|
Der Stirlingmotor
Stirlingmotoren sind Thermomotoren, d.h. sie wandeln Hochtemperaturwärme in mechanische Energie um. Dazu wird ein im Motor eingeschlossenes Arbeitsgas erhitzt. Die Wärme im Heizteil erhöht die Temperatur in den Motor und wird vom Arbeitsteil in mechanische Energie umgewandelt. Diese mechanische Energie wird an einem Schwungrad freigesetzt und kann auf vielfältige Weise genutzt werden, zum Beispiel zur Erzeugung elektrischer Energie.
Die Geschichte des Stirlingmotors
Schottland (Das Königreich Schottland war ein Staat in Nordwesteuropa, der traditionell im Jahre 843 gegründet wurde und sich 1707 mit dem Königreich England zu einem vereinigten Königreich Großbritannien zusammenschloss) zu Beginn des 19: Auch sechsjährige Kinder müssen in den Kohlebergwerken der Pfarrei Pater Robert Stirling arbeiten. Im Alter von 26 Jahren erhielt er ein Patent für ein neues Antriebsverfahren: Der Stirlingmotor ist geboren. Der erste Motor, der mit Robert Stirling (Reverend Dr. Robert Stirling war ein schottischer Geistlicher und Erfinder des Stirlingmotors) arbeitete, war sehr einfach aufgebaut. Später wurde sie entscheidend weiterentwickelt. Ein zweites Schwungrad wurde hinzugefügt und das Arbeitsgas verändert oder sein Druck erhöht. Jahrhunderts waren weltweit rund 250.000 Stirlingmotoren als Tischventilatoren, Wasserpumpen und Antriebe für Kleingeräte im Ein
satz. Sie versorgten private Haushalte und kleine Handwerksbetriebe mit mechanischer Energie. Als Benzin-, Diesel- und Elektromotoren immer häufiger wurden, wurden Stirlingmotoren zunehmend vom Markt verdrängt.
Die Konstruktion des Stirlingmotors
1 Der Kühlzylinder, wie der Name schon sagt, kühlt die erwärmte Luft wieder ab.Der Verdrängerkolben hat die Aufgabe, möglichst viel heiße Luft aus dem Heizzylinder
3 zu verdrängen. Dies ist nur möglich, weil er nicht in der Nähe der Innenwand des
Zylinders liegt.
4 Der Arbeitskolben liegt nahe der Innenwand des Kühlzylinders und bildet das geschlossene Luftvolumen des Motors, die Pleuel verbinden den Arbeits- oder Verdrängerkolben mit dem Schwungrad. Die um 90° versetzten Stangen am Schwungrad lassen die Kolben auch versetzt arbeiten, das Schwungrad dient zur Reduzierung der erzeugten Energie. Darüber hinaus bewegt es die Kolben in ihre Ausgangsposition zurück: Das Thermofluid, das den Heizzylinder und damit die Luft erwärmt, befindet sich außerhalb des Motors. Sie ist daher frei wählbar, solange die Energiezufuhr ausreichend ist. Zusätze wie ein zweites Schwungrad oder ein bestimmtes Arbeitsgas können die Leistung des Motors erhöhen. Eine andere Anordnung der Komponenten ist ebenfalls möglich. Die Funktion des Stirlingmotors
Die Funktion des Stirlingmotors lässt sich in vier Schritten erklären: Der Druck im Inneren des Heizzylinders steigt und die Luft dehnt sich aus. Der Verdrängerkolben bewegt sich aufgrund seiner Verdrängung zum Arbeitskolben kaum um 90°. Deshalb strömt die erwärmte Luft an ihr vorbei in den Kühlzylinder und drückt den Arbeitskolben nach hinten.2 Die Bewegung des Verdrängerkolbens verdrängt durch die Drehung des Schwungrades die gerade erwärmte Luft in den Kühlzylinder. Dort gibt er Energie in Form von Wärme an den Kühlzylinder ab. Seine Temperatur sinkt von T1 auf T2 und der Arbeitskolben bewegt sich kaum noch, fast die gesamte Luft aus dem Heizzylinder befindet sich nun im Kühlzylinder. Das Schwungrad (ein Schwungrad ist eine rotierende mechanische Vorrichtung, die zur Speicherung der Rotationsenergie verwendet wird) drückt den Arbeitskolben nach vorne und komprimiert die Luft. Diese erwärmt sich jedoch nicht, sondern gibt weiterhin Energie an den Kühlzylinder ab. Ihre Temperatur bleibt konstant. Der Verdrängerkolben bewegt sich kaum, der Arbeitskolben befindet sich nun in seiner innersten Position. Der Verdrängerkolben fährt wieder zurück und verdrängt die gekühlte Luft vom Kühlzylinder