Stirlingmotor

Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine zur Umsetzung von Wärme in mechanische Arbeit. Er ist ein Heißluftmotor und in einer Variante auch als Flachplatten-Stirlingmotor bekannt. BetaStirlingTG4web.jpg

Überblick

Der Stirlingmotor ist eine Maschine, in der ein Gas als Arbeitsmedium in einem geschlossenen Raum erwärmt wird, Volumenänderungsarbeit auf einen Arbeitskolben überträgt und in mechanische Arbeit umsetzt. Das Gas wird danach abgekühlt und wieder komprimiert. So entsteht ein Kreisprozess.

Abgrenzung von anderen Motorarten und Besonderheiten

Beim Stirlingmotor bleibt das Gas innerhalb des Motors und wird nicht ausgetauscht. Das bedeutet, dass er, abgesehen von einer ggf. durch Verbrennung betriebenen externen Wärmequelle, ohne die Emission von Abgasen arbeitet.

Darin unterscheidet sich dieser Motor z.B. von Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren, denn bei Dampfmaschinen wird der 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 (innere Wärmequelle) und nach der Entspannung ausgetauscht.

Die äußere Wärmezufuhr und anschließende Kühlung des Gases schafft beim Stirlingmotor erhebliche Probleme hinsichtlich des Wärmedurchgangs durch eine dicke Zylinderwand, wie sie wegen der hohen Drücke erforderlich ist. Eine übliche kurzzeitige alternierende Erwärmung und anschließende Kühlung wäre nicht möglich gewesen. Man löste das Problem, indem die Motoren mit einer stetig heißen Zone und einer stetig kalten Zone ausgestattet wurden. Beim unten abgebildeten einzylindrigen Beta-Typ bewegt sich der Arbeitskolben in der fortwährend gekühlten Kaltzone (oben), während sich der Verdrängerkolben immer in der Heißzone befindet. Beim Alpha-Typ besteht der Motor aus zwei getrennten Zylindern, einem heißen Arbeitszylinder und einem kalten Kompressorzylinder. Der problematische Wärmeaustausch wird verbessert, wenn ein innerer Wärmeaustausch über einen Regenerator erfolgt, vergleichbar einer Abwärmerückgewinnung zur Vorwärmung. Die zwischengespeicherte Wärme muss nicht abgeführt und zugeführt werden, wodurch sich die Kühl- bzw. Heizflächen verringern lassen. Beim Beta-Typ wirkt der Verdrängerkolben zugleich als Regenerator, beim Alpha-Typ sitzt er zwischen den Zylindern. Das Gas wird in stetem Wechsel durch den Regenerator in die Heißzone und dann in die Kaltzone geschoben. Dabei wird es von außen erhitzt, gekühlt und nimmt intern vom Regenerator Wärme auf und gibt an diesen Wärme ab. Die im Regenerator bewegte Wärmemenge kann bis zum vierfachen der zugeführten Wärme betragen. Eine weitere Besonderheit der Stirlingmotoren besteht konstruktionsbedingt in deren hohem Totraumanteil. Der Stirlingmotor benötigt im Gegensatz zum Ottomotor keinen besonderen Treibstoff, sondern ist lediglich auf die Zufuhr und Abfuhr von Wärme angewiesen. Dabei ist es unerheblich, woher die Wärme stammt. So kann als Wärmequelle beispielsweise Sonnenenergie, thermisch nutzbare Abwärme oder Wärme im Boden ausgenutzt werden. Der Stirlingmotor ist außerdem gegen den Vakuummotor abzugrenzen.

Funktionsweise

Der Stirlingmotor ist ein sogenannter Heißluft-Motor.

In dem Motor bewegen sich zwei Kolben: der so genannte Verdrängerkolben und der Arbeitskolben. Beide Kolben sind um 90 Grad versetzt an einem Schwungrad befestigt, mit dem mechanische Arbeit verrichtet werden kann. Diese wird alleine vom Arbeitskolben aufgebracht, der Verdrängerkolben wird nur mitgenommen, um das Gas zu verschieben.

