Enciclopedia Tehnologiilor și Metodelor - Motoare termice
În secolul al XIX-lea, fizicianul englez Joule a observat că, dacă o bandă de cauciuc preîntinsă este ușor încălzită, aceasta începe imediat să se micșoreze. Acest fenomen a devenit interesat de Paul Archibald de la Universitatea din California, care a decis să-l folosească într-un motor termic. Designul lui Archibald a constat (Fig. 1) din benzi de cauciuc întinse între marginile a două discuri. Ea amintea foarte mult de o roată de veveriță. Discurile au fost așezate la un unghi de opt grade și fiecare s-a rotit pe propriul arbore. În centru, arborii erau legați unul de celălalt folosind o legătură flexibilă, necesară pentru a compensa forțele din benzile elastice întinse și pentru rotația sincronă a două discuri.
În decurs de o tură, fiecare bandă de cauciuc se poate relaxa sau strânge. Întinderea maximă va fi atunci când marginile discurilor diverge și când banda de cauciuc atinge nivelul apei calde. De îndată ce intră în contact cu apa, apare o forță suplimentară de compresiune, care duce la o redistribuire a tuturor forțelor care acționează asupra discurilor. Rezultatul este o forță care face ca discurile să se rotească cu o viteză constantă. Trebuie doar să rețineți că căldura excesivă duce la scăderea vitezei de rotație și chiar la oprirea completă a motorului. La începutul anilor 1920, William Wiegand, fondatorul industriei cauciucului și specialist în fiabilitatea anvelopelor de automobile, a devenit interesat de problema utilizării efectului Joule. Programul de prelegeri pe care le-a susținut studenților a inclus o demonstrație a efectului Joule. Într-o sală mare de cursuri, de tavan era atașată o bandă lungă de cauciuc, de la capătul de jos atârna o greutate care întindea banda de patru ori. Când arzătoarele Bunsen instalate lângă centură s-au aprins, sarcina a sărit instantaneu în sus.Când alimentarea cu gaz la arzătoare s-a oprit și focul s-a stins, sarcina a revenit din nou la poziția inițială. Mai târziu, colaborarea lui Wiegand cu Skipel a dus la două modele de motoare interesante. Primul era (Fig. 2) un pendul complex, care avea două greutăți destul de masive pe tijă.
Pendulul oscilează, bazându-se pe suporturi pentru cuțite. Exact pe aceleași suporturi, este atașată o bandă de cauciuc care, cu orice abatere de la poziția verticală a pendulului, ar trebui să creeze o forță de ridicare care să nu depășească greutatea ambelor greutăți. Când este deplasat față de verticală, are loc o întindere suplimentară a benzii. Prin urmare, pendulul se oprește după mai multe oscilații amortizate. Pentru o mișcare continuă, este necesar să-i aduceți energie. Sursa sa poate fi un reflector obișnuit. Dar căldura ar trebui să acționeze asupra benzii de cauciuc numai în anumite faze ale oscilației pendulului. Designul pendulului este prevăzut cu un amortizor de umbră, care permite grinzilor să încălzească banda de cauciuc numai la cele mai mari abateri ale pendulului. Ca urmare a încălzirii și răcirii alternative a benzii, determină în mod constant pendulul să oscileze. Acest motor este deja ceva mai ușor de fabricat decât motorul Archibald. Dimensiunile motorului Wiegand și Skipel pot fi alese după dorință. Este mai bine dacă înălțimea întregii structuri nu depășește un metru. Orice altceva poate fi văzut în detaliu în figură. Un alt motor Wiegand (Fig. 3) va necesita o jantă de roată de bicicletă, ale cărei margini sunt conectate rigid în două puncte la un cadru metalic dreptunghiular.
Un ac de cusut obișnuit servește ca axă pe care se rotește o roată într-un plan vertical. Căldura de la o sursă radiantă face ca benzile de cauciuc să se contracte la o anumitărotație și duce la o deplasare a centrului de greutate al roții. În acest caz, sistemul începe să se rotească, încercând să ia o stare de echilibru. Viteza sa de rotație este de până la 22 de rotații pe minut. L. Stong a construit un model îmbunătățit (Fig. 5), care a încorporat elemente ale tuturor celor anterioare. Arborele cotit al lui Wiegand a fost reținut, cadrul metalic a fost înlocuit cu o roată. Benzile de cauciuc au fost întinse între marginile roții și arborele cotit fixat permanent. Roata se învârtea într-un vas cu apă la fel ca la primul motor. Folosind o casetă de film de 16 mm, niște bucșe de teflon și benzi de cauciuc, acest model poate fi construit în câteva ore. Un astfel de motor se va dezvolta până la 12 rpm în apă cu o temperatură de 50 ° C la o umiditate relativă de 50%.
Puteți alege aproape orice dimensiune a motorului Stong, deoarece sarcina pe rulmenți va fi radială, iar tensiunea de la benzile de cauciuc se va anula reciproc. Puterea de ieșire poate fi mărită nu numai prin creșterea diametrului roții, ci și prin creșterea numărului de benzi de cauciuc sau prin plasarea mai multor astfel de roți pe același arbore simultan. Este necesar să știți că puterea unui motor care utilizează apa ca mediu de transfer termic depinde de rata de evaporare a umidității din benzile de cauciuc. Rezultatele experimentelor efectuate cu termocupluri instalate în benzi de cauciuc au arătat că la o umiditate relativă de 50%, intervalul de răcire al acestor benzi a fost de 10 ori mai mare decât intervalul de încălzire. Însă intervalul de răcire poate fi redus fie prin creșterea vitezei de mișcare a aerului, fie prin utilizarea unui strop de apă rece. Dacă, de exemplu, se folosește un ventilator, atunci motorul însuși trebuie să furnizeze energie pentru a-l conduce. Puteți calcula cu ușurință cuplul motor aplicând legea lui Joule. Dacăîntinde banda de cauciuc cu o forță de P=5 kg la o temperatură de T = 300°K (27°C) și apoi se încălzește până la T = 339°K (66°C), apoi creșterea forței (F) va fi:
Cunoscând mărimea acestei forțe, excentricitatea arborelui cotit, precum și unghiul de aplicare al acestei forțe, se calculează cuplul. Deși cauciucul natural poate fi extins cu până la 600%, motoarele cu lungimea de trei ori mai mare decât benzile de cauciuc arată cele mai bune rezultate. Prin urmare, pentru ca motorul să aibă o stare echilibrată în momentul inițial, este necesar să suspendați fiecare centură și să o supuneți forței și să încercați să aveți aceeași alungire cu aceeași sarcină. În ciuda simplității lor, motoarele termice din cauciuc nu și-au găsit aplicații practice, deși acolo unde nu există combustibil și nu este nevoie de prea multă putere, pot funcționa. Wiegand a plănuit chiar să construiască un motor de 5 CP, iar imaginația sa și-a imaginat motoare gigantice undeva la tropice transformând energia solară în lucru.
Autor: inginer Zavorotov V. http://patlah.ru