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Wie arbeitet der Stirlingmotor?
Diese Beschreibung ist entstanden aus einer Vielzahl von Diskussionen und aus der Anregung, die ich durch
Lesen der Internet Seite "How do Stirling engines work"
von Koichi Hirata bekommen habe.
==>> http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/english/howwork.htm <<==
Koichi Hirata gebührt Dank und Anerkennung für seine Arbeit.
Eine sehr gute Beschreibung der geschichtlichen Entwicklung des Stirlingmotors und seines
Erfinders Robert Stirling finden Sie (auf englisch) in
http://stirlingengines.org.uk Robert Sier's Internet Seite.
Im folgenden werden der b-Typ Stirlingmotor und der
a-Typ Stirlingmotor beschrieben.
Peter Fette (e-mail an: 
).
Diese Seite bringt eine "logische" Erklärung der Arbeitsweise des Stirlingmotors,
ohne den Leser mit Formeln und Diagrammen zu beschäftigen. Für Studenten des
Maschinenbaues mit Kenntnissen in Thermodynamik sei zusätzlich zu dieser Beschreibung die Seite
"Der Stirlingprozeß aus thermodynamischer Sicht"
sowie "Grundlagen für die Berechnung
des Wärmekraftprozesses und der Dynamik von
a -Typ Stirlingmotoren" mit dem Programm
"STMOT2"
empfohlen.
Kenner der Materie werden sich auch für den 1. Prototyp
der Maschine interessieren, der auf dieser homepage vorgestellt wird.
Inhaltsverzeichnis
Von der Auf- und Abbewegung des Arbeitskolbens zur Drehbewegung
Weitere Ausführungen des Stirlingmotors: der a-Typ Stirlingmotor
Der Stirlingmotor ist nach der Dampfmaschine die 2. älteste Wärmekraftmaschine. Vom
Prinzip her hat der Stirlingmotor einen höheren Wirkungsgrad als die Dampfmaschine,
ein Benzin- oder Dieselmotor.
Im Stirlingmotor wird Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgesetzt. Das Interessante dabei
ist, daß diese Wärmeenergie von außen an den Motor herangeführt werden muß. Er ist
also nicht wie der Benzin- oder Dieselmotor auf die "innere" Verbrennung eines
besonderen Kraftstoffes angewiesen, sondern kann mit beliebigen Wärmequellen arbeiten, z.B.
mit Solar Energie, mit der Abwärme technischer Prozesse,
mit Wärme aus der Verbrennung von Bio- oder Deponiegas, und von
allen möglichen festen und flüssigen Brennstoffen -hierbei kann die Verbrennung
optimal umweltschonend eingestellt werden.
Ganz besonders sollte man für kleine bis mittelgroße Kraftwerke die Nutzung solarer Wärme
für den Antrieb des Stirlingmotors im Auge behalten; denn mit dem Stirlingmotor ist es möglich,
mit deutlich höherer Effektivität el. Strom zu erzeugen als mit PV-Modulen.
Es lohnt sich, den Stirlingmotor kennen zu lernen, ist er doch aus umweltpolitischer Sicht
neben dem Wasserrad und der Windmühle die einzige Kraftmaschine, die die Umwelt nur sehr
gering oder gar nicht belastet.
Um hinter das Geheimnis seiner Arbeitsweise zu kommen,
müssen wir uns zunächst beschäftigen mit den:
Dazu ein kleines Experiment, das wir gedanklich und auch technisch nachvollziehen können.
Wir spannen -wie in Fig. 1 gezeigt- eine Gummihaut z.B. einen entsprechend aufgeschnittenen
Luftballon über ein Becherglas
-es sollte feuerfest sein! - und schließen ddamit die Luft in dem Becher von der Außenwelt ab.
Die Luft im Becher hat die selbe Temperatur und den selben Luftdruck wie die
Umgebungsluft. Dies sei der Ausgangszustand für die Luft im Becher.
Wenn man nun den Becher und damit auch die Luft im Becher erwärmt, wird man beobachten,
daß sich die Gummihaut nach oben wölbt. Es muß also durch die Erwärmung der Luft
in dem Becher ein Druck entstanden sein, der die Gummihaut aufbläst. Siehe Fig. 2.
Wenn nun in einem weiteren Schritt der ganze Becher abgekühlt wird, so daß die Luft in
dem Becher sogar noch kälter wird als die Umgebungsluft, dann wölbt sich die Gummihaut
nach innen. Siehe Fig. 3. In diesem Experiment habe ich den Becher in
Schnee gestellt. Die Außentemperatur war - 5 Grad C.
Im Innern des Bechers hat sich dabei ein geringerer Luftdruck eingestellt als im
Ausgangszustand. Bringt man den Becher und die Luft darin wieder auf Umgebungstemperatur, stellt sich
wieder der Ausgangszustand ein, wie er in Fig. 1 zu sehen ist.
Luftdruck kann man nicht sehen, seine Wirkung kann man aber
durch diese Gummihaut sichtbar machen. Für ganz kritische Leser habe ich extra einen
durchsichtigen Glasbecher genommen, um zu zeigen, daß kein weiteres Hilfsmittel
im Spiel ist. Wenn ein fester Deckel den Becher verschlossen hätte, würden
wir die Änderung des Luftdruckes nur durch einen Druckmesser sichtbar machen können.
Dieser Druckanstieg bei Erwärmung ist es, den der Stirlingmotor in Arbeit umwandelt. Dies muß aber immer wiederkehrend geschehen; denn sonst hätten wir ja nur einen einmaligen Vorgang, den wir z.B. nur zum einmaligen Heben einer Last ausnutzen könnten. Damit der Druckanstieg aber immer wieder erfolgt, und ein Motor entstehen kann, - Sie folgern es sicherlich schon aus obigem Experiment- muß nach jeder Erwärmung auch im gleichen Rhythmus eine Abkühlung der Luft erfolgen, um immer wieder zum Ausgangszustand zu kommen.
Nun machen wir einen ersten Schritt, um aus obigem Experiment zu einem richtigen Stirlingmotor zu kommen. Wir schneiden eine Dose auf -eine Bierdose eignet sich wegen ihrer sehr geringen Wandstärke besonders gut zur Wärmeübertragung- und kleben luftdicht einen Deckel aus Aluminium darauf in dem ein Loch von 20 mm Durchmesser gebohrt ist. In dieses Loch setzen wir einen Kolben aus z.B. Kunststoff. Wenn Loch und Kolben sehr gut paßgenau gearbeitet sind, so daß sich der Kolben leicht bewegen lässt, aber dabei keine Luft aus der Dose entweicht, können wir das obige Experiment mit dieser Dose wiederholen.
Hier bewirkt der Druckanstieg infolge der Erwärmung der Luft, daß sich der Kolben
-wir werden ihn jetzt Arbeitskolben nennen- nach oben bewegt Fig.2a.
Blasen wir die Kerze aus, dann nimmt der Arbeitskolben nach Abkühlung der Luft in der Dose
wieder die Ausgangsstellung ein Fig.1a. Würden wir die Abkühlung noch weiter treiben und
die Dose in Schnee stecken, dann würde der Arbeitskolben noch weiter in die zylindrische
Bohrung des Deckels hineingezogen, ähnlich wie oben Fig.3 die Gummihaut auf dem Glasbecher
sich dabei nach innen wölbt.
Nun könnte man ja hergehen, und den Arbeitskolben mit einem Kurbeltrieb und Schwungrad versehen,
um aus der Auf- und Abbewegung des Arbeitskolbens eine Drehbewegung zu machen.
Wenn man dann die Dose mal erwärmt und mal abkühlt,
hätte man schon einen Motor. Dieser wäre jedoch unwirtschaftlich und sehr langsam,
weil hier ja nicht nur die Luft, sondern zunächst die ganze Dose aufgeheizt und
komplett auch wieder abgekühlt werden muß. Dieses Wechselspiel von Erwärmen
und Abkühlen der Luft ist mit einer gewissen Trägheit behaftet, und dies kostet Zeit.
Wir lernen aus obigen Experimenten jedoch, daß man 2 Einrichtungen braucht, Beheizung
und Kühlung, um Druckanstieg und Drucksenkung in einem abgeschlossenen Luftraum
zu bekommen, um damit einen Arbeitskolben zu bewegen.
Zwischen diesen 2 Einrichtungen, Beheizung und Kühlung, muß
es jedoch noch etwas geben, was die Luft veranlaßt, in schnell wiederkehrendem Rhythmus
mal heiß mal kalt in der Maschine zu sein.
