Ein Heißluftmotor [1] (früher als Luftmotor oder genannter Kalorikmotor [2]) ist eine Wärmekraftmaschine, die die Expansion und Kontraktion von Luft verwendet unter dem Einfluss einer Temperaturänderung, um thermische Energie in mechanische Arbeit umzuwandeln. Diese Motoren können auf einer Reihe thermodynamischer Zyklen basieren, die sowohl Geräte mit offenem Zyklus umfassen, wie die von Sir George Cayley [3] und John Ericsson [4] als auch der Motor mit geschlossenem Zyklus von Robert Stirling [5]. Heißluftmotoren unterscheiden sich von den besser bekannten Verbrennungsmotoren und Dampfmaschinen. In einer typischen Implementierung wird Luft wiederholt in einem Zylinder erhitzt und abgekühlt, und die resultierende Expansion und Kontraktion wird verwendet, um einen Kolben zu bewegen und nützliche mechanische Arbeit zu erzeugen.
Definition [ edit ]
Der Begriff "Heißluftmotor" schließt insbesondere jeden Motor aus, der einen thermodynamischen Zyklus durchführt, bei dem das Arbeitsfluid einen Phasenübergang durchläuft, wie beispielsweise der Rankine-Zyklus. Ebenfalls ausgeschlossen sind herkömmliche Verbrennungsmotoren, bei denen dem Arbeitsfluid durch Verbrennung von Kraftstoff im Arbeitszylinder Wärme hinzugefügt wird. Kontinuierliche Verbrennungsarten wie George Braytons Ready Motor und die damit verbundene Gasturbine können als Grenzfälle angesehen werden.
Geschichte [ edit ]
Die ausgedehnte Eigenschaft der erhitzten Luft war den Alten bekannt. Held von Alexandria Pneumatica beschreibt Geräte, die zum automatischen Öffnen von Tempeltüren verwendet werden können, wenn ein Feuer auf einem Opferaltar angezündet wurde. Geräte, die als Heißluftmotoren oder einfach Luftmotoren bezeichnet werden, wurden bereits ab 1699 aufgezeichnet. Im Jahr 1699 legte Guillaume Amontons (1663–1705) der Royal Academy of Sciences in Paris einen Bericht vor seine Erfindung: ein Rad, das durch Hitze gedreht werden sollte [6]. Das Rad wurde senkrecht montiert. Um die Radnabe herum befanden sich wassergefüllte Kammern. Luftgefüllte Kammern auf der Felge wurden durch ein Feuer unter einer Seite des Rades erhitzt. Die erwärmte Luft dehnte sich aus und drückte Wasser über Schläuche von einer Kammer zur anderen, wodurch das Rad aus dem Gleichgewicht gebracht wurde und sich drehte.
Siehe:
- Amontons (20. Juni 1699) "Moyen de substituer commodement l'action du feu, à la force de hommes und des chevaux pour mouvoir les machines" (Mittel zum bequemen Ersetzen der Kraft von Männern und Pferden durch Feuer und Feuer um zu bewegen [i.e., power] Maschinen), Mémoires de l'Académie Royale des Sciences Seiten 112-126. Die Mémoires erscheinen in der Histoire de l'Académie Royale der Wissenschaften, année 1699 die 1732 veröffentlicht wurde. Der Betrieb von Amontons moulin à feu ( Feuermühle) wird auf den Seiten 123-126 erläutert; Seine Maschine ist auf der folgenden Platte abgebildet.
- Ein Bericht über Amontons 'Feuerrad auf Englisch: Robert Stuart, Historische und beschreibende Anekdoten von Dampfmaschinen und ihrer Erfinder und Verbesserer (London, England: Wightman und Cramp, 1829), vol. 1, Seiten 130-132; Eine Abbildung der Maschine erscheint auf Seite 351. Zu der Zeit, als die Gesetze für Gase erstmals festgelegt wurden, und frühen Patente gehören die von Henry Wood, Vikar von High Ercall in der Nähe von Coalbrookdale Shropshire (englisches Patent 739 von 1759) und Thomas Mead, ein Ingenieur von Sculcoats Yorkshire (englisches Patent 979 von 1791), [7] Letzterer enthält insbesondere die wesentlichen Elemente eines Verdrängermotors (Mead nannte ihn Transferer). Es ist unwahrscheinlich, dass eines dieser Patente zu einem tatsächlichen Motor führte, und das früheste praktikable Beispiel war wahrscheinlich der Gasmotor mit offenem Zyklus des englischen Erfinders Sir George Cayley, C. . 1807 [8][9]
Es ist wahrscheinlich, dass Robert Stirlings Luftmotor von 1818, der seinen innovativen Economiser (1816 patentiert) enthielt, der erste Luftmotor war, der praktisch eingesetzt wurde. [10] Der Economiser, jetzt bekannt als der Regenerator speicherte Wärme von dem heißen Abschnitt des Motors, als die Luft zur kalten Seite strömte, und gab Wärme an die gekühlte Luft ab, wenn sie zur heißen Seite zurückkehrte. Diese Innovation verbesserte den Wirkungsgrad des Stirling-Motors und sollte in jedem Luftmotor vorhanden sein, der eigentlich Stirling-Motor genannt wird.
Stirling patentierte 1827 zusammen mit seinem Bruder James einen zweiten Heißluftmotor. Sie kehrten das Design so um, dass sich die heißen Enden der Verdränger unter der Maschine befanden, und sie fügten eine Druckluftpumpe hinzu, um die Luft im Inneren zu erhöhen im Druck auf etwa 20 Atmosphären. Die Kammer behauptet, sie sei wegen mechanischer Defekte nicht erfolgreich gewesen, weil „die unvorhergesehene Wärmespeicherung nicht vollständig durch die Siebe oder kranke Stellen im kühlen Teil des Regenerators abgesaugt wurde, deren Außenfläche nicht ausreichend groß war die nicht wiederhergestellte Wärme abzugeben, wenn der Motor mit stark komprimierter Luft arbeitete. “
Parkinson und Crossley, englisches Patent, 1828 hatten ihren eigenen Heißluftmotor. In diesem Motor ist die Luftkammer durch Eintauchen in kaltes Wasser teilweise der äußeren Kälte ausgesetzt und ihr oberer Teil wird durch Dampf erhitzt. Ein inneres Gefäß bewegt sich in dieser Kammer auf und ab und verdrängt dabei die Luft, wobei sie abwechselnd den heißen und kalten Einflüssen des kalten Wassers und des heißen Dampfes ausgesetzt wird, wobei die Temperatur und der Ausdehnungszustand geändert werden. Die Schwankungen bewirken die Hin- und Herbewegung eines Kolbens in einem Zylinder, an dessen Enden die Luftkammer abwechselnd angeschlossen ist.
Im Jahr 1829 patentierte Arnott seine Luftexpansionsmaschine, bei der ein Feuer auf einem Rost in der Nähe eines geschlossenen Zylinders platziert wurde und der Zylinder vor kurzem mit frischer Luft gefüllt wurde. Ein loser Kolben wird nach oben gezogen, so dass die gesamte Luft im Zylinder oben durch ein Rohr durch das Feuer strömen kann und eine erhöhte Elastizität erhält, die zur Ausdehnung oder Vergrößerung des Volumens neigt, die das Feuer ihm geben kann .
Im nächsten Jahr (1830) folgt ihm Captain Ericsson, der sein zweites Heißluftgerät patentieren lässt. Die Beschreibung beschreibt es insbesondere als aus einer "kreisförmigen Kammer bestehend, in der ein Kegel mittels Flügel oder Flügel auf einer Welle oder Achse gedreht wird, die abwechselnd dem Dampfdruck ausgesetzt ist; Diese Flügel oder Blätter werden durch Schlitze oder Öffnungen einer kreisförmigen Ebene zum Arbeiten gebracht, die sich schräg zur Seite des Kegels dreht und dadurch in Kontakt gehalten wird. ”
Ericsson baute 1833 seinen dritten Heißluftmotor (den Caloric-Motor), der vor einigen Jahren in England großes Interesse fand; und was, wenn es in die Praxis umgesetzt werden sollte, die wichtigste mechanische Erfindung sein wird, die jemals vom menschlichen Geist konzipiert wurde, und eine, die dem zivilisierten Leben mehr Nutzen bringt als jede andere, die ihm zuvor vorausgegangen ist. Ziel ist die Erzeugung von mechanischer Kraft durch die Einwirkung von Wärme bei einem so geringen Brennstoffverbrauch, dass der Mensch eine fast unbegrenzte mechanische Kraft zur Verfügung hat, in Regionen, in denen Brennstoff kaum noch zu sagen ist .
1838 wird das Patent von Franchot-Heißluftmotoren patentiert, sicherlich der Heißluftmotor, der am besten den Carnot-Anforderungen entspricht.
Alle diese Luftmotoren waren bisher erfolglos, aber die Technologie reifte. Im Jahr 1842 baute James Stirling, der Bruder von Robert, den berühmten Dundee Stirling Engine. Dieser dauerte mindestens zwei bis drei Jahre, wurde dann aber wegen unsachgemäßer technischer Maßnahmen eingestellt. Heißluftmotoren sind eine Geschichte von Versuchen und Fehlern und es dauerte weitere 20 Jahre, bis Heißluftmotoren im industriellen Maßstab eingesetzt werden konnten. Die ersten zuverlässigen Heißluftmotoren wurden von Shaw, Roper, Ericsson gebaut. Mehrere tausend von ihnen wurden gebaut.
Thermodynamische Zyklen [ edit ]
Ein thermodynamischer Zyklus eines Heißluftmotors kann (idealerweise) aus 3 oder mehr Prozessen (typisch 4) bestehen. Die Prozesse können einer der folgenden sein:
Einige Beispiele (nicht alle Heißluftzyklen, wie oben definiert) sind wie folgt:
Ein weiteres Beispiel ist der Vuilleumier-Zyklus. [11]
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