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Stirlingmotor


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Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine zur Umsetzung von Wärme in mechanische Arbeit . Er wird auch Heißluftmotor genannt.
  

Ein Stirlingmotor

Inhaltsverzeichnis

Überblick

Der Stirlingmotor ist eine Kolbenmaschine die ein Gas als Arbeitsmedium in einem geschlossenen Raum (thermische Energie) den entstehenden Druck (potentielle Energie) einen Arbeitskolben überträgt und in mechanische Arbeit Das Gas wird dadurch abkühlt.

Abgrenzung von anderen Motorarten

Beim Stirlingmotor bleibt das Gas innerhalb Motors und wird nicht ausgetauscht . Das bedeutet dass er abgesehen von ggf. durch Verbrennung betriebenen externen Wärmequelle abgasfrei

Darin unterscheidet sich dieser Motor z. von Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren denn bei Dampfmaschinen wird das Gas (Wasserdampf) außerhalb des Zylinders erhitzt in den Zylinder geleitet und der (ggf. mehrstufigen) Entspannung abgelassen. Bei Verbrennungsmotoren wie z. B. dem Ottomotor oder dem Dieselmotor wird das Gas ( Kraftstoff - Luft -Gemisch) innerhalb des Zylinders Verbrennung erhitzt und nach der Entspannung ausgetauscht.

Der Stirlingmotor benötigt keinen besonderen Treibstoff etwa ein besonderes ( Kraftstoff - Luft -Gemisch) beim Ottomotor) sondern lediglich auf die Zuführung von Wärme angewiesen. die Quelle dieser Wärme egal ist kann B. Sonnenenergie Abwärme oder Wärme im Boden werden.

Der Stirlingmotor ist außerdem kein Feuerfresser oder Flammenfresser .

Funktionsweise

In dem Motor bewegen sich zwei der so genannte Arbeitskolben und der Verdrängerkolben . Beide Kolben sind etwas versetzt an Rad befestigt mit dem mechanische Arbeit verricht kann. Auf dem obigen Foto ist gut erkennen dass aus dem waagerechten Zylinder ein nach rechts und ein Kolben nach oben Der Arbeitskolben schließt den Motor luftdicht ab.

Der Arbeitslauf des Stirlingmotors kann in Prozesse unterteilt werden. Die folgende Beschreibung bezieht auf die unten angegebene Bilderfolge.

Takt 1 (Von Bild 1 zu 2)

Das Gas wird im Inneren des im heißen Bereich erhitzt dadurch dass von Wärme zugeführt wird. Durch die Erwärmung des dehnt es sich aus. Dadurch wird der nach oben geschoben. Durch die Bewegung des wird auch der Verdrängerkolben bewegt da Arbeitskolben Verdrängerkolben an einem Rad befestigt sind allerdings 90° versetzt. Dadurch wird in diesem ersten der Verdrängerkolben kaum bewegt. In diesem Takt durch den Arbeitskolben am Rad Arbeit verrichtet.

Takt 2 (Von Bild 2 zu 3)

Das Rad dreht sich wegen der Trägheit weiter. Der Verdrängerkolben verschiebt deshalb das vom heißen Bereich in den kalten Bereich. übernimmt der Verdrängerkolben hier auch gleichzeitig die eines Wärmespeichers des so genannten Regenerators der einen Teil der Wärmeenergie des zwischenspeichert und das Gas dadurch abkühlt. Zudem das Gas z. B. durch Kühlrippen abgekühlt. Position des Arbeitskolbens ändert sich bei diesem kaum. Der Druck in dem Motor fällt das Gas abgekühlt wird.

Takt 3 (Von Bild 3 zu 4)

  
Dadurch dass der Druck fällt verrichtet der Luftdruck von außen Arbeit auf den Arbeitskolben. wird nach unten gedrückt. Die Position des ändert sich bei diesem Prozess kaum.

Takt 4 (Von Bild 4 zu 1)

Das Rad dreht sich wieder wegen weiter und dadurch der Verdrängerkolben nach oben Dies hat zur Folge dass das Gas dem oberen kühlen Bereich in den heißen verschoben wird. Der Regenerator gibt dabei die 2. Takt gespeicherte Wärme an das Gas und erwärmt es zusätzlich zur Erwärmung von Der Zyklus beginnt von vorne.

Theoretische Erklärung

Das Arbeitsmedium wird in einem Kreisprozess aus zwei Isothermen und zwei Isochoren periodisch expandiert und komprimiert . Im pV-Diagramm ist die Fläche unter dem Graphen von der Maschine verrichtete Arbeit.

Takt 1 ist eine isotherme Ausdehung der Arbeit vom Gas verrichtet wird und 2 eine isochore Abkühlung. Takt 3 ist isotherme Kompression und Takt 4 eine isochore

Das Prinzip dieser Maschine beruht auf so genannten Stirlingschen Kreisprozess. Die Maschine arbeitet der hohen Temperatur T h und der niedrigen Temperatur T n . Dabei ist die Differenz dieser beiden entscheidend für den Wirkungsgrad der die Effizienz der Maschine beschreibt.

Merkmale

  • Der Wirkungsgrad von Stirlingmotoren erreicht theoretisch den Carnot-Wirkungsgrad und ist damit höher als der von Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren (mit innerer Verbrennung).
  • Die Wärmeerzeugung muss nicht notwendigerweise auf beruhen sondern kann auch Solarenergie o.ä. nutzen.
  • Es gibt Stirlingmotoren die nur wenige Kelvin Temperaturdifferenz benötigen. z.B. Flachplatten-Stirlingmotor von Prof. Ivon Kolin (UNI Zagreb 1989)
  • Wenn die Wärmeerzeugung durch Verbrennung geschieht beliebige Brennstoffe möglich. Außerdem kann die Verbrennung und von außen erfolgen und erlaubt so Abgaswerte.
  • Fehlende Explosions- und Abgasgeräusche machen einen ausgewuchteten Stirlingmotor sehr leise.
  • Die Leistungsänderung durch Steuerung des Wärmestromes sehr langsam und für Kraftfahrzeuge nicht geeignet.
  • Andere Methoden der Leistungsregelung sind aufwändig.
  • Stirlingmotoren arbeiten mit hohen Drücken und große Wärmetauscher und sind deshalb schwer.
  • Es gibt zahlreiche Bauformen was eher für die Weiterentwicklung ist.

Mögliche Anwendungen

Des weiteren kann der Stirlingmotor als oder als Wärmepumpe eingesetzt werden. Dabei wird der Stirlingmotor angetrieben und transportiert Wärme vom kalten in heißen Bereich. Es handelt sich in diesem um einen umgekehrten Kreisprozess .

Immer wieder wird Stirlingmotoren nachgesagt sie die Motoren der Zukunft. Bisher haben sie aber nicht durchgesetzt.
Mögliche Anwendungsbereiche sind:

  • Kältemittelfreie Kühlprozesse
  • Kleine dezentrale Blockheizkraftwerke zur Erzeugung von und Heizwärme
  • Antrieb von Yachten und Booten bei Laufruhe
  • Desgleichen militärische Anwendungen

Geschichte

Der Stirlingmotor wurde 1816 vom damals 26jährigen schottischen Geistlichen Robert Stirling erfunden. Er ist nach der Dampfmaschine die zweitälteste Wärmekraftmaschine . Stirling wollte mit seinem Motor eine zu den damals aufkommenden Hochdruckdampfmaschinen bieten die zahlreiche Opfer durch Kesselexplosionen
Eine erste Blüte erlebte der Stirlingmotor Ende des 19. Jh. als Einzel-Energiequelle in Haushalten des aufkommenden Bürgertums. Er war für Verhälnisse in kleinen Ausführungen ein Massenprodukt und ungefähr das Pendent zu unseren heutigen Elektromotoren (motorbetriebene Ventilatoren etc.).
Ab Mitte des vergangenen Jahrhunderts forschten Industrieunternehmen am Stirlingmotor als Schiffs- und Automobilantrieb im militärischen Bereich (Vielstoff-Tauglichkeit!) ohne auf diesen eine konkurrenzfähige Serienreife zu erzielen.
Ab ca. 1975 gewinnt der Stirlingmotor Bedeutung im Zusammenhang mit Block-Heizkraftwerken und Kraft-Wärme-Koppelung.

Weblinks



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