Der Schottische Pfarrer Robert Stirling, der sich um Erleichterung der Arbeiten
im Steinbruch sorgte, und eine mit Heißluft -anstelle mit Dampf- arbeitende Maschine
schaffen wollte, hatte einen genialen Einfall:
Man müßte getrennte heiße und kalte Zonen in der Maschine schaffen und die Luft
mit einem Verdränger mal schnell in den heißen und danach wieder schnell
in den kalten Bereich der Maschine schieben, so daß, wenn der Kolben Arbeit verrichten soll,
überwiegend Luft im heißen Bereich ist und den Druckanstieg bewirkt.
Und daß, wenn der Arbeitskolben zurück gehen soll, überwiegend Luft im kalten
Bereich vorhanden ist, um die dafür hilfreiche Druckabsenkung zu bewirken.
In dem nach ihm benannten Stirlingmotor übernimmt ein Verdränger-Kolben diese Aufgabe.
Welche Aufgabe hat ein Verdränger-Kolben?
Als nächstes setzen wir in die Bierdose diesen Verdränger-Kolben ein, den man mittels einer dünnen Stange, die in der Mitte durch den Deckel führt, auf und ab bewegen kann. Diese Durchführung der dünnen Stange durch den Deckel muß leichtgängig und auch dicht sein, ohne daß Luft aus der Dose entweichen oder herein kommen kann. Der Durchmesser dieses Verdränger-Kolbens sollte aber deutlich kleiner sein als der Innendurchmesser der Dose, so daß die Luft, wenn man den Verdränger-Kolben auf und ab bewegt, an ihn vorbeistreichen kann. Siehe Fig. 4 (die "Dose" ist hier und in den folgenden Bildern zur verständlicheren Darstellung ein durchsichtiger Glaszylinder.) Der Verdränger-Kolben ist also kein Kolben im üblichen Sinn, sondern, wie sein Name schon sagt, ein "Verdränger", der bei seiner Bewegung Luft aus einem Teil der Dose an sich vorbei in den anderen Teil der Dose verdrängt. Wir werden ihn von nun an Verdränger nennen. Unser Arbeitskolben bleibt wie in dem Bild oben bestehen.
Nun folgt ein wichtiges Experiment:
Wir erwärmen die Dose unten und kühlen sie "gleichzeitig" oben im
Bereich des Deckels und des Arbeitskolbens. Der Verdränger sei anfangs oben. Siehe Fig. 5
links. Wir wissen jetzt,
daß Druck entsteht, und daß der Arbeitskolben -wie schon in Fig. 2a beobachtet- sich nach oben bewegt.
Bewegen wir jetzt den Verdränger nach unten, so daß die warme Luft an ihm vorbei nach oben
gedrängt wird, dann kann sie dort gekühlt werden. Wir beobachten, daß eine kurze Zeit
später, nachdem der Verdränger unten ist, der Arbeitskolben auch zurück geht.
Dieses Auf- und Ab des Arbeitskolbens können wir stetig wiederholen, wir brauchen
dazu nur den Verdränger hoch und runter zu bewegen.
Mit dem Erwärmen im
unteren Bereich der Dose und dem gleichzeitigen Kühlen im oberen Bereich haben wir ja jetzt 2
Temperaturzonen in der Dose fest eingerichtet, und sobald die Luft sich -möglichst komplett-
in einer dieser Temperaturzonen befindet, stellt sich ein entsprechender Druck ein.
Allein durch die Wirkung der Temperatur auf die Luft wird der Druck in der Dose erhöht oder gesenkt.
Wohlgemerkt, der Verdränger ist kein Kolben wie in einer Luftpumpe, der die Luft komprimieren und
ansaugen kann. Auch kann der Verdränger keine Kraft nach außen übertragen, im Gegenteil
er braucht Kraft von außen, um bewegt werden zu können, und deswegen sollte der Verdränger
auch möglichst leicht sein; dann erfordert die Bewegung des Verdrängers
sehr wenig Kraft; ganz im Gegensatz zur Bewegung eines Kolbens in einer Luftpumpe.
Ich habe diesen Verdränger aus dem sehr leichten und zugleich festen Material Styrodur hergestellt.
Eine sich drehende Maschine haben wir bis jetzt noch nicht. Aber Sie haben jetzt eine
Wärmeeigenschaft der Luft kennengelernt, und Sie wissen um die Wirkung des Verdrängers
in der Maschine. Beim Stirlingmotor ist der Verdränger eine sehr wichtige Einrichtung:
Durch Verdrängung der Luft vom heißen in den kalten Bereich des Motors und umgekehrt wird der Luftdruck in der Maschine erhöht bzw. gesenkt, so daß ein Kolben Arbeit verrichten kann.
Von der Auf- und Abbewegung des Arbeitskolbens zur Drehbewegung
Sinnvoll wäre es nun, den Arbeitskolben, wie oben schon angedeutet, an eine Kurbelwelle zu koppeln,
um aus seiner vom Luftdruck getriebenen Auf- und Abbewegung eine Drehbewegung zu machen.
Dazu verbinden wir den Arbeitskolben gelenkig mittels einer Pleuelstange an eine Kurbelwelle, die man sich
-wie in Fig. 6 gezeigt- aus einem dicken Draaht gebogen vorstellen kann. Durch die Auf- und Abbewegung des
Arbeitskolbens dreht sich jetzt die Kurbelwelle ein wenig.
Aber auch jetzt haben wir noch keinen Motor; denn bis jetzt müssen wir ja
noch selbst den Verdränger auf- und abbewegen. Doch wenn wir dieses tun, können
wir beobachten, daß sich der Arbeitskolben stetig hebt und senkt und sich die Kurbelwelle dabei dreht.
Jedoch, eine komlette Umdrehung macht die Kurbelwelle noch nicht. Wenn wir die Maschine, so wie bis jetzt
beschrieben, bauen würden und genau beobachten, sehen wir nämlich, daß der Kolben die zur
Kurbelwelle gehörenden Totpunktlagen nicht erreicht. (Auch wenn es in den Abbildungen bis Fig. 8
idealerweise so dargestellt ist!)
(Nebenbei gesagt: Wenn wir die stetige Beheizung und Kühlung abgeschaltet haben, und warten bis
Umgebungstemperatur in der Dose herrscht, und dann den
Verdränger auf- und abbewegen, bleibt der Arbeitskolben in der Stellung stehen, die er nach
der Wartezeit eingenommen hat. Das muß auch so sein; denn die
Luft hat ja dann überall in der Dose die gleiche Temperatur; und den gleichen Druck, egal ob der
Verdränger bewegt wird oder nicht.)
Was fehlt noch?
Nun wir müssen eine Einrichtung finden, um den Verdränger an die Drehbewegung der
Kurbelwelle zu koppeln; und wir müssen eine weitere Vorrichtung schaffen, die es ermöglicht, die
Totpunktlagen des Kolbens zu erreichen und für eine Drehbewegung zu überwinden. Wie wir das erreichen,
werden wir in den nächsten beiden Kapiteln kennenlernen
Kurbeltrieb mit Arbeitskolben und Verdränger
sind wichtige Elemente des kompletten Stirlingmotors. Nach dem bisher Gesagten wissen wir, daß die Auf- und Abbewegung des Arbeitskolbens, um Kraft auf den Kurbeltrieb zu übertragen, ausgelöst wird durch die Stellung des Verdrängers.
Wenn wir den Verdränger auf und ab bewegen, erkennen wir, daß sich der Kolben und damit auch die Kurbelwelle
sich nach einer gewissen zeitlichen Verzögerung bewegt. Das liegt daran, daß die Luft Zeit braucht, um sich zu
erwärmen bzw. um sich abzukühlen. Siehe hierzu auch das Kapitel
Die Wärmeübertragung auf das Arbeitsgas.
Man kann sich nun vorstellen, den Verdränger elektromagnetisch gesteuert auf- und
abschnellen zu lassen und ihn in jeder Endstellung so lange still zu halten, bis der Arbeitskolben ungefähr
auch diese Endstellung -oben bzw. unten- erreicht hat. Das wäre sogar gut, und mit einem Schwungrad
-siehe nächstes Kapitel- an der Kurbellwelle hätten wir fast einen idealen Stirlingmotor gebaut!
Diese Verdrängersteuerung sollte dann im idealen Zustand folgendermaßen funktionieren:
Wenn der Arbeitskolben unten ist, und sich nach oben bewegen soll, muß der Verdränger hochschnellen; dann gelangt alle Luft in den heißen Bereich, sie wird erwärmt, der Luftdruck steigt, das Luftvolumen expandiert, was durch die Bewegung des Arbeitskolbens nach oben sichtbar wird; die Kurbelwelle dreht sich.
Der Verdränger muß solange in der oberen Stellung verharren, bis der Arbeitskolben oben angekommen ist. Dann sollte der Verdränger nach unten schnellen und dabei die Luft aus dem heißen Bereich in den kalten schieben. In der unteren Stellung sollte der Verdränger ebenfalls eine Weile wieder stehen bleiben. Die Luft kühlt sich ab, der Luftdruck sinkt und der Arbeitskolben bewegt sich nach unten aufgrund der einsetzenden Kontraktion. Die Kurbelwelle dreht sich weiter.
Wenn der Arbeitskolben unten angekommen ist beginnt das Spiel von Neuem, wieder zunächst mit dem Hochschnellen des Verdrängers und des Verdrängens der Luft aus dem kalten Bereich in den heißen Bereich.
Diese Art den Verdränger zu bewegen, nennt man "diskontinuierliche Verdrängersteuerung";
die Verdrängerbewegung verläuft nicht kontinuierlich zur Arbeitskolbenbewegung, sie ist durch Stillstand
und Bewegung gekennzeichnet. Ich erwähne die diskontinuierliche Verdrängersteuerung hier, um die
ideale Wirkungsweise des Stirlingmotors zu verdeutlichen. Der Leser mit Vorkenntnissen in Thermodynamik
möge zur Vertiefung seiner Kenntnisse die Erklärungen im Bericht
"Der Stirlingprozeß aus thermodynamischer Sicht" lesen.
Allerdings, der reale Stirlingmotor, den wir hier kennenlernen wollen, muß einige Kompromisse eingehen
besonders in Bezug auf die diskontinuierliche Verdrängersteuerung.
Denn bei einer sehr schnellen Bewegung und Abbremsung treffen sehr hohe Kräfte auf den
idealen Verdränger, und würden ihn -auch wenn er nur eine geringe Masse hat- bald zerstören.
Eine beinahe diskontinuierliche Verdrängersteuerung ist in dem langsam laufenden
Flachplatten-Stirlingmotor von Ivo Kolin realisiert.[1]
,[3] In diesen beiden Büchern befindet sich auch ein
Bauplan dieses Flachplatten-Stirlingmotors.
Wir suchen hier aber nach einer einfacheren Einrichtung, und versuchen den Verdränger kontinuierlich mit der
Drehbewegung der Kurbelwelle zu verbinden.
Eine kontinuierliche Verdrängersteuerung könnte man erhalten, indem man eine 2. Kurbelwelle an die Dose anbaut
und sie "geeignet" mit dem Verdränger und der 1. Kurbelwelle koppelt.
Einfacher ist es jedoch, dafür die schon vorhandene Kurbelwelle zu nehmen, und eine Pleuelstange
mit dem Verdränger zu verbinden und diese Pleuelstange geeignet an die Kurbelwelle zu koppeln.
Aber wie, was ist hier "geeignet" ?
Oben wurde festgestellt, daß die Bewegung des Arbeitskolbens in einem gewissen zeitlichen Versatz zu der
Bewegung des Verdrängers erfolgt. Wenn wir den Verdränger an die schon vorhandene Kurbelwelle koppeln wollen,
müssen wir diesen zeitlichen Versatz in einen Kurbelwinkel-Versatz umformen. Man kann hier experimentieren, doch
optimal ist es, den Verdränger um einen Versatzwinkel von 90° in Drehrichtung voreilen zu lassen. Dann ist schon
ein Teil Luft in den heißen Bereich gelangt, wenn der Arbeitskolben unten ist, und kann sich erwärmen.
Der Luftdruck beginnt zu steigen und drückt den Arbeitskolben hoch.
Dafür biegen wir den dicken Kurbelwellendraht jetzt so, daß im Versatz von 90° zur
Arbeitskolbenbewegung eine Pleuelstange angeschlossen werden kann, die über ein Gelenk mit dem Verdränger
verbunden wird. Siehe Fig. 8-1. und Fig. 8-2
(Warum das so sein soll, ist an dieser Stelle zu kompliziert zu erläutern. Hier empfehle
ich Lesern mit Vorkenntnissen, den Bericht
"Der Stirlingprozeß aus thermodynamischer Sicht" zu lesen.)
Das Schwungrad für die Drehbewegung
Die Maschine arbeitet bis jetzt noch nicht richtig. Wenn Sie die Maschine beheizen, wird sie
in der Nähe der obersten Arbeitskolbenstellung stehen bleiben. Diese Stellung ist
ungefähr erreicht, wenn die Kurbelwelle in Fig. 8-2 in der angezeigten Drehrichtung um ca. 90
Grad weiter gedreht würde.
Wir spüren dabei schon deutlich die Kraft, die der Arbeitskolben bei seiner Bewegung
nach oben auf die Kurbelwelle ausübt. Um eine kontinuierliche Drehbewegung zu erhalten,
muß die Kurbelwelle jedoch ein Schwungrad bekommen.
Das Schwungrad ist ein weiteres sehr wichtiges Element des Stirlingmotors. Ohne Schwungrad
würde kein einfacher Stirlingmotor arbeiten können.
Warum?
Nun, unser realer Stirlingmotor bringt uns seine Nutzarbeit nur in einem kleinen Teil in ca. 1/3 seiner
Kurbelwellenumdrehung. In ca. 1/6-Umdrehung bringt der Motor nichts und braucht auch nichts,
hier heben sich die Reibungsverluste und die positiven Kräfte gegenseitig auf.
Aber während ca. einer 1/2 Umdrehung braucht der Motor sogar Energie.
Warum ist das so?
In Wirklichkeit reicht die Kühlung der Maschine nicht aus, um -wie in Fig.5_rechts gezeigt-
den Luftdruck in der Maschine soweit abzusenken, daß sich der Arbeitskolben von selbst in
die unterste Position bewegt; denn durch die Kühlung erreicht die Luft im kalten Bereich des realen
Motors wegen der zeitlichen Trägheit des Wärmeübergangs nicht schnell genug die Umgebungstemperatur.
Dies wäre die eine Ursache.
Zweitens: Wenn der Verdränger unten ist, wartet er ja konstruktionsbedingt nicht, bis auch der Arbeitskolben
unten ist, sondern er hebt sich wieder entsprechend des 90° Phasenversatzes der Kurbelwelle -siehe Fig. 8-1.
Ist aber der Arbeitskolben unten -siehe Fig. 9-, dann ist der Verdränger bereits wieder auf dem halben Weg nach oben,
und ein jetzt zu berücksichtigendes heißes Luftvolumen bewirkt, daß der
Gesamtdruck in der Maschine immer noch höher ist, als er für die untere Stellung des
Arbeitskolbens wünschenswert wäre. Somit trägt die Kühlung zwar nicht vollständig aber
immerhin etwas zur Abwärtsbewegung des Kolbens bei. Selbst mit einer idealen diskontinuierlichen
Verdrängersteuerung -siehe oben- würden wir ohne Schwungrad keine komplette Drehbewegung erhalten.
(Der Leser mit Kenntnissen in Thermodynamik kann in dem Bericht:
"Grundlagen für die Berechnung des Wärmekraftprozesses und
der Dynamik von a-Typ Stirlingmotoren" mit dem Programm
"STMOT2"
nachlesen, wie man den Gasdruck in der Maschine berechnen kann.)
Man spricht in der Phase der Abwärtsbewegung des Arbeitskolbens von der Kompression der
Luft.
Hier ist es, wo der reale Motor zusätzliche Kraft benötigt, um den Arbeitskolben ganz
nach unten zu drücken.
Und diese Kraft wird ihm durch das sich drehende Schwungrad geliefert. Glücklicherweise ist
die Energie, die dabei von dem sich drehenden Schwungrad weggenommen wird, kleiner als die
Energie, die der Motor in seiner Arbeitsphase selbst liefert und auf das Schwungrad
überträgt, und deswegen kann er sich auch weiter drehen.
Wenn das Schwungrad schwer genug ist, wird man nicht einmal sehen können, daß, immer
wenn der Arbeitskolben nach unten gedrückt wird, die Drehbewegung ein wenig verlangsamt wird.
Eine weitere wichtige Erkenntnis folgt hieraus:
Man muß das Schwungrad erst einmal in Bewegung setzen, damit der Stirlingmotor in Gang kommt.
Der einfache Stirlingmotor braucht also eine Starthilfe vom rotierenden Schwungrad !
Mit dem Schwungrad ist der Stirlingmotor nun komplett.
Dies ist der b-Typ Stirlingmotor.
Fig.10 zeigt den fertigen Bierdosen Stirlingmotor mit einer
kugelgelagerten Kurbelwelle. Mit dem Loch in der Schwungscheibe wurde die Kurbelwelle ausgewuchtet.
Klicken Sie in dieses Bild, um ein kurzes Video von der laufenden Maschine zu sehen. Dabei werden Sie sehen, daß
die Maschine mit der Wärme einer Tasse Tee anzutreiben ist. Daß diese Maschine auch mit Sonnenenergie angetrieben
werden kann, zeigt ein kleiner Umbau, siehe die Fig.22 im Kapitel
Die Wärmeübertragung auf das Arbeitsgas.
Die Kurbelwelle der gebauten Maschine ist wegen der Verwendung von Kugellagern geteilt.
Arbeitskolben: Hub = 8 mm; Durchmesser = 20 mm; Länge = 14 mm
Verdränger: Hub = 15 mm; Durchmesser = 60 mm; Länge = 70 mm
Bauanleitung und Technische Zeichnungen für diese Maschine auf Anfrage über e-mail an:
Verfolgen wir einmal 1 Umdrehung des Motors nach Fig. 9
Fig. 12 -sie ist identisch mit Fig. 9 hier aber im Schnitt wiedergegeben- stellt den Ausgangszustand dar mit der Kurbelwellenstellung 0°. In den folgenden 3 Bildern hat sich die Maschine jeweils um 1/4 Umdrehung (= 90° Kurbelwinkel) weiter bewegt. Danach erreicht die Maschine wieder den Ausgangszustand wie in Fig. 12.
Weitere Ausführungen des Stirlingmotors: der a-Typ Stirlingmotor
Fig.11 zeigt den sogenannten b-Typ Stirlingmotor, der dadurch gekennzeichnet ist, daß sein Verdränger und sein Arbeitskolben in einem Raum untergebracht sind. Der b-Typ Motor ist also eine 1-Zylinder Maschine. Der b-Typ Stirlingmotor wird für kleine bis mittlere Leistungen gebaut. Daneben gibt es die 2-Zylinder 2-Kolben Maschine, das ist der sog. a-Typ Stirlingmotor, der für mittlere bis große Leistungen gebaut wird. Da diese Homepage von der Neuentwicklung eines 4-fach wirkenden a-Typ Stirlingmotors berichtet, soll auch die Arbeitsweise dieses Motortyps besprochen werden. Fig.16 zeigt das Wichtigste dieses Motortyps.
Wir sehen in Fig.16 zwei rechtwinklig zu einander stehende Zylinder, -Arbeitszylinder und
Kompressionszylinder- deren Kolben und Pleuel auf einen gemeinsamen Kurbelzapfen wirken. Wegen
dieser 90° Anordnung der Zylinder wird der a-Typ Stirlingmotor auch
"V"- Motor genannt. Die Kurbelwelle ist in dieser Abbildung nicht gut sichtbar.
Auch dieser Motor hat wieder ein Schwungrad nötig. Am linken Zylinderkopf ist eine Beheizung
angebracht, hier dargestellt durch eine Flamme. Der rechte Zylinderkopf wird gekühlt, genau
vor diesem Zylinderkopf sitzt ein Kühler. Das Verbindungsstück zwischen dem Kühler
und dem beheizten Zylinderkopf ist der sog. Regenerator, dessen Bedeutung wir weiter unten
besprechen.
Bei vielen a-Typ Stirlingmotoren ist der Arbeitszylinder nicht
selbst beheizt, sondern es ist zwischen seinem Zylinderkopf und dem Regenerator ein separater
Erhitzer dazwischengeschaltet wie in Fig.16 dargestellt. Dieser Erhitzer besteht aus vielen dünnen
Röhrchen, durch diese strömt die Luft zum Arbeitszylinder und wird dabei erhitzt.
Die Bedeutung des Erhitzers wird im Kapitel
Die Wärmeübertragung auf das Arbeitsgas
beschrieben.
Auch hier erfolgt wie beim b-Typ Stirlingmotor die Beheizung und die
Kühlung gleichzeitig. Wir erkennen, daß es beim a-Typ
Stirlingmotor keinen "Verdränger" gibt.
Die Arbeitsweise dieses Motortyps soll wie oben beim b-Typ Stirlingmotor wieder an 4 Kurbelwinkelstellungen erläutert werden. Wir werden sehen, wie die beiden Kolben im a-Motor die Luft zum richtigen Zeitpunkt in den kalten bzw. in den heißen Zylinder schieben, so daß die Maschine Nutzarbeit verrichten kann:
Fig. 17(1) ist die Ausgangsstellung für die Erläuterung. Der Kolben des Arbeitszylinders steht im oberen Totpunkt. In dieser Stellung sei der Kurbelwinkel 0 Grad definiert. Die meiste Luft ist im kalten Kompressionszylinder. Die eingezeichnete Drehrichtung kann jetzt nur durch die Rotationsenergie des Schwungrades beibehalten werden. (Wäre in dieser Stellung Stillstand, dann würde die Kraft auf den Kolben des Kompressionszylinders die Maschine genau anders herum in Bewegung setzen -allerdings auch nur für ca. 3/8 Umdrehung. Siehe auch die nachfolgenden Erklärungen zu Fig. 18)
Fig. 17(2) 1/4 Umdrehung weiter: Kurbelwinkelstellung 90 Grad: Es hat ein Austausch der Luft vom Kompressionszylinder
und Kühler über den Regenerator in den Arbeitszylinder hinein stattgefunden.
Im Arbeitszylinder ist diese Luftmasse jetzt erhitzt, und wie wir aus dem
obigen Experiment wissen, ist durch die Erhitzung der Luftdruck in der Maschine stark angestiegen, er ist jetzt
erheblich höher als der Druck in Fig. 17(1) der Ausgangsstellung.
In beiden Kurbelwinkel Stellungen (1) und (2) ist das Luftvolumen in der Maschine gleich
groß, nur die jetzt größere Masse der Luft im heißen Arbeitszylinder -Fig. 17(2)-
hat den Druckanstieg bewirkt.
Jetzt kann die Kraft, die aufgrund dieses hohen Druckes auf den Kolben im Arbeitszylinder
wirkt, ein optimales Drehmoment auf die Kurbelwelle bringen. Und zwar in der eingezeichneten
Drehrichtung mit dem maximalen Hebelarm "a" in Fig. 17(2).
Der Druck auf den Kolben im Kompressionszylinder ist -einmal abgesehen von den Strömungsverlusten
im Kühler und Regenerator- der gleiche wie im Arbeitszylinder.
Die rechtwinklige Anordnung der beiden Zylinder bewirkt einen Phasenversatz
von 90 Grad in der Bewegung der Kolben. Das heißt: der Kolben des Kompressionszylinders
hat in der eingezeichneten Drehrichtung jeweils 90 Grad später immer die gleiche Stellung in seinem Zylinder
wie zuvor der Kolben im Arbeitszylinder. Also bei 90 Grad Kurbelwinkel -Fig. 17(2)- steht jetzt der Kompressionskolben im
oberen Totpunkt. Die aufgrund des gleichen Druckes und der gleichen Abmessungen beider Zylinder auch gleich
große Kraft auf diesen Kolben hat jedoch in dieser Kurbelwinkelstellung keinen Hebelarm, um
ein Drehmoment auf die Kurbelwelle zu bringen.
In dieser Winkelstellung wirkt also allein die optimale Nutzkraft vom Arbeitskolben auf den
Kurbeltrieb.
Weiter:
Fig. 17 (3) In dieser weiteren 1/4 Umdrehung -Kurbelwinkelstellung jetzt 180 Grad- konnten die Kräfte
auf beide Kolben nutzbringende Drehmomente auf die Kurbelwelle bringen. Das Luftvolumen ist in
beiden Zylindern aufgrund der Abwärtsbewegung beider Kolben größer geworden.
Durch diese Expansion ist der Luftdruck zwar gesunken,
dennoch ist bis hierher nutzbringende Arbeit verrichtet worden. Die Schwungradenergie ist also
durch die Umdrehung von (2) nach (3) deutlich erhöht worden.
Ab jetzt verschiebt sich die Luftmasse in den Kompressionszylinder.
Fig. 17(4): In der 1/4 Umdrehung von Stellung (3) nach (4) zur Kurbelwinkelstellung 270 Grad vergrößert sich die Luftmasse im Kompressionszylinder. Die Kraft auf den kalten Kolben hat von (3) nach (4) noch zur Nutzarbeit beitragen können, jedoch zum Teil entgegen der Kraft auf den Arbeitskolben, so daß bereits nach dem halben Weg von 17(3) bis 17(4) wieder die Schwungradenergie angezapft werden muß zur Aufrechterhaltung der Drehbewegung; denn in 17(4) hat bereits die Kompression eingesetzt. Übrigens genau auf dem halben Weg von 17(3) bis 17(4) - bei der Kurbelwinkelstellung 225 Grad - ist das maximale Luftvolumen erreicht. Siehe Fig.17(6) und dazu auch die Erklärungen zu Fig.18b.
In weiterer 1/4 Umdrehung, in der das gesamte Luftvolumen unter Abkühlung komprimiert wird, kommt man wieder zur Ausgangsstellung Fig. 17(1). Für diesen Bereich der Umdrehung wird am meisten Energie verbraucht, die, wie wir schon wissen, aus dem Schwungrad genommen wird. Glücklicherweise ist natürlich auch bei diesem a-Typ Stirlingmotor die Nutzarbeit größer als die Energie, die zur Kompression der Luft von der Rotationsenergie des Schwungrades abgezapft werden muß.
2 wichtige Unterschiede des a-Typ Stirlingmotors zum
b-Typ Stirlingmotor :
Der Verdränger im b-Motor bewegt sich in einem Raum von konstantem
Volumen. Siehe Fig. 11.
Das gesamte Gasvolumen wird im b-Motor nur durch den 1
Arbeitskolben verändert. Beim a-Typ Stirlingmotor beeinflussen
beide Kolben das gesamte Gasvolumen.
Dadurch kann hier ein wesentlich größeres Kompressionsverhältnis
Vmax/Vmin erreicht werden, was den a-Typ
Stirlingmotor befähigt, höhere Leistungen zu erbringen. Nähere Erklärungen dazu lesen Sie
in "Der Stirlingprozeß aus thermodynamischer Sicht"
Ein weiterer wichtiger Unterschied zum b-Motor ist die Kurbelwinkelstellung bei der das minimale -bzw. das maximale- Gasvolumen in der a-Maschine erreicht ist. Siehe obige Abbildungen Fig. 17(5) und Fig.17(6). Nebenbei bemerkt, diese Kurbelwinkelstellungen gelten nur, wenn beide Kolben den gleichen Durchmesser haben.
Auch wenn es das eigentliche Ziel dieser Beschreibung sein sollte ganz ohne Formeln und Diagramme
auszukommen, so erscheint es mir für manchen Leser nützlich, auch den Drehmomentverlauf
in dieser a-Typ Stirlingmaschine zu besprechen, sowie die
Abhängigkeit der Gasvolumina im Arbeits- und Kompressionszylinder und den Verlauf des
gesamten Gasvolumens einschließlich aller Toträume sowie den Gasdruck als Funktion des
Kurbelwinkels für 1 Umdrehung der Maschine darzustellen.
Hinweis nebenbei:
Die Diagramme in Fig.18a und Fig.18b
sind für einen a-Typ Stirlingmotor berechnet worden bei dem die
Durchmesser beider Kolben gleich groß sind. Reibungsverluste sowie die Druckverluste in der
Gasströmung sind in dieser Berechnung als vernachlässigbar klein angenommen worden.
Fig. 18a :
Die Kraft auf den Kolben des Arbeitszylinders bewirkt ein Drehmoment PFE
und die Kraft auf den Kolben des Kompressionszylinders bewirkt ein Drehmoment
PFK.
(Übrigens: beide Kräfte sind gleich groß wegen des gleichen Druckes und der
gleichen Durchmesser beider Zylinder. Die unterschiedlichen Verläufe der Drehmomentkurven rühren
her von den Hebelarmen, die sich bei PFE sinus-förmig und
bei PFK cos-förmig ändern.)
Beide Drehmomente zusammen ergeben das nach außen wirksame Gesamtdrehmoment
DREHM. Im Bereich von Kurbelwinkelstellung 45 bis 225 Grad ist das
Gesamtdrehmoment DREHM positiv; hier wird Nutzarbeit verrichtet, die z.B.
zur Erhöhung der Rotationsenergie des Schwungrades gebraucht werden kann. (Reibungsverluste wurden
bei dieser Berechnung vernachlässigt.) In den anderen
Winkelstellungen ist das Gesamtdrehmoment DREHM negativ. Hier wird ein
Teil der Rotationsenergie abgebaut. Aber zum Glück ist dieser Energieverbrauch geringer als
die Nutzarbeit, sodaß mit jeder weiteren Umdrehung die Drehzahl und damit die Rotationsenergie zunehmen, wenn kein
Verbraucher von der Maschine angetrieben werden soll. Wird aber ein Verbraucher vom Stirlingmotor
angetrieben, so kann dieser bei konstanter mittlerer Drehzahl gerade die Differenz
zwischen positivem und negativen Drehmoment als Nutzarbeit gewinnen.
In Fig. 18b sind die Gasvolumina und der Gasdruck P für 1 Umdrehung aufgetragen. VE ist das Gasvolumen im Arbeitszylinder und VC ist das Gasvolumen im Kompressionszylinder. VG ist das gesamte Gasvolumen inklusive des Regeneratorvolumens und aller sonstigen Toträume in der Maschine. Für den maximalen Gasdruck P ca. bei 45 Grad Kurbelwinkel hat das Gasvolumen VG ein Minimum. Und bei maximalem Gasvolumen VG bei 225 Grad Kurbelwinkel hat der Gasdruck P sein Minimum.
Man beachte:
Expansionsarbeit wird verrichtet von 45 - 225 Grad, während Kompressionsarbeit unter Anzapfung der Rotationsenergie des Schwungrades im Kurbelwinkelbereich von 225 bis 45 Grad über eine volle Umdrehung hinaus aufgebracht werden muß. Die Nutzarbeit des Motors, also die Arbeit, die einem Verbraucher zugeführt werden kann -oder die der Erhöhung der Rotationsenergie des Schwungrades dient, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist-, diese Nutzarbeit ist die Differenz von Expansions- und Kompressionsarbeit.
Ich habe im vorigen und in diesem Kapitel die Vorgänge im realen Stirlingprozeß beschrieben. Manche Leser mit etwas Kenntnissen in Thermodynamik mag dies verwirren, wenn sie nicht korrekt zwischen dem realen und dem idealen Stirlingprozeß unterscheiden. Zur Vertiefung ihrer Kenntnisse mögen diese Leser die Seite: "Der Stirlingprozeß aus thermodynamischer Sicht" sowie "Grundlagen für die Berechnung des Wärmekraftprozesses und der Dynamik von a -Typ Stirlingmotoren mit dem Programm STMOT2" auf dieser Homepage studieren.
Eine sehr gut gelungene Animation
des a-Typ Stirlingmotors mit korrekten thermodynamischen Beziehungen hat
Michael Abendschön (e-mail: 
) aus
einigen von mir mit meinem Programm "STMOT2" berechneten
Motordaten erarbeitet. Ich bin ihm zu großem Dank
verbunden, seine Arbeit hier veröffentlichen zu können. Sichtbar wird diese Animation in
Browsern, die Macromedia Flash-Plugins verarbeiten können. Ich gebe hier ein Bild
aus dieser Animation -siehe unten- wieder. Sie sehen hier die Stellung 45 Grad Kurbelwinkel, wie sie auch in
Fig. 17(5) zu finden ist.
Unter der Maschine sehen Sie ein P-V Diagramm des realen Prozesses (der ideale Stirlingprozeß
ist gestrichelt eingezeichnet in den gleichen Volumengrenzen Vgmax = 800 cm3 und
Vgmin = 330 cm3).
Ein roter Markierungspunkt steht beim minimalen Gesamtluftvolumen Vgmin dies entspricht
der Kurbelwinkelstellung von 45 Grad.
Rechts neben dem P-V Diagramm sehen Sie ein Diagramm, in dem der Luftdruck
P und das Gesamtvolumen Vg
über dem Kurbelwinkel aufgetragen sind. (Zur Definition des Gesamtvolumens
Vg siehe auch
oben die Fig. 18b .) In diesem und den beiden anderen Diagrammen bewegt sich,
wenn die Animation gestartet wird, eine rot gestrichelte Linie, an der man den augenblicklichen
Kurbelwinkel ablesen kann; dieser augenblickliche Kurbelwinkel wird zusätzlich unter die
Kurbelwelle geschrieben. Ganz rechts ist der Verlauf der Nutzarbeit über 1 Kurbelwellenumdrehung
zu sehen. Die Nutzarbeit erreicht ihren maximalen Wert, wenn die Expansion beendet ist und das
gesamte Luftvolumen auch sein Maximum hat bei 225 Grad Kurbelwinkel.