Der Arbeitsablauf des Stirlingmotors kann in die folgenden vier Takte unterteilt werden:

Bild 1->2: Das Gas wird im Inneren des Stirlingmotors im heißen Bereich erhitzt, indem von außen Wärme zugeführt wird . Durch die Erwärmung dehnt sich das Gas aus. Dadurch wird der Arbeitskolben nach oben geschoben. Durch die Bewegung des Arbeitskolbens wird auch der Verdrängerkolben bewegt, da Arbeitskolben und Verdrängerkolben an einem Schwungrad befestigt sind, allerdings um 90° versetzt. Dadurch wird in diesem ersten Takt der Verdrängerkolben kaum bewegt. In diesem Takt wird durch den Arbeitskolben am Schwungrad Arbeit verrichtet.

Bild 2->3: Das Schwungrad dreht sich wegen der Trägheit weiter. Der Verdrängerkolben verschiebt deshalb das Gas vom heißen Bereich in den kalten Bereich (Abkühlung). 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 durch (Kühlrippen) oder zusätzliche Luftkühlung abgekühlt. Die Position des Arbeitskolbens ändert sich bei diesem Prozess kaum. Der Druck in dem Motor fällt, da das Gas abgekühlt wird.

Bild 3->4: Dadurch, dass der Druck fällt, drückt nun der Luftdruck den Arbeitskolben in den Zylinder und verrichtet solange Arbeit, bis im Arbeitsraum der Druck der Atmosphäre erreicht ist. Darauf folgt die eigentliche Kompression. Hierzu muss Arbeit zugeführt werden. Diese Arbeit wird üblicherweise durch eine Schwungmasse aufgebracht. Die Position des Verdrängerkolbens ändert sich bei diesem Prozessabschnitt kaum.

Bild 4->1: Das Schwungrad dreht sich wieder wegen Trägheit weiter und dadurch wird der Verdrängerkolben nach oben bewegt. Dies hat zur Folge, dass das Gas aus dem oberen kühlen Bereich in den heißen Bereich verschoben wird (Erwärmung).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

Zustandsänderungen

Stirling-Prozess 3.PNG Das Arbeitsmedium wird in einem Kreisprozess aus zwei Isothermen und zwei Isochoren periodisch expandiert und komprimiert. Für die Zustandsänderungen gilt unter Verwendung folgender Abkürzungen:

$Q, W$ = Wärmemenge , Arbeit in kJ
$n$ = Stoffmenge des Arbeitsgases in mol
$c_v$ = spezifische Wärmekapazität bei v=konst. in kJ/kgK
$R$ = Gaskonstante in J/kgK
$T_o,T_u$ = obere, untere Prozesstemperatur in K
$V_2,V_3$ = Volumen in oberem Totpunkt in m³
$V_1, V_4$ = Volumen in unterem Totpunkt in m³

Takt 1-2 ist eine isotherme Ausdehnung, bei der Arbeit vom Gas verrichtet wird. Die zugeführte Wärme Q_zu entspricht der verrichteten Arbeit W_ab nach der Formel:
$Q_{zu} = W_{ab} = n\cdot R\cdot T_0\ln \frac{V_2}{V_1}$

Takt 2-3 ist eine isochore Abkühlung, bei der das Gas durch Wärmeabfuhr an den Regenerator wieder auf den Ausgangszustand gebracht wird, die abzuführende Wärmemenge beträgt:
$Q_{2,3} = n\cdot c_V\cdot (T_o - T_u)$

Takt 3-4 ist eine isotherme Kompression, deren zugeführte Volumenänderungsarbeit gleich der abzuführenden Wärmemenge Q_ab ist:
$Q_{ab} = W_{zu} = n\cdot R\cdot T_u\ln \frac{V_3}{V_4}$

Takt 4-1 ist eine isochore Erwärmung, deren Wärmemenge vom Regenerator an das Gas abgegeben wird, diese beträgt:
$Q_{4,1}= n\cdot c_V\cdot (T_o - T_u)$

Nutzarbeit

Bilanz.PNG Im oben dargestellten pV-Diagramm ist die vom Graphen umschlossene Fläche die von der Maschine verrichtete Arbeit, im T-s-Diagramm wird sie in diesem Fall als Differenz der zugeführten und abgeführten Wärme dargestellt und ergibt die schraffierte Fläche. Ermittelt wird die Nutzarbeit aus der Energiebilanz entsprechend der linken Skizze:

zugeführte Energien = abgeführte Energien

$Q_{zu}= Q_{ab} + W_t$
$W_t = Q_{zu} - Q_{ab}$
mit obigen Beziehungen für Q_zu und Q_ab wird
$W_t = n\cdot R\cdot T_0\ln \frac{V_2}{V_1} - n\cdot R\cdot T_u\ln \frac{V_3}{V_4}$ ; mit $\frac{V_2}{V_1}=\frac{V_3}{V_4}=\frac{V_{OT}}{V_{UT}}$

und man erhält die Nutzarbeit zu:

$W_t=n\cdot R\ln \frac{V_{OT}}{V_{UT}}\cdot (T_0 -T_U)$

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ergibt sich als Verhältnis zwischen genutzter und aufgewendeter Arbeit:

\eta=\frac{\rm Nutzen}{\rm Aufwand} = \frac{W_t}{Q_{\rm zu}} = \frac{T_o - T_u}{T_o}

T-S Stirling.PNG

Im T-s-Diagramm stellen sich die zugeführten Wärmemengen als Flächen dar und sind im Fall der isothermen Zustandsänderungen Rechteckflächen:

$Q_{\rm zu} = T_{\rm o}\cdot (s_2 - s_1)$
$Q_{\rm ab} = T_{\rm u}\cdot (s_3 - s_4)$

mit ${(s_2 - s_1) = (s_3 - s_4) = \Delta S}$

wird die Nutzarbeit:

${W_t=Q_{\rm zu} - Q_{\rm ab} = (T_{\rm o} - T_{\rm u})\cdot \Delta s}$

wie oben ist der Wirkungsgrad:
$\eta = \frac{W_t}{Q_{\rm zu}} = \frac{(T_{\rm o}-T_{\rm u})\cdot \Delta s}{T_{\rm o}\cdot \Delta s} = \frac{T_{\rm o}-T_{\rm u}}{T_{\rm o}}$

Die Maschine arbeitet zwischen der hohen Temperatur T_o und der niedrigen Temperatur T_u. Die Differenz dieser beiden Temperaturen ist entscheidend für den Wirkungsgrad welcher theoretisch die gleichen Werte wie beim Carnot-Prozess erreicht. Praktisch liegt er darunter, wie es bei realen Maschinen der Fall ist. Der Carnot-Wirkungsgrad kann aber mit dem eines Stirling-Motors gut angenähert werden.

Merkmale

RHOMB MOTOR3.PNG

Der Wirkungsgrad von Stirlingmotoren erreicht theoretisch den Carnot-Wirkungsgrad und ist damit höher als der Wirkungsgrad von Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren (mit innerer Verbrennung).
Die Wärmeerzeugung muss nicht notwendigerweise auf Verbrennung beruhen, sondern kann auch Solarenergie o. ä. nutzen.
Es gibt Stirlingmotoren, die nur wenige Kelvin Temperaturdifferenz benötigen, z.B. der Flachplatten-Stirlingmotor von Prof. Ivo Kolin (Universität Zagreb 1989)
Wenn die Wärmeerzeugung durch Verbrennung geschieht, sind beliebige Brennstoffe möglich. Außerdem kann die Verbrennung kontinuierlich und von außen erfolgen und erlaubt so günstige Abgaswerte.
Fehlende Explosions- und Abgasgeräusche machen einen Stirlingmotor sehr leise.
Der Verbrauch von Schmieröl ist gering.
Die Leistungsänderung durch Steuerung des Wärmestromes ist sehr langsam und für Kraftfahrzeuge nicht geeignet.
Andere Methoden der Leistungsregelung sind aufwendig.
Stirlingmotoren arbeiten mit hohen Drücken, benötigen große Wärmetauscher und sind deshalb schwer.
Der Stirlingmotor kann schon als Einzylindermotor völlig frei von Massenkräften laufen.
Es gibt zahlreiche Bauformen, was vielseitige Anwendbarkeit und Weiterentwickelbarkeit ermöglicht.
Stirlingmotoren erzeugen hohe Drehmomente vor allem bei niedrigen Drehzahlen
Bestimmte Bauformen können selbstständig unter Last anlaufen

Mögliche Anwendungen

Der Stirlingmotor kann 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 linksläufigen Kreisprozess.

Immer wieder wird Stirlingmotoren nachgesagt, sie seien die Motoren der Zukunft. Bisher haben sie sich aber nicht auf breiter Front durchgesetzt. Eine bereits bestehende Anwendung ist beispielsweise als Kühlaggregat in Wärmebildkameras.

Mögliche Anwendungsbereiche sind:

Kältemittelfreie Kühlprozesse,
Kleine dezentrale Blockheizkraftwerke zur Erzeugung von Elektrizität und Heizwärme, beispielsweise in der Geothermie.
Antrieb von Yachten und Booten bei großer Laufruhe.

Darüber hinaus wird daran gearbeitet, Stirlingmotoren als Wasserpumpen in der dritten Welt einzusetzen. Hierbei wird als Wärmequelle die Sonneneinstrahlung verwendet. Der große Vorteil gegenüber Dieselmotoren ist der wesentlich geringere Wartungsaufwand, was die Investition eines solchen Motors als Wasserpumpe nachhaltiger macht, da er auch weiterbetrieben werden kann, wenn keine Entwicklungsgelder mehr investiert werden können, beispielsweise für Wartung und Instandhaltung. Weitere Informationen finden sich unter Weblinks mit Details zur Anwendung als Wasserpumpe.

Eine technische Besonderheit des Stirlingmotors ist die Möglichkeit der extremen Miniaturisierung. Dies macht ihn besonders geeignet für den Einsatz als Wärmepumpe in Satelliten und Raumschiffen.

In der Medizintechnik wird zur Zeit ein Stirlingmotor entwickelt, der als Pumpe für eine Hydraulikflüssigkeit arbeitet, die wiederum die Blutpumpe von Herzunterstützungssystemen antreibt. Zum Einsatz kommt ein Freikolbenmotor mit einem thermischen Energiespeicher, der eine Speicherkapazität von acht Stunden aufweist und in einer Stunde wieder zu laden ist. Das System hat eine thermische Leistung von 21 W bei einer Leistungsabgabe von 3,3 W und wird derzeit an Tieren erprobt.

Geschichte

Der Stirlingmotor wurde 1816 vom damals 26-jährigen 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.

Eine erste Blüte erlebte der Stirlingmotor am Ende des 19. Jahrhunderts als Einzel-Energiequelle in den Privathaushalten des aufkommenden Bürgertums. Er war für damalige Verhältnisse in kleinen Ausführungen ein Massenprodukt und stellte ungefähr das Pendant zu unseren heutigen Elektromotoren dar. Er wurde beispielsweise für den Antrieb von Ventilatoren verwendet.

Eine Weiterentwicklung erlebte der Stirlingmotor in den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts durch die niederländische Firma Philips. Das Unternehmen baute in diesem Zeitraum große Mengen Radios für den Export und suchte nach einer leicht zu bedienenden und transportablen Kraftmaschine für die Stromerzeugung der energieintensiven Elektronenröhren in Gegenden ohne Stromversorgung. In diesem Zusammenhang entwickelte man den Philips-Stirlingmotor, einen Motor mit einem Zylinder und zwei Kolben, die auf eine gemeinsame Kurbelwelle wirkten. Beide Kolben waren mit einem Rhombengestänge miteinander verbunden, die Kolbenstange des inneren Kolbens wirkte dabei durch die hohlgebohrte Kolbenstange des äußeren Kolbens. Diese Bauart lief völlig ohne Unwucht und ließ sich beinahe beliebig verkleinern.

Durch den Zweiten Weltkrieg wurde die Entwicklung unterbrochen. Ab Mitte des vergangenen Jahrhunderts stellte sich die Frage der Energieversorgung von Radios durch den Einsatz der ersten Transistoren nicht mehr. Dafür forschten diverse Industrieunternehmen weiter am Stirlingmotor als Schiffs- und Automobilantrieb sowie wegen der Vielstofftauglichkeit im militärischen Bereich, ohne auf diesen Gebieten eine konkurrenzfähige Serienreife zu erzielen.

Ab ca. 1975 gewinnt der Stirlingmotor an Bedeutung im Zusammenhang mit Blockheizkraftwerken (BHKW) und Kraft-Wärme-Kopplung. In Kleinst-BHKWs kommt dabei auch die besondere Bauform des Stirling-Freikolbenmotors, verblockt mit einem Linear-Generator, zum Einsatz.

Siehe auch: Geschichte des Stirlingmotors

Weblinks

Stirlingmotor | Motor (Arbeitsmaschine) | Alternative Antriebstechnik Umwelttechnik | Thermodynamik

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