Stirlingmotor
Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine zur Umsetzung von Wärme in mechanische Arbeit. Er wird auch Heißluftmotor genannt.
Der Stirlingmotor ist eine Kolbenmaschine, die ein Gas als
Arbeitsmedium in einem geschlossenen Raum erwärmt (thermische
Energie), den entstehenden Druck (potentielle Energie) auf einen
Arbeitskolben überträgt und in mechanische Arbeit umsetzt. Das Gas
wird dadurch abkühlt.
Beim Stirlingmotor bleibt das Gas innerhalb des Motors und wird
nicht ausgetauscht. Das bedeutet, dass er abgasfrei arbeitet.
Darin unterscheidet sich dieser Motor z. B. von Dampfmaschinen und
Verbrennungsmotoren, denn bei Dampfmaschinen wird das Gas
(Wasserdampf) außerhalb des Zylinders erhitzt, in den Zylinder
geleitet und nach der (ggf. mehrstufigen) Entspannung abgelassen. Bei
Verbrennungsmotoren, wie z. B. dem Ottomotor oder dem
Dieselmotor wird das Gas (Kraftstoff - Luft -Gemisch)
innerhalb des Zylinders durch Verbrennung erhitzt und nach der
Entspannung ausgetauscht. Zudem ist kein besonderer
Der Stirlingmotor benötigt keinen besonderen Treibstoff (wie etwa ein
besonderes (Kraftstoff - Luft -Gemisch) beim Ottomotor), sondern
ist lediglich auf die Zuführung von Wärme angewiesen. Da die Quelle
dieser Wärme egal ist, kann z. B. Sonnenenergie, Abwärme oder Wärme im
Boden ausgenutzt werden.
Der Stirlingmotor ist außerdem kein [[Flammenfresser |Feuerfresser
oder Flammenfresser]].
In dem Motor bewegen sich zwei Kolben: der so genannte
Arbeitskolben und der Verdrängerkolben. Beide Kolben sind
etwas versetzt an einem Rad befestigt, mit dem mechanische Arbeit
verricht werden kann. Auf dem obigen Foto ist gut zu erkennen, dass
aus dem waagerechten Zylinder ein Kolben nach rechts und ein Kolben
nach oben herauskommt. Der Arbeitskolben schließt den Motor luftdicht
ab.
Der Arbeitslauf des Stirlingmotors kann in 4 Prozesse unterteilt
werden. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die unten angegebene Bilderfolge.
Das Gas wird im Inneren des Stirlingsmotors im heißen Bereich erhitzt, dadurch dass von außen Wärme zugeführt wird. Durch die Erwärmung des Gases dehnt es sich aus.
Dadurch wird der Arbeitskolben nach oben geschoben. Durch die Bewegung des Arbeitskolbens wird auch der Verdrängerkolben bewegt, da Arbeitskolben und Verdrängerkolben an einem Rad befestigt sind, allerdings um 90° versetzt. Dadurch wird in diesem ersten Takt der Verdrängerkolben kaum bewegt. In diesem Takt wird durch den Arbeitskolben am Rad Arbeit verrichtet.
Das Rad dreht sich wegen der Trägheit weiter. Der Verdrängerkolben verschiebt deshalb das Gas vom heißen Bereich in den kalten Bereich. Meistens übernimmt der Verdrängerkolben hier auch gleichzeitig die Aufgabe eines Wärmespeichers, des so genannten Regenerators, der einen Teil der Wärmeenergie des Gases zwischenspeichert und das Gas dadurch abkühlt. Zudem wird das Gas z. B. durch Kühlrippen abgekühlt. Die Position des Arbeitskolbens ändert sich bei diesem Prozess kaum. Der Druck in dem Motor fällt, da das Gas abgekühlt wird.
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 die von der Maschine
verrichtete Arbeit.
Takt 1 ist eine isotherme Ausdehung, bei der Arbeit vom Gas verrichtet
wird und Takt 2 eine isochore Abkühlung. Takt 3 ist eine isotherme
Kompression und Takt 4 eine isochore Erwärmung.
Das Prinzip dieser Maschine beruht auf dem so genannten
Stirlingschen Kreisprozess. Die
Maschine arbeitet zwischen der hohen Temperatur Th und der
niedrigen Temperatur Tn. Dabei ist die Differenz dieser
beiden Temperaturen entscheidend für den Wirkungsgrad, der die
Effizienz der Maschine beschreibt.
Des weiteren kann der Stirlingmotor als Kühler oder als Wärmepumpe
eingesetzt werden. Dabei wird der Stirlingmotor mechanisch angetrieben
und transportiert Wärme vom kalten in den heißen Bereich. Es handelt
sich in diesem Fall um einen umgekehrten Kreisprozess.
Immer wieder wird Stirlingmotoren nachgesagt, sie seien die Motoren der Zukunft. Bisher haben sie sich aber nicht durchgesetzt.
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
Alternative zu den damals aufkommenden
Hochdruckdampfmaschinen bieten, die zahlreiche Opfer
durch Kesselexplosionen forderten.
Überblick
Abgrenzung von anderen Motorarten
Funktionsweise
Takt 1 (Von Bild 1 zu Bild 2)
Takt 2 (Von Bild 2 zu Bild 3)
Takt 3 (Von Bild 3 zu Bild 4)
Dadurch, dass der Druck fällt, verrichtet nun der Luftdruck von außen Arbeit auf den Arbeitskolben. Er wird nach unten gedrückt. Die Position des Verdrängerkolbens ändert sich bei diesem Prozess kaum.Takt 4 (Von Bild 4 zu Bild 1)
Das Rad dreht sich wieder wegen Trägheit weiter und dadurch der Verdrängerkolben nach oben bewegt. Dies hat zur Folge, dass das Gas aus dem oberen kühlen Bereich in den heißen Bereich verschoben wird. Der Regenerator gibt dabei die im 2. Takt gespeicherte Wärme an das Gas ab und erwärmt es zusätzlich zur Erwärmung von außen. Der Zyklus beginnt von vorne.
Theoretische Erklärung
Merkmale
Mögliche Anwendungen
Mögliche Anwendungsbereiche sind:
Geschichte
