. Een voorstudie op papier leerde mij dat dit bij deze constructie automatisch het geval is. Zeker en vast niet toevallig, maar wel tot mijn aangename verrassing.
Het toepassen van een vliegwiel met excentriek i.p.v. een slinger zou het evenwicht van het atmosferische systeem automatisch moeten bewerkstelligen vanwege het opdringende bewegingseffect van het vliegwiel. Een vliegwiel is trouwens niet instelbaar zoals een slinger en dus rekende ik er maar op dat deze automatische instelling van het evenwicht ook daadwerkelijk zou optreden, omdat anders deze stirling niet zou (blijven) lopen. Het geluk bleek met de domme: het tuigje schudt zeer betrouwbaar en ook erg bedachtzaam op en neer met een zeer constant tempo van 40 slagen per minuut. Het doet denken aan de bewegingen van een ja-knikker die olie oppompt, reden waarom ik het ook die naam heb gegeven.
Het vliegwiel draait niet op de gebruikelijke manier rond met een relatief hoge en constante snelheid. Merkwaardig is het om te zien dat het vliegwiel twee keer in de cyclus een zetje krijgt door het uitzetten, respectievelijk het inkrimpen van de lucht in de cilinder en dat het de beweging ook twee keer door het dode punt heen helpt.
Mijns inziens is dit model eigenlijk wel de meest "basic" uitvoering van een Stirling motor. Het loopt zowel op een spiritus brander als op een waxine lichtje.Video:
Een opmerkelijk samenspel van fysische fenomenen:
Voor degenen die het willen zien voltrekt zich hier een fascinerend en welhaast perfect samenspel van een aantal fysische fenomenen:
1. Het excentriek zorgt er niet alleen voor dat de zuigerbeweging in een roterende beweging van het vliegwiel wordt omgezet, maar ook dat er een kantelbeweging van de reageerbuis ontstaat, dit in combinatie met de speciale ophanging van de cilinder in de gaffel;
2. De zwaartekracht op de kogels zorgt ervoor dat ze bij die kantelbeweging heen en weer gaan rollen in de reageerbuis;
3. Dit heen en weer rollen verdringt de lucht afwisselend van het hete naar het relatief koude gedeelte van het systeem en omgekeerd;
4. De afgesloten hoeveelheid lucht gaat daardoor ook afwisselend uitzetten en inkrimpen waardoor twee keer per cyclus een kracht op de zuiger wordt uitgeoefend die op het juiste moment van richting omkeert;
5. Die krachten veroorzaken via het excentriek de rotatie van het vliegwiel, zodat de proceskring daarmee rond is;
6. Het vliegwiel helpt de beweging over de twee dode punten in de cyclus heen, zodat die beweging zich blijft herhalen zolang het vlammetje energie aan het systeem blijft toevoeren;
7. Het zijn de massa traagheden van (voornamelijk) de rollende kogels die als een tijdkonstante het relatief lage tempo van de oscillerende beweging bepalen.
Allemaal logisch zal een fysisch georienteerde lezer zeggen, maar het is m.i. toch wel zeer opmerkelijk dat deze harmonische samenwerking tussen verschillende fysische verschijnselen zich afspeelt binnen een zo'n eenvoudig concept !
Hoofd afmetingen
Outlines l*b*h= 170*100*120 mm;
Diameter werkzuiger 11mm, slag 11mm;
Diameter reageerbuis: 16 mm uitw. en 14 mm inw.; lengte 75mm;
Diameter keramische kogels: ca 13 mm
Diameter messing vliegwiel: 65 mm; breedte 10 mm.
Het hittebestendig glas
Ik heb mijn hittebestendige glazen buisjes betrokken van mijn voormalige werkgever Philips Roosendaal. Het zijn standaard hittebestendige (pyrex) reageer buizen maar het is wel even zoeken waar je ze kunt kopen. Er zijn wel groothandelaren die ze verkopen (type maar eens “Duran pyrex reageerbuizen” in bij Google). Maar dit soort bedrijven verkopen meestal alleen groot verpakkingen (eenheden van 100 of nog meer) en dat is ook weer niet zo handig. Per stuk zijn ze goedkoop (ca 20 cent) maar als je er erg veel moet kopen wordt het toch weer duur en wat doe je met de rest? Soms zijn ze wel bereid om een paar gratis monsters te sturen als je ze opbelt en een beetje “schooit voor het goede doel”. Ik heb dat scholieren al enkele keren met succes zien doen.
Ik kort mijn buisjes als volgt in:
-Voorzichtig inspannen in de spantang van de draaibank en het buisje met lage snelheid laten ronddraaien;
-Het bekend dunne rode slijpschijfje (of beter nog een diamant slijpschijfje) in de Dremel slijptol zetten en met hoge snelheid licht tegen het draaiende glas zetten zodat daar een groef in komt op de plaats die je tevoren met en viltstift heb aangetekend (komt niet op 1 mm aan)
-Tijdens dit slijpen van de groef het schijfje voortdurend wat nat houden met een penseeltje met terpentine eraan;
-Net zo lang slijpen tot het glas afbreekt ter plekke van de groef; dit kan wel even duren met hittebestendig hardglas;
-De kopse kant van het snijvlak wat naschuren met fijn waterproof schuurpapier op een met water bevochtigd glasplaatje.Als je dit voorzichtig en met beleid doet gaat het bijna altijd goed. Wel een bril opzetten, je weet maar nooit !
Keramische kogels
Oorspronkelijk maakte ik gebruik van keramische kogels die voor dit doel wel ideaal zijn omdat ze licht van gewicht zijn en daardoor de kop van de glazen buis niet stuk slaan als ze daar daar tegen stoten. Ik heb er ooit paar kunnen bemachtigen bij mijn voormalige werkgever waar ze gebruikt werden om poeders mee fijn te malen in een trommel.
Deze keramische kogels zijn echter nergens meer te koop voor zover ik kan nagaan.
Het kan ook wel goed met speelgoed knikkers, maar die gieren meestal van thermische spanning zodat ze daardoor gemakkelijk springen als ze heet worden gemaakt. Soms lijkt het toch te lukken als ze netjes spanningsvrij zijn gemaakt. Die schijnen wel te bestaan, maar het is natuurlijk niet zichtbaar aan de buitenkant.
Het is mij later gebleken dat het ook goed werkt met stalen kogels met een diameter van ca 13mm en die zijn overal op internet wel te vinden. Omdat het tempo van het heen en weer rollen van de kogels in de glazen buis laag is zullen ze de kop daarvan meestal ook niet stuk slaan.
Tekening pakket.
Voor deze Sterling maakte ik een CAD tekeningpakket dat voor eenieder beschikbaar is; klik hier voor een aanvraag.
Mooie replica van Pieter de Jong:
40 mooie replicas gemaakt
door leerlingen van
Steve Johnson:
Replica van
Ben Trueblood:
