Funktionsprinzip Stirlingmotor
Was ist ein Stirlingmotor ?
Der Stirlingmotor ist eine periodisch arbeitende Wärmekraftmaschine, die Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt. Es gibt drei verschiedene Typen von Stirlingmotoren Alpha, Beta und Gamma -Typen.
Im Bild links sehen Sie den Alfa - Typ Stirlingmotor. Er besteht aus zwei Arbeitszylindern, in denen jeweils Arbeitskolben gasdicht eingepasst sind und über die Pleuel auf eine gemeinsame Kurbelwelle wirken. Die beiden Arbeitskolben werden über den Kurbelzapfen und zwei Pleuel mit einer Phasenverschiebung von ca. 90° bewegt.
Der Kurbeltrieb (bestehend aus Kurbelwelle, Kurbelscheibe und Kurbelzapfen) sorgt dafür, dass das Arbeitsgas von einem Arbeitskolben expandiert oder komprimiert werden kann, währenddessen sich der andere Arbeitskolben in der Nähe des (oberen oder unteren) Totpunktes kaum bewegt.
Da beide Arbeitszylinder durch eine Rohrleitung (mit dem darin angeordneten Regenerator) miteinander verbunden sind, setzt sich der Arbeitstakt (Expandieren und auch Komprimieren) im Folgetakt auf der anderen Arbeitskolbenseite fort.
Beim Beta- und Gamma- Typ hingegen wirkt die Expansionskraft des Arbeitsgases auf nur einen einzigen im Arbeitszylinder gasdicht eingepassten Arbeitskolben.
Ein zweiter Kolben (der Verdrängerkolben) verdrängt das Arbeitsgas durch sein Eigenvolumen von dem erhitzten Bereich in den gekühlten Bereich und umgekehrt. Befindet sich der allergrößte Volumenanteil des Arbeitsgases im erhitzten Bereich, wirkt es auf den Arbeitskolben expandierend. Befindet es sich im gekühlten Bereich wirkt es hingegen komprimierend.
Beim Beta- Typ laufen Arbeitskolben und Verdrängerkolben in einem gemeinsamen Zylinder.
Beim Gamma-Typ sind Arbeitskolben und Verdrängerkolben in zwei voneinander getrennten, unterschiedlich zueinander angeordneten Zylindern (Arbeitszylinder und Verdränerzylinder) untergebracht.
Bei einem idealen Stirlingprozess gibt es 4 nacheinander ablaufende Zustandsänderungen.
1. Die Luft expandiert isotherm (also bei konstanter Temperatur).
2. Sie wird nach der Expansion isochor (d.h. bei konstantem Volumen) abgekühlt.
3. Danach wird sie isotherm komprimiert.
4. Sie wird wieder isochor aufgeheizt auf die Anfangstemperatur.
By Kino from Wikimedia Commons
Die vier nacheinander ablaufenden Takte betreffen den idealen Stirlingprozess.
Leider kann ein idealer Stirlingprozeß nicht realisiert werden, da man keine kontinuierlich laufende Maschine konstruieren kann, in der isochore Zustandsänderungen ablaufen können.
Mit dem in der Animation gezeigten Motor, mit einem kontinuierlich laufenden Kurbeltrieb, kann man den idealen Prozess annähern durch den Phasenversatz bei der Bewegung des Arbeitskolbens und des Verdrängers. Dabei überlappen sich jedoch die 4 Takte: So findet bei der Expansion auch gleichzeitig schon ein Gaswechsel von heiß nach kalt statt, und während der Kompression ist noch nicht die gesamte Luft im kalten Teil des Motors.
Der reale Stirlingprozess wird durch die oval aussehende Kurve im P-V Diagramm repräsentiert. Der Motor funktioniert nur bei ausreichender Temperaturdifferenz zwischen heißer und kalter Seite. Diese Differenz wird in Kelvin (K) (Erklärung Kelvin) ausgedrückt. 1990 wurde durch Dr. Senft von der Universität Wisconsin und von Professor Kolin die bisher praktische untere Grenze für den Betrieb von Stirlingmotoren gesetzt. Diese Differenz liegt bei nur 0,5 Kelvin und ist bis jetzt Weltrekord. Die entstehende mechanische Energie ist gleich der Differenz zwischen zugeführter Wärmeenergie und der an den Kühlmantel abgegebenen Energie. Des weiteren sind natürlich auch die Reibungsverluste der Maschine zu berücksichtigen.
