Thermoacoustic Engine

Thema

Thermoakustische Motoren funktionieren auf Grundlage des thermoakustischen Effekts, bei dem Wärmeenergie in Luftschwingung und dadurch in die Schwingung eines Kolbens umgewandelt werden kann. Deswegen können sie genutzt werden, um zum Beispiel Restwärme von anderen Prozessen in mechanische Bewegung umzuwandeln.

Das Projekt basiert auf Aufgabe 16 des GYPT 22/23, die Aufgabenstellung ist:

A piston placed in the open end of a horizontal test tube which has its other end partially filled with steel wool may oscillate when the closed end is heated up. Investigate the phenomenon and determine the efficiency of this engine.

Ins Deutsche übersetzt lautet die Aufgabenstellung wie folgt:

Ein Kolben, welcher in dem offenen Ende eines horizontalen Reagenzglases, dessen anderes Ende mit Stahlwolle gefüllt ist, platziert wird, kann oszillieren, wenn das geschlossene Ende erhitzt wird. Untersuche dieses Phänomen und bestimme die Effizienz dieses Motors.

Aufbau

Im Zuge unserer Experimente wurden mehrere Motoren gebaut und untersucht.

Der erste funktionierende Motor ist ein Wanderwellenmotor und besteht aus einem vertikalen Kolben, auf dem sich eine oben geschlossene Röhre mit Stahlwolle befindet. Oben an der Stahlwolle wird die Röhre mit einem Lötflamme erhitzt. Um diesen Motor zu bauen, wurden Glasspritzen mit den Fassungsvermögen 10, 20, 30 und 50 ml verwndet. Diese wurden oben an der Düse ansgechmolzen, um sie abzudichten. Den Kolben der Spritze wurde mit Graphit beschichtet um die Reibung zu reduzieren. Die Glasspritze wurde verwendet, da sie passgenau gefertigt wurde, der Kolben Luftdicht ist und ein genaues Fassungsvolumen hat.

Die Leistung der Motoren werden über elektromagnetische Induktion gemessen. Hierfür wird ein Magnet an dem beweglichen Teil der Spritze befestigt. Dieser bewegt sich neben einer Induktionsspule mit Eisenkern auf und ab und induziert eine Wechselspannung. Daneben ist ein regelbarer Widerstand als Last in Reihe und ein Labquest mit einem Spannungsmessgerät parallel geschaltet. Dieser misst das anliegende Potenzial und plottet dieses auf dem angeschlossenen Rechner. Über diese Spannung wird die Leistung des Motors berechnet.

Mit diesem Aufbau wurden Eure Messungen durchgeführt. Dieser Abschnitt lebt von guten(!) Fotos bzw. Skizzen.

Anfängliche Aufbauten, die später verworfen wurden, können erwähnt werden aber müssen ausgiebig betrachtet werden.

Bestimmung der Effizienz

Um die Aufgabenstellung erfüllen zu können, müssen wir sowohl den Effekt untersuchen, als auch die Effizienz bestimmen. In dem Abschnitt "Grundlegende Erklärung" haben wir den Effekt erklärt, hier widmen wir uns zunächst unserem Messaufbau für die Effizienz.

Messdaten

Hier kommen keine Rohdaten sondern möglichst gut ausgewertete Daten rein - Graphen, Ausgleichskurven, etc. mit Fehlerbetrachtung!

Fazit

Eine kurze Zusammenfassung eurer Erkenntnisse.

Erfolge

Wir haben mit diesem Projekt folgende Erfolge errungen:

• Jugend Forscht: 1. Platz Regionalwettbewerb im Fachbereich Physik
• GYPT Einzelplatzierungen
• GYPT Silbermedaille (Team)
• BeGYPT Einzelplatzierungen

Quellen

Eure wichtigsten verwendeten Quellen mit Verweisen im Text!