Die resultierende Nutzarbeit einer Umdrehung, die nach Abzug der
Kompressionsarbeit an der Kurbelwelle nach außen abgegeben werden kann, beträgt hier ca.
125 Newton * Meter (abgelesen bei 360 Grad Kurbelwinkel) das sind 0,000035 KWh; bei 500 U/min
wäre das eine Wellenleistung von ca. 1KW.
Wichtig ist das 4. Diagramm, wo die Luftmassenverteilung in den beiden Zylindern und im Regenerator als Funktion des Kurbelwinkels zu sehen ist. Die Luftmassen in den kalten und heißen Toträumen sind jeweils den Luftmassen des kalten bzw. heißen Zylinders zugeordnet. Wir sehen, daß die Luftmassen stetig in Bewegung sind. Ein Luftwechsel von kalt nach heiß ist jedoch erheblich schneller (ca. in 90 Grad) erreicht als umgekehrt der Luftwechsel von heiß nach kalt, wofür fast 270 Grad Umdrehung benötigt werden. Die Realität eines ständigen Gaswechsels mögen sich vor allem die Leser vergegenwärtigen, die bisher nur den idealen Stirlingprozeß kannten. Im idealen Stirlingprozeß findet die Expansion nach dem Gasmassenwechsel von kalt nach heiß und die Kompression nach dem Gasmassenwechsel von heiß nach kalt statt. Es ist aber keine reale Maschine denkbar, bei der diese 4 Vorgänge nacheinander ablaufen können. In realen Maschinen überlappen sich diese Vorgänge. Bei Stirlingmotoren vom a- Typ ist aufgrund des Phasenversatzes beider Kolben jedoch dafür gesorgt, daß das Arbeitsgas -in diesem Fall Luft- während der Expansion sich überwiegend in den heißen Regionen des Motors aufhält, und daß es sich während der Kompression überwiegend in den kalten Regionen des Motors aufhält. Auch beim b-Typ Stirlingmotor mit kontinuierlicher Verdrängersteuerung -siehe Fig. 11- ist dies so, und auch hier findet ein ständiger Luftmassenwechsel statt. Nur, weil beim b- Motor allein 1 Kolben arbeitet, ist -in den jeweiligen Totpunktlagen des Kolbens- der Beginn der Expansion und der Beginn der Kompression eher zu erkennen -siehe oben .
Klicken Sie in das Bild, um zu der eigentlichen Animation zu gelangen, und betätigen Sie dort
"Start" oder, wenn Sie nur Schrittweise die Animation in Gang setzten wollen, klicken
Sie auf die "Inkrement" - Schaltflächen.
Klickt man auf das kleine Icon links unten im P-V Diagramm der Animation, so werden "mittlere"
Temperaturen an den Stellen auf der Kurve eingeblendet, die den Winkelstellungen 0, 45, 90, 180,
225, 270 und 360 entsprechen. Was es mit diesen Temperaturen auf sich hat, bespreche ich
in: "Der Stirlingprozeß aus thermodynamischer Sicht"
sowie in
"Grundlagen für die Berechnung des Wärmekraftprozesses und
der Dynamik von a -Typ
Stirlingmotoren mit dem Programm STMOT2"
auf dieser Homepage.
Die Diagramme Fig.18a, Fig.18b sowie die Diagramme neben der Animation sind mit dem Programm
STMOT2 errechnet worden. Sie finden die Eingabedaten dafür in:
Fallstudien zur Berechnung des Wärmekraftprozesses und der Dynamik von
a-Typ Stirlingmotoren.
Die Stirlingmotoren, soweit wir sie bisher besprochen haben, arbeiten auch ohne
Regenerator recht brauchbar.
Man kann sich aber mal Gedanken über den Wirkungsgrad dieser Maschinen machen.
Wirkungsgrad besagt: Wie effizient ist im Stirlingmotor die Umsetzung von Wärmeenergie in
mechanische Energie? Oder: Wie kann man Wärmeverluste herabsetzen?
Das eine wäre, die heißen Teile der Maschine gegen die Wärmeabstrahlung zu
isolieren. Das ist schon wichtig, doch in der Maschine selbst, -in ihrem Arbeitsprozeß-
steckt auch noch eine Möglichkeit, die zugeführte Wärme besser zu nutzen:
Immer, wenn die Luft vom kalten in den heißen Bereich gedrückt wird, sei es durch die
Bewegung des Verdrängers in den b-Maschinen -siehe
Fig. 5- oder
durch die Kolbenbewegung in den a-Maschinen, muß die Luft zunächst
einmal wieder aufgeheizt werden, bevor sie durch weitere Wärmezufuhr Arbeit verrichten kann.
Und umgekehrt, wenn die Luft vom heißen in den kalten Bereich verschoben wird,
sollte sie erst schon einmal vorgekühlt werden, bevor bei weiterer Kühlung die
Kompression erfolgen kann.
Wenn man nun diese Energie, die die Luft auf dem einen Weg mal abgeben muß, und die ihr auf
dem Rückweg wieder hinzugefügt werden muß,
zwischenspeichern könnte, und im richtigen Moment wieder laden könnte, dann
wäre der Motorwirkungsgrad besser.
Diese Energiezwischenspeicherung ist die Aufgabe
des Regenerators. Wie sein Name schon sagt, soll er etwas regenerieren. Und zwar soll er den Zustand
"heiß" wieder regenerieren, wenn die Luft vom kalten in den heißen Bereich zurück
kommt, und umgekehrt soll er den Zustand "kalt" regenerieren, wenn die Luft vom heißen
in den kalten Bereich gedrückt wird.
Bei den a-Maschinen können wir uns den Regenerator als ein
Stück Rohr zwischen Kompressions- und Arbeitszylinder vorstellen, in dem ein dichtgepacktes
Drahtgeflecht sitzt, -siehe Fig. 16.
Die Wirkung ist folgende und soll durch die rote über orange bis hin zur und blauen
Färbung in Fig. 20 verdeutlicht werden:
Wenn die Luft vom heißen Bereich kommend durch einen kalten Regenerator strömt, gibt sie ihre
Wärme an das Drahtgeflecht ab. Sie wird dabei vielleicht nicht ganz so kalt, wie nachher im
Kühler, aber immerhin, ein ziemlicher Betrag an Wärmeenergie steckt jetzt in dem
Drahtgeflecht.
Auf dem Rückweg vom kalten Bereich in den heißen Bereich des Zylinders bei den
b-Maschinen, (bzw. vom Kompressions- in den Arbeitszylinder bei den
a-Maschinen), kann sich die kalte Luft einen Großteil Wärme
aus dem Drahtgeflecht zurück holen, und braucht somit nicht mehr im Erhitzer oder im
Arbeitszylinder vom ganz kalten Zustand aus wieder aufgewärmt zu werden. Auf diesem Rückweg
kühlt sich der Regenerator wieder ab.
Es wird dann während des Nutzarbeitstaktes bzw. während der Expansion weniger
Wärme zugeführt werden müssen, als ohne den Regenerator! Den Wirkungsgrad eines
Regenerators kann man nun so definieren, daß man die Temperaturdifferenz von der kühlsten
bis zur heißesten Stelle im Regenerator ins Verhältnis setzt zur maximalen Temperaturdifferenz
zwischen den heißesten und kältesten Temperaturen in der Maschine.
Einen netten Vergleich des Regenerators mit den Dingen des täglichen Lebens hat mir Tim
Lohrmann gegeben:
Man laufe im kalten Winter einmal mit einem dicken Schal vor Mund und Nase oder mal ohne den Schal
draußen herum. Beim Einatmen durch den Schal spüren wir die Kälte der Luft nicht so
sehr, wie ohne den Schal.
So wirkt der Schal wie ein Lufterwärmer, der keine Heizkosten verursacht, und genauso wirkt ein
Regenerator:
Beim Ausatmen erwärmt unsere warme Luft den Schal vor Mund und Nase.
Beim Einatmen gibt der Schal seine zuvor durch das Ausatmen gespeicherte Wärme an die
kalte Luft ab, und wir spüren, daß die Luft nicht ganz so kalt in unsere Nase
kommt, wie es ohne den Schal sein würde.
Ein- und Ausatmen durch den Schal bewirkt auch immer ein Abkühlen und Erwärmen
des Schals vor Mund und Nase.
Beim b-Typ Stirlingmotor, den wir oben besprochen haben, kann man sich einen Regenerator
folgendermaßen vorstellen; An der Innenwandfläche der Dose -siehe nebenstehendes Bild- sind auf der Länge des
Verdrängers Kupferringe in geringem Abstand angebracht; und zwar so, daß der Verdränger ohne diese Ringe zu
berühren die Luft an den Ringen vorbei drückt. Geht der Verdränger von oben nach unten, dann drückt
er heiße Luft nach oben. Die Wärmeenergie dieser Luft überträgt sich stufenweise auf die Ringe. Der unterste
Ring wird dabei am heißesten sein. Umgekehrt, wenn der Verdränger von unten nach oben geht, will er kalte Luft
an den Ringen vorbei nach unten in den heißen Bereich schieben. Hier kann sich jetzt die Luft an den Ringen wieder
erwärmen und gelangt so schon vorgewärmt nach unten. Die Ringe werden dabei dann stufenweise abgekühlt.
Der oberste Ring ist am kühlsten. Auf diese Weise wirken die Ringe wie ein Regenerator.
Bei den b-Maschinen kann aber auch der ganze
Verdränger aus einem dichtgepackten Drahtgeflecht bestehen, an dem die Luft vorbei streicht.
Die Wärmeübertragung auf das Arbeitsgas
In der b-Typ Maschine -siehe Fig.10- wird die Dose von unten beheizt. Das dünne Blech leitet die Wärme schnell ins Innere; hier wird sie auf die eingeschlossene Luft übertragen. Im oberen Bereich der Dose wird das Arbeitsgas gekühlt.
In der a-Typ Maschine nach Fig.16 wird das Arbeitsgas (z.B. Helium)
in einem dem Arbeitszylinder vorgesetzten Erhitzer, der aus vielen dünnen Röhrchen besteht, erwärmt.
Auf der kalten Seite dieser Maschine ist dem Kompressionszylinder ein Kühler vorgesetzt, der ebenfalls aus dünnen
Röhrchen besteht, die außen von Kühlwasser umflossen werden.
Warum beheizt man den Arbeitszylinder nicht direkt, bzw. warum kühlt man den Kompressionszylinder nicht direkt mit
einem Wassermantel ???
Wichtig ist, daß das Arbeitsgas im Arbeitszylinder des Stirlingmotors
möglichst schnell die Temperatur der Wärmequelle annimmt, bzw. daß es im Kompressionszylinder schnell auf
Kühlwassertemperatur gebracht wird, wenn es zwischen diesen beiden Zylindern hin und her bewegt wird.
Der kalte Bereich sollte nicht durch Wärmeleitung aus dem heißen Bereich beeinträchtigt werden. Diese
Forderung ist bei dem b-Typ Stirlingmotor nach Fig.9 und 10 nicht gut
gelöst; denn die warmen Abgase der Kerzenflamme steigen auf, und gelangen somit in den kalten Bereich, dies
allerdings in abgeschwächter Form.
Besser wäre es, die Maschine umzudrehen, um sie von oben zu beheizen; z.B.
mit solarer Wärme, in dem man auf den Boden der Dose ein größeres Kupferblech lötet, dieses schwarz
anstreicht und der Sonne aussetzt. Dann würde der kalte Bereich auch noch im Schatten liegen. Siehe nebenstehendes
Bild Fig.22. (Hier wurde ein Ring aus Aluminium der Bodenwölbung der Dose angepasst. Der Boden der Dose und der Alu-Ring
wurden geschwärzt. Bei Betrieb im Freien, sollte es windstill sein, oder ein Glaszylinder muß über den Boden
der Dose gestülpt werden.)
Die Wärmeübertragung an ein mit wechselnder Geschwindigkeit strömendes Gas ist ein komplizierter Vorgang; zahlreiche wissenschaftliche Veröffentlichungen befassen sich mit diesem Thema. Ich möchte hier nur 4 entscheidende Größen für den Wärmeübergang nennen (es gibt noch mehr); das sind:
- Ein gut Wärme leitendes Wandmaterial, daß auch noch möglichst dünn sein sollte,
- die Fläche für den Wärmeübergang, die möglichst groß sein sollte,
- ein gut Wärme leitendes Arbeitsgas; (Luft ist z.B. schlechter, Helium ist deutlich besser; Wasserstoff leitet die Wärme am allerbesten)
- und ein möglichst kurzer Weg für die Wärmeübertragung.
Das gut Wärme leitende Wandmaterial, eine große Wärmeübertragungfläche, und ein gut
Wärme leitendes Arbeitsgas sind einleuchtend;
die Wichtigkeit eines kurzen Weges für die Wärmeübertragung möge an unserem 1. Experiment in
Fig.1-3 deutlich werden. Hier warten wir nämlich eine ganze Weile, bis sich
-bei Erwärmung des Glaszylinders- die GGummimembran hebt, Das liegt nicht nur daran, daß Glas ein schlechter
Wärmeleiter ist, sondern im Wesentlichen daran, daß der "Weg für die Wärme" von der
Innenwandfläche des Glaszylinders bis zur Mitte recht lang ist. Könnten wir die Temperatur messen, dann stellten
wir fest, daß die Lufttemperatur in der Nähe der Innenwand sehr schnell angestiegen ist, während sie in
der Mitte des Glaszylinders viel langsamer ansteigt.
Aus diesem Grund beheizt und kühlt man die Zylinder in leistungsstarken Stirlingmotoren nicht direkt. Die dünnen
Röhrchen im Erhitzer und im Kühler haben eine große Oberfläche, und der Weg für die
Energieübertragung in den Röhrchen ist kurz.
In dem Bierdosen - Stirlingmotor -Fig.10- ist die Wärmeübertragung nicht ganz so gut, aber
wegen der Durchwirbelung der Luft, die durch die Verdrängerbewegung geschieht, kommen genügend Luftmoleküle
mit der Innenwand in Berührung. Eine hohe Leistung wollen wir mit diesem Motor ja auch nicht erzielen.
Optimaler
gelöst ist der Wärmeübergang bei dem "Niedrigst-Temperatur" Stirlingmotor folgender Bauweise. Er
wird betrieben mit der Wärme einer Hand. Siehe nebenstehendes Bild Fig.24. Hier genügt schon 1 Grad
Temperaturunterschied, um ihn anzutreiben.
Die Wärmeübertragungsflächen bestehen aus 2 Handteller großen Aluminiumplatten; zwischen diesen Platten
bewegt sich der Verdränger, der Luftraum, und damit der Weg für die Wärmeübertragung, ist von kurzer
Höhe.
sind erlaubt:
1) Wenn der Regenerator die Lufttemperaturen so schön regeneriert, warum muß dann
während des Kompressionstaktes noch weiter gekühlt werden?
2) und warum muß während des Nutzarbeitstaktes noch weiter erhitzt werden, wenn die Luft
durch den Regenerator schon auf Temperatur gebracht wurde?
Antworten:
Komprimiere ich ein Gas, z.B. beim Aufpumpen eines Fahrradschlauchs mit einer Luftpumpe, dann wird die
Luftpumpe vorn ganz schön warm, und es ist auch recht anstrengend, diese Arbeit auszuführen.
Zwar steigt der Luftdruck zusätzlich an infolge der Erhitzung beim Luftpumpen, doch
dieser zusätzliche Druckanstieg nützt mir nachher nichts; denn im Schlauch geht dieser
zusätzliche Druckgewinn nach kurzer Zeit wieder verloren, weil nachher im Schlauch wieder
Umgebungstemperatur herrscht, sinkt der Luftdruck, wenn sich die warm hineingepumpte Luft
auf die Umgebungstemperatur abgekühlt hat.
Die zusätzliche Drucksteigerung infolge des gleichzeitigen Temperaturanstiegs beim
Luftpumpen bedeutet nur Mehraufwand an Arbeit für mich.
Wenn ich die Luft gekühlt mit der Luftpumpe in den Schlauch drücken könnte, um zu
meinem gewünschten Luftdruck im Schlauch zu kommen, dann brauchte ich dabei weniger Arbeit zu
verrichten!
Umgekehrt ist bei der Expansion -also bei dem Nutzarbeitstakt- eine weitere Erwärmung nötig; denn hier will ich ja möglichst lange einen hohen Luftdruck auf dem arbeitenden Kolben haben. Grundsätzlich sinken Druck und Temperatur während der Ausdehnung eines Gases in einem Zylinder mit Kolben. Wenn ich aber während dieser Ausdehnung zusätzlich Wärme in die Luft bringe, sinkt der Druck nicht so stark, und es kann mehr Arbeit verrichtet werden!
Ein Luftdruckmotor würde mehr Arbeit verrichten können, wenn die Luft während der Expansion beheizt würde. Dieser Effekt wird mehr detailliert beschrieben in: "Der Stirlingprozeß aus thermodynamischer Sicht".
Der a-Typ Stirlingmotor arbeitet nach dem gleichen
Prinzip wie der b-Typ Stirlingmotor; er bewirkt die
Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie.
Dies erfolgt indem der Druck eines in der Maschine eingeschlossenen Gases (z.B. Luft) unter
stetiger Beheizung ansteigt, und somit Kraft auf einen Kolben ausübt. Diese Kraft wird
über einen Kurbeltrieb als Drehmoment nach außen abgegeben; so entsteht mechanische
Arbeit infolge Expansion des in der Maschine eingeschlossenen Gasvolumens.
Damit ein geschlossener Kreislauf (das ist gleichbedeutend mit kontinuierlicher Drehbewegung)
in diesem Arbeitsprozeß zustande kommt, muß ein Teil der gewonnenen Arbeit
aufgewendet werden, um die Expansion rückgängig zu machen, damit der Ausgangszustand
wieder erreicht wird. Dies erfolgt durch Kompression des Gases bis zum Ausgangsvolumen.
Hier beginnt dann der Kreislauf wieder von vorn. Durch gute Kühlung während der Kompression
wird die dafür nötige Arbeit jedoch kleiner gehalten werden können.
Die Differenz zwischen Expansionsarbeit und Kompressionsarbeit ist dann die Nutzarbeit des Prozesses,
mit der z.B. ein el Generator angetrieben werden kann.
Wir können aus dem bisher Gelernten festhalten, daß der Stirlingmotor um
so mehr Nutzarbeit verrichten kann, je höher der Temperaturunterschied
zwischen der heißen und der kalten Seite der Maschine ist.
Wichtigster Unterschied des a-Typ Stirlingmotor zum b-Typ Stirlingmotor :
Der Verdränger im b-Motor bewegt sich in einem Raum von konstantem Volumen. Siehe Fig.11. Das gesamte Gasvolumen wird im b-Motor nur durch den 1 Arbeitskolben verändert. Beim a-Typ Stirlingmotor beeinflussen beide Kolben das gesamte Gasvolumen. Siehe Fig.16. Das geringste Volumen hat der a-Typ Stirlingmotor bei der Kurbelwinkelstellung von 45 Grad das maximale Volumen bei 225 Grad; Siehe hierzu Fig.17(5); Fig.17(6) sowie die Animation des a-Typ Stirlingmotors. Der b-Typ Motor jedoch hat sein geringstes Volumen bei 0 Grad und das maximale Volumen bei 180 Grad Kurbelwinkelstellung des Arbeitskolbens. Siehe dazu die Abbildungen Fig.12 und Fig.14.
Einige Anwendungen des Stirlingmotors
Eingangs wurde erwähnt, daß der Stirlingmotor mit beliebigen Wärmequellen arbeiten kann. Diese Tatsache
ermöglicht auch eine Vielzahl von Anwendungen für diese Maschine.
Eine besonders interessante und umweltpolitisch sehr wichtige Anwendung ist die Stromerzeugung mit solarer Wärme.
Der Erhitzer eines Hochtemperatur - Stirlingmotors wird in den Brennpunkt eines Hohlspiegels gesetzt.
Den Erhitzer können hier Temperaturen von mehr als 1000 °C erreichen.
Der Spiegel muß der Sonne in 2 Ebenen nachgeführt werden.
Große solar-thermische Kraftwerke benutzen Parabolrinnen-Spiegel. In der Mojave Wüste in Süd Kalifornien
gibt es diese Kraftwerke schon seit 1985. Das sind die sog. SEGS Units, die 1985 mit 30 MWe begannen, und heute mehrere
100 MWe leisten. In Europa finden wir neuere Typen dieser Anlagen in Almeria in Spanien, die von der DLR gebaut wurden.
Im Parabolrinnen-Spiegel gibt es keinen Brennpunkt sondern eine "Brennlinie"
Diese Parabolrinnen-Spiegel müssen der Sonne nur in 1 Ebene nachgeführt werden.
In Parabolrinnenkraftwerken
liegt in dieser Brennlinie ein Rohr, das von einer temperaturfesten Flüssigkeit durchströmt wird.
Diese Flüssigkeit wiederum kann einem Stirlingmotor zugeführt werden, wie er in dieser Homepage beschrieben ist.
In den bestehenden Parabolrinnenkraftwerken wird die heiße (bis zu 450 °C) Flüssigkeit zur
Dampferzeugung genutzt. Eine herkömmliche Dampfturbine treibt den el. Generator in der abgebildeten Anlage an
[4],[5].
Weitere Energiequellen für den Stirlingmotor sind Abwärmenutzung (z.B. aus der Glasindustrie), Biogas-,
Biomasseverbrennung;
hier insbesondere ist der Stirlingmotor der Fa. Sunmachine zu erwähnen, der aus der Verbrennung von Holzpellets seine
Antriebsenergie erhält. Siehe nebenstehendes Bild.
Wichtig für den Stirlingmotor ist hierbei, daß die
heißen Verbrennungsgase, die auf den Erhitzer gelangen, keine Flugasche, Teer oder sonstige Verunreinigungen
enthalten, die sich auf die dicht stehenden Erhitzerröhrchen absetzen können und so den Wärmeübergang
verschlechtern. Für die Holzpelletverbrennung hat Sunmachine dieses Problem gelöst.
P.S.: Ich habe hier versucht, die Arbeitsweise des Stirlingmotors so einfach wie möglich und ohne
Formeln zu erklären.
Es ist zur Vertiefung des Verständnisses für den Stirling Arbeitsprozeß jedoch
wichtig, weitere Kenntnisse in Thermodynamik zu haben, und entsprechende Literatur zu
lesen.
Zur Berechnung des Kurbeltriebs und des Schwungrades brauchen Sie Kenntnisse in Mechanik.
Für Studenten des
Maschinenbaues mit Kenntnissen in Thermodynamik sei zusätzlich zu dieser die Seite
"Der Stirlingprozeß aus thermodynamischer Sicht"
sowie
"Grundlagen für die Berechnung des Wärmekraftprozesses und
der Dynamik von a -Typ
Stirlingmotoren mit dem Programm STMOT2" empfohlen. In [2] finden Sie
viele Details zum Stirlingmotor.
Schreiben Sie mir, wenn Sie unverständlichen Text oder gar Fehler finden. Ich hoffe, daß
diese Beschreibung geeignet ist für alle, die sich ernsthaft mit dem
Stirlingmotor auseinandersetzen wollen.
Peter Fette (e-mail an:
).
[1] Ivo Kolin; STIRLING MOTOR history- theory- practice; Dubrownik 1991
[2] Walker, Graham; Stirling Engines, Oxfort University Press 1980, ISBN 0-19-856209-8.
auf deutsch : Manfred Künzel; Stirlingmotor der Zukunft; Reihe 6: Energieerzeugung Nr. 193 VDI Verlag Düsseldorf
[3] Martin Werdich; Stirlingmaschinen; Ökobuchverlag Staufen bei Freiburg; ISBN 3- 922 964- 35- 4
[4] D.Kearney, D.Jaffe: The 80 MWe SEGS units in California, Modern Power Systems, July 1988, Vol 8 Issue 7, ISSN 0260-7840
[5] BINE Projektinfo 12/03 Solarthermische Kraftwerke; www.bine.info, ISSN 0937-8367
Einige Hinweise auf Internetseiten zum Stirlingmotor
- Koichi Hirata Seite; (auf englisch) Hier finden Sie fast alles zum Thema Stirlingmotor: http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/english/howwork.htm
-
Robert Sier's Internet Seite. (auf englisch) Eine sehr gute Beschreibung der geschichtlichen Entwicklung des Stirlingmotors und seines Erfinders Robert Stirling; Stirlingmotoren Hersteller, Konferenzen und Ausstellungen, Solar Stirlingmotoren, Kältemaschinen nach dem Stirling-Prozeß Computerprogramme für den Stirling-Prozeß und vieles mehr:
http://stirlingengines.org.uk - Die Internetseite von Sunmachine http://www.sunmachine.de/produkte.htm
Zum Schluß bitte ich um Antwort auf ein paar Fragen: