Der Stirlingmotor
1. Grundlagen
Der Stirlingmotor ist ein Heißgasmotor mit einer äußeren kontinuierlichen Wärmezufuhr bzw. -abfuhr. Der geschlossene Kreisprozess durchläuft bei freier Wahl des Arbeitsgases (z.B. Wasserstoff oder Helium), einen Doppel-Isothermen-Isochoren-Prozess. Bei Einsatz eines Regenerators erreicht der thermische Wirkungsgrad theoretisch den des Carnot-Prozesses. Jedoch wird dieser in der Praxis deutlich unterschritten. Der Stirlingmotor ist aus 2 beweglichen Kolben aufgebaut. Der Arbeitskolben ist dabei für die Nutzung der technischen Arbeit und der Verdrängerkolben für die Verschiebung des Gases verantwortlich. Beide sind um 90° phasenverschoben an einem Schwungrad befestigt. Abbildung 1 zeigt ein Prozessfließschema der vier Phasen eines Stirlingprozesses. /Steinborn/, /Biedermann et al. 1/, /Biedermann et al. 2/
Abbildung 1: Arbeitsschritte eines Stirlingmotors
(1) - (2)IsothermeKompression |
In einem abgeschlossenen Arbeitsraum wird das Gas durch das Verschieben des Arbeitskolbens komprimiert. Die dafür notwendige Arbeit wird vom Schwungrad bereitgestellt. Die entstehende Kompressionswärme wird an die Umgebung abgegeben. |
(2) - (3)IsochoreWärmezufuhr |
Das Gas wird durch die Bewegung des Verdrängerkolbens vom unteren kalten Bereich durch den warmen Regenerator hindurch in den oberen heißen Bereich gedrückt und dabei durch den Regenerator erwärmt. Im oberen Bereich kann es sich nun erwärmen. Während des Vorganges bleibt das Volumen konstant. |
(3) - (4)IsothermeExpansion |
Durch die Wärmezufuhr aus einer externen Quelle kommt es zur Volumenvergrößerung des Gases. Dieses drückt dabei den Verdrängerkolben nach unten, welcher Arbeit am Schwungrad verrichtet. Der Vorgang verläuft annähernd isotherm. |
(4) - (1)IsochoreWärmeabfuhr |
Der Verdrängerkolben schiebt das Gas vom heißen in den kalten Bereich. Dabei wird das heiße Gas wird durch den kühleren Regenerator hindurch gedrückt und gibt Wärme an diesen ab. Im unteren kalten Bereich wird das Gas heruntergekühlt, bevor es wieder komprimiert wird und der Zyklus von vorn beginnt. |
3. Besonderheiten
Da in diesem Motor keine innere Verbrennung stattfindet, können verschiedene Medien als Arbeitsgas eingesetzt werden. Übliche Arbeitsmittel sind Helium oder Wasserstoff aufgrund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit. /Steinborn/
Der Regenerator wird eingesetzt, um die Wärmeübertragung zu vereinfachen. Ohne einen Regenerator müsste die gesamte Wärme über den Zylindermantel zu- und wieder abgeführt werden. Der Regenerator dient als kurzzeitiger Wärmespeicher und erhöht die Effektivität der Wärmeeinbringung.
4. Betrieb
Stirlingmotoren können, bei geringen Wirkungsgradverlusten, auch in Teillast betrieben werden. Jedoch sollte man aus Effizienzgründen bei einer stetigen Wärmequelle eine hohe Volllaststundenzahl anstreben.
