LEYBOLD DIDACTIC GMBH Gebrauchsanweisung 388 17 ...

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Physik Chemie ⋅ Biologie Technik LEYBOLD DIDACTIC GMBH
Der Stirlingmotor S*) dient zur Veranschaulichung der Wirkungsweise
einer thermodynamischen Maschine zur Energieumwandlung.
Sie wandelt Wärmeenergie in mechanische
Energie um und arbeitet als Motor (Wärmekraftmaschine). Dieser
Prozeß ist umkehrbar: bei Zufuhr mechanischer Energie liefert
der Stirlingmotor thermische Energie; er wirkt je nach Drehrichtung
als Wärmepumpe oder als Kältemaschine.
Das Gerät eignet sich vorzugsweise für Schülerversuche; es
kann jedoch auch im Demonstrationsunterricht eingesetzt werden.
Versuchsbeispiele:
• Mechanische Leistungsabgabe einer Wärmekraftmaschine
• Kältemaschine
• Wärmepumpe
Literatur:
"Energie, Band 2" (599 651)
1 Sicherheitshinweise
• Im Schülerversuch nur mit Festbrennstoff (Esbit) arbeiten.
• Bei Benutzung von Spiritus Brennstofftank höchstens bis
zur Hälfte füllen!
• Vor Inbetriebnahme mit Tischklemme festklemmen!
• Arbeitskolben nicht ölen!
__________
*) Für anspruchsvolle quantitative Untersuchungen im
Demonstrationsunterricht und in Praktika steht der Heißluftmotor
mit Zubehör (388 18ff.) zur Verfügung, der nach dem
gleichen Prinzip arbeitet wie der Stirlingmotor S.
Gebrauchsanweisung 388 17
Instruction Sheet
Stirlingmotor S
Stirling Motor S
Fig. 1
The Stirling Motor S*) is used to demonstrate the operation of a
thermodynamic machine for the conversion of energy. It converts
thermal energy into mechanical energy and operates as a
motor (heat engine). This process is reversible: When applying
mechanical energy to the Stirling motor, it supplies thermal
energy; depending on the sense of rotation it operates as a heat
pump or as a refrigerator.
The Stirling motor is preferably to be used for students’ experiments,
it is however also suitable for demonstration by the
teacher.
Examples of Experiments
• Mechanical power output of a heat engine
• Refrigerator
• Heat pump
Bibliography:
"Energie, Band 2" (599 651, in German)
1 Safety Notes
• In students’ experiments only use solid fuel (Esbit).
• When using fuel alcohol, the fuel tank should only be half
filled at maximum.
• Prior to initial operation fix the motor to the table top using
a bench clamp.
• Do not oil the working piston!
__________
*) For advanced quantitative investigations in demonstration
teaching and practical training, the hot-air engine with
accessories (388 18 and following numbers) is available
which operates according to the same principle as the
Stirling motor S.

2 Beschreibung, Technische Daten
� Grundplatte, Aluminium-Druckguß
� Brennstofftank zum Einfüllen von Spiritus oder, bei abgenommener
Brennerkappe, zur Aufnahme von Festbrennstoff
� Brennerkappe, mit Hilfe eines Schraubendrehers o. ä.
abnehmbar
� Docht
� Verdrängerkolben
� Verdrängerzylinder mit Kühlrippen (6.1), durch Luftkanal
(6.2) mit Arbeitszylinder � verbunden
� Schwungrad
� Schwungradachse (Ø 4,7 mm) mit Riemenscheibe;
Schnurrillen Ø 8 mm
� Arbeitskolben
� Arbeitszylinder
Mechanische
Leistungsabgabe: 0,1 W
Abmessungen: 20 cm x 10,5 cm x 6 cm
Masse: 0,65 kg
3 Funktionsweise
3.1 Wärmekraftmaschine
Der Stirlingmotor S besitzt zwei Kolben:
den Arbeitskolben �, der in den Arbeitszylinder � dicht eingepaßt
ist und das Arbeitsgas (Luft) komprimiert, und den Verdrängerkolben
�, der sich im Verdrängungszylinder � bewegt.
Da zwischen der Wand des Verdrängungszylinders und
dem Verdrängerkolben ein Spalt besteht, wird das Arbeitsgas
durch den Verdrängerkolben nicht komprimiert, sondern nur
hin- und herbewegt.
Arbeitskolben � und Verdrängerkolben � bewegen sich mit
einer Phasenverschiebung von 90°. Idealisiert läuft ein Arbeitszyklus
so ab:
(1) Der Verdrängerkolben � wird zurückgezogen und drängt
das Arbeitsgas zum Ende des Verdrängerzylinders �, wo
es von außen erhitzt wird.
(2) Dabei dehnt es sich aus und drückt den Arbeitskolben �
aus seinem Zylinder �. Der Motor leistet dabei mechanische
Arbeit (Fig. 2.1).
(3) Der Verdrängerkolben � wird vorgeschoben und drängt
das Gas in den mit Kühlrippen (6.1) versehenen Teil des
Verdrängerzylinders. Dabei kühlt sich das Gas ab.
(4) Infolgedessen hat es bei der nachfolgenden Kompression
durch den Arbeitskolben � einen geringeren Druck als bei
der Expansion (2) (Fig. 2.2).
Daher gibt der Motor bei einem vollständigen Arbeitszyklus mechanische
Energie ab.
Fig. 2.1
2
2 Description, Technical Data
� Base plate, aluminium die-casting
� Fuel tank for filling in alcohol or, with cap removed,
for solid fuel
� Burner cap, removable by means of a screw-driver or
similar tool
� Wick
� Displacement piston
� Displacement cylinder with cooling fins (6.1), connected to
operating cylinder � by a ventilating duct (6.2)
� Flywheel
� Flywheel axle (4.7 mm dia.) with pulley,
grooves for thread: 8 mm dia.
� Operating piston
� Operating cylinder
Mechanical power output: approx. 0.1 W
Dimensions: 20 cm x 10.5 cm x 6 cm
Weight: 0.65 kg
3 Mode of Operation
3.1 Hot-air engine
The Stirling motor S has two pistons:
The operating piston �, closely fitting into the operating cylinder
�, compresses the gas (air), and the displacement piston �
which moves in the displacement cylinder �. As there is a gap
between the wall of the displacement cylinder and the displacement
piston, the gas is not compressed by the displacement
piston but only swept to and from.
Operating piston � and displacement piston � move with a
phase shift of 90° between each other.
Idealized operating cycle:
(1) The displacement piston � is retracted and sweeps the
working gas to the end of the displacement cylinder � where
it is heated from outside.
(2) The gas expands and presses the operating piston � nut
of the cylinder � whereby the motor delivers mechanical
work (Fig. 2.1).
(3) The displacement piston � is pushed forward and sweeps
the gas into the part of the displacement cylinder equipped
with cooling fins, whereby the gas cools down.
(4) Due to this, during following compression by the operating
piston � the gas has a lower pressure as during expansion
(2) (Fig. 2.2).
Therefore, during complete cycle the motor supplies mechanical
energy.
Fig. 2.2

3.2 Wärmepumpe und Kältemaschine
Setzt man den Motor in Bewegung, wirkt er, je nach Drehrichtung,
als Wärmepumpe oder Kältemaschine.
Beim Betrieb als Wärmepumpe wird das Gas an das Ende des
Verdrängerzylinders � geschafft und dann komprimiert. Dabei
erwärmt es sich und gibt Energie an den Zylinder ab. Dann wird
das Gas zwischen die Kühlrippen (6.1) transportiert, denen es
bei der nachfolgenden Expansion Wärme entzieht.
Beim Betrieb als Kältemaschine expandiert das Gas unter
Energieaufnahme am Ende des Verdrängerzylinders, den es
dabei abkühlt, wird dann zwischen den Kühlrippen durch Kompression
erwärmt und gibt diese Wärme an die Kühlrippen ab.
Die Drehrichtung des Motors bestimmt also die Richtung des
Wärmetransports.
4 Bedienung
4.1 Zusätzlich erforderlich:
Tischklemme (zum Fixieren des
Motors auf der Tischplatte) z.B. 301 07
Esbit - Festbrennstoff
oder
Spiritus (nicht im Schülerversuch verwenden!)
Angelschnur 309 48
Temperaturanzeige- oder Meßgeräte, Bereich 15 °C bis 25 °C,
z.B.
Flüssigkristallfolie (18 °C bis 23 °C) aus 382 93
oder
Thermometer z.B. 382 35
oder
Digitales Handthermometer 666 188
oder
Temperaturfühler 660 193
mit Digitalem Temperaturmeßgerät 666 190
Wärmeleitpaste
4.2 Betrieb als Heißluftmotor; Wärmekraftmaschine (Fig. 3)
Brennerkappe � mit Hilfe eines Schraubendrehers o. ä. entfernen.
Einen halben Esbit-Quader unter den Verdrängerzylinder � legen
und anzünden. Nach ca. 30 s Schwungrad � anwerfen
(von der Arbeitskolbenseite aus gesehen gegen den Uhrzeigersinn).
Bei Benutzung des Spiritusbrenners (nicht im Schülerversuch!):
Brennstofftank zur Hälfte mit Spiritus füllen, Docht ca.
2 cm aus der Brennerkappe herausziehen, Brennerkappe und
Docht unter den Verdrängerzylinder bringen.
Messung der mechanischen Leistungsabgabe P (Fig. 3)
Zwirnsfaden U-förmig um die Riemenscheibe legen und mit
zwei 1-N-Kraftmessern spannen (314 141). Kraftdifferenz ΔF,
die der am Umfang der Riemenscheibe wirkenden Reibungskraft
entspricht, messen.
3
3.2 Heat pump and refrigerator
When starting the motor it operates as a heat pump or as a
refrigerator, depending on the sense of rotation.
When operated as a heat pump, the gas is swept to the end of
the displacement cylinder � and then compressed. It warms up
and gives off energy to the cylinder. The gas is then transferred
to the space between the cooling fins (6.1) from which it takes
up heat during the following expansion process.
When operated as refrigerator, the gas expands taking up energy
at the end of the displacement piston, thereby cooling the
piston. The gas is then heated up between the cooling fins, due
to compression, and gives off this heat to the cooling fins.
Hence, the sense of rotation of the motor determines the direction
of heat flow.
4 Use
4.1 Additionally required:
Bench clamp (to fix the motor
to the table top) e.g. 301 07
Esbit - solid fuel
or
fule alcohol (not to be used in students’ experiments)
Fishing line 309 48
Temperature indicators or thermometers, range 15 °C to 25 °C,
e.g.
Liquid crystal foil (18 °C to 23 °C) from 382 93
or
Thermometer e.g. 382 35
or
Digital hand-thermometer 666 188
or
Temperature probe with 666 193
Digital thermometer 666 190
Heat conducting paste
4.2 Operation as a hot-air engine; heat engine (Fig. 3)
Remove burner cap � by means of a screw-driver or similar
tool.
Place half an Esbit block below the displacement cylinder �
and ignite it. After approx. 30 secs. set flywheel � in motion
(anticlockwise when viewed from the displacement-piston
side).
When using the alcohol burner (never in students’ experiments!):
fill half of the fuel tank with fuel alcohol, pull out approx.
2 cm of the wick and bring burner cap and wick below the displacement
cylinder.
Measurement of the mechanical power output P (Fig. 3):
Place twisted thread around the pulley to form an U and tension
it by two 1-N dynamometers (314 141). Measure the difference
of force ΔF which corresponds to the frictional force acting on
the circumference of the pulley.
Fig. 3
Bestimmung der mechanischen Leistung des Stirlingmotors S
Determining the mechanical power output of the Stirling motor S

Seidenfaden in geschlossenem Ring um Schwungradachse
und Laufrolle des Tachymeters (337 41) legen und durch Verschieben
der Laufrolle leicht (!) spannen. Auf der v-Skala des
Tachymeters die Umfangsgeschwindigkeit v der Achse in m/s
ablesen.
Leistung P berechnen:
P = ΔF ⋅ v ⋅ D
d
D: Schnurrillen Ø = 8 mm
d: Schwungradachsen Ø = 4,7 mm
Messung bei Leerlaufdrehzahl (ΔF = 0) beginnen und ΔF
schrittweise steigern.
4.3 Betrieb als Kältemaschine oder Wärmepumpe (Fig. 4)
Motor fest an Tischkante anklemmen.
Verdrängerzylinder � entweder
zur Demonstration der Temperaturänderung mit Flüssigkristallfolie
umwickeln, die mit Tesafilm befestigt wird, oder
zur Temperaturmessung über Wärmeleitpaste oder Wassertropfen
mit Thermometer oder Temperaturfühler kontaktieren.
Ca. 80 cm Angelschnur zweimal um die Schwungradachse �
wickeln, spannen und durch kräftige Hin- und Herbewegung
der gespannten Angelschnur Motor antreiben, wobei die Angelschnur
jeweils während der Rückbewegung entspannt wird.
Rechtslauf der Achse (von der Arbeitskolbenseite betrachtet):
Wärmepumpe.
Linkslauf: Kältemaschine (gleiche Richtung des Wärmeflusses
wie bei Motorbetrieb; daher identische Laufrichtungen).
4.4 Pflege
Achse des Verdrängerkolbens und Lagerbuchsen des Schwungrades
gelegentlich ölen (Nähmaschinenöl).
Place silk thread in a closed loop around flywheel axle and roller of
tachymeter and slightly (!) tension it by displacing the roller.
Read off the circumferential speed v of the axle in m/s from the
v-scale of the tachymeter (337 41).
Calculate power P:
P = ΔF ⋅ v ⋅ D
d
D: grooves= 8 mm dia.
d: flywheel axles= 4.7 mm dia.
Start measurement with no-load speed (ΔF = 0) increasing ΔF
step-by-step.
4.3 Operation as a refrigerator or heat pump (Fig. 4)
Clamp the motor firmly to the edge of the table.
To demonstrate the change in temperature, cover the displacement
piston � with liquid-crystal foil fastened with adhesive
tape.
For temperature measurement bring the displacement cylinder
�, via heat-conducting paste or a drop of water, in contact with
a thermometer or temperature probe.
Fig. 4
Betrieb des Stirlingmotors S als Kältemaschine oder Wärmepumpe;
von t = 0 bis t = 3,5 min Betrieb als Kältemaschine,
bei � Stillstand, bei � Umkehr der Drehrichtung und Betrieb
als Wärmepumpe
Stirling motor operated as a refrigerator or heat pump;
from t = 0 to t = 3.5 mins. operation as refrigerator, at �
standstill, at � reversal of direction of rotation and operation
as heat pump.
Wind approx. 80 cm of fishing line twice around the flywheel
axle �, tension it and drive the motor by a strong to-and-from
motion of the tensioned fishing line, slackening the fishing line
with every return motion.
Clockwise rotation of axle (viewed from the working-piston
side): heat pump.
Anticlockwise rotation: refrigerator (same direction of heat flow
as in motor operation; therefore identical directions of rotation).
4.4 Maintenance
Occasionally oil the axle of the displacement piston and the
bearing bushes of the flywheel (sewing machine oil).
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