DER STIRLING-MOTOR - Funktion

Wenn Ihr Eure Maus über die Grafik bewegt, fängt der Motor an zu arbeiten!

Carnotscher Kreisprozeß
Ein Kreisprozeß ist definiert als ein periodisch ablaufender Prozeß, der nach einer bestimmten Anzahl von Zustandsänderungen wieder den Ausgangszustand erreicht. Carnot realisierte diesen Prozeß - welcher die Erzeugung von Arbeit durch Wärmeaustausch zwischen einem warmen und kalten Medium (Wärme- bzw. Kältereservoir) ermöglicht, also als Wärmemaschine - 1824 mit einem idealen Gas als Arbeitsmedium. Dieser Carnotprozeß gliedert sich in vier Arbeitsschritte

Isotherme Expansion bei hoher Temperatur T1
Die Energie eines idealen Gases kann sich bei konstanter Temperatur nicht ändern

Adiabatische Expansion unter Abkühlung auf T2
Vom Gas aufgewendete Arbeit

Isotherme Kompression bei geringer Temperatur T2

Adiabatische Kompression unter Erwärmung auf T1
Rückkehr in den Ausgangszustand unter der am Gas geleisteten Arbeit.
Dann ergibt sich für die Energiebilanz und den Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses: Gesamte Änderung der inneren Energie: Wirkungsgrad = Verhältnis zwischen erzeugter Arbeit und dem Wärmeverlust des heißen Mediums

Selbstgebauter Stirling-Motor der Swiss Stirling Society

Der Stirling-Prozeß
Ist ein Kreisprozeß und funktioniert ähnlich wie der von Carnot. Er gliedert sich in folgende Arbeitsschritte:

Isotherme Kompression
Der Verdrängerkolben bleibt am oberen Totpunkt und verhindert den Kontakt zur heißen Wand, während der Arbeitskolben das Arbeitsgas komprimiert.

Isochore Erwärmung
Der Verdrängerkolben bewegt sich nach unten, während der Arbeitskolben am oberen Totpunkt steht. Das Gas wird nach oben verdrängt und kommt in Kontakt mit der heißen Wand.

Isotherme Expansion
Während der Verdrängerkolben am unteren Totpunkt bleibt, dehnt sich das Gas aus und der Arbeitskolben bewegt sich nach unten.

Isochore Abkühlung
Der Arbeitskolben bleibt am unteren Totpunkt und der Verdrängerkolben geht nach oben, wobei er das Arbeitsgas vom heißen zum kalten Temperaturreservoir verschiebt.

Um im Stirling-Motor eine Verbesserung der Wärmeübertragung während der Verdrängung des Arbeitsgases zu erreichen, wird in den Verdrängerkolben ein Regenerator (z. B. Metallspäne o. ä.) eingearbeitet, welcher die Abkühlung und Erwärmung der Luft unterstützt, z. B. ist Kupfer mit einer für Metalle durchschnittlichen Wärmekapazität von ccu = 385× J× kg-1× K-1 und einer der besten thermischen Leitfähigkeiten aller Metalle von l = 4,01× W× cm-1× K-1 sehr gut als Regenerator geeignet. Setzt man nun voraus, daß der Stirling-Motor mit einem idealen Gas arbeitet, dann ergibt sich der gleiche Wirkungsgrad wie der des Carnot-Prozesses


Im vorigen Jahrhundert wurde der Stirlingmotor mangels Techniken und Materialien vom Markt verdrängt. Mittlerweile gab es schon Fortschritte und nun ist es möglich den Stirlingmotor mehrfach anzuwenden.

Vorteile eines Stirlingmotors
Es können fast alle Wärmerzeuger verwendet werden, nicht nur feste und gasförmige Brennstoffe , sondern auch die Sonne, chemische Reaktionen und Kernenergie. Der Stirlingmotor hat durch die äußere kontinuierliche Verbrennung eine geringe Schadstoff- und Geräuschemission. Die Maschine kann durch fehlende Druckspitzen fast schwingungsfrei noch bei höheren Drehzahlen betrieben werden. Bei Wärmekraftmaschinen (z.B. Blockheizkraftwerke) kann ein sehr hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Auch bei einer nur geringen Temperaturdifferenz kann der Stirlingmotor Nutzenergie erzielen. Kompakte Bauweise, billig, einfach herzustellen.

Nachteile des Stirlingmotors
Eine unterbrochene Kolbensteuerung die notwendig ist, um den Wirkungsgrad zu verbessern, ist nur begrenzt möglich, da es mit einer hohen mechanischen Belastung und einer starken Geräuschentwicklung verbunden ist. Eine isotherme Zustandsänderung ist nur schwer möglich, da die Gasgeschwindigkeit sehr hoch ist. So steht für die Wärmeübertragung kaum Zeit zur Verfügung. Dies könnte nur mit einer niedrigeren Drehzahl erreicht werden. Der Kühler gibt eine größere Wärmemenge ab und der Erhitzer muss eine größere Menge hinzuführen, da der Regeneratorwirkungsgrad von 100% nicht erreicht werden kann. Je größer der Wirkungsgrad, um so größer sind die Strömungsverluste durch die Verwirbelungen. Das Arbeitsgas ist also im kalten Raum wärmer und im heißen Raum kälter als im Idealfall. In der Realität entstehen Toträume in den Wärmetauschaggregaten (Erhitzer, Regenerator, Kühler), denn nicht das gesamte Arbeitsmedium befindet sich im Expansions- und Kompressionsraum. Die Volumenveränderung bewirkt auch eine Veränderung der Druckverhältnisse, dass sich wiederum auf den Wirkungsgrad auswirkt. Teilchen, die sich in Bewegung befinden, lassen sich nicht ganz abdichten, so ist zu erwarten, dass das Arbeitsgas nach außen entweicht und der Druck sinkt. Der Wirkungsgrad wird also wieder gesenkt. (Lösung: z.B. Freikolbenmotor). Durch Strömungsverluste und innere Reibung der Gase wird die Energie entwertet, da die entstehende Wärme nicht benützt wird. Durch die Umwandlung der Reibungswärme von mechanischer Energie in Reibungswärme entstehen wiederum Verluste.

Arbeitsmedium
Gründe, warum hauptsächlich gasförmige Stoffe (Luft, Helium, Wasserstoff) verwendet werden, statt Wasser oder Wassergemische sind
die Kosten, Wirtschaftlichkeit und Verfügbarkeit.
Sicherheit während und außerhalb des Betriebes.
Anwendungsgebiete und Leistungsdichte des Motors.

Von dem Medium wird gefordert,
dass es eine hohe spezifische Wärmekapazität hat.
eine niedrige Dichte und Viskosität zur Verminderung der Strömungsverluste vorweisen kann.
eine hohe Wärmeleit- und Wärmeübertragungsfähigkeit, um viel Wärme umsetzten zu können, besitzt.

Anwendungen
Aufgrund der Vorzüge wird der Stirlingmotor heute in vielen Bereichen angewandt: Es gibt Studien, theoretische Forschungen, Prototypen, Verserienmodelle und Serienmodelle. Der Stirlingmotor wird als Prototyp bei PKW, LKW-Antrieb, Schiffantrieb (über 250 kW), Raumfahrt (bis 5 kW), Bergbau, Generatorantrieb (über 15 kW) künstliches Herz, eingesetzt. Als Serienmodell gibt es den Stirlingmotor schon bei Schiffantireben (bis 250 kW), Generatorantrieb (bis 15 KW) Kältemaschinen und Modelle, Lehrmotoren bis 200W.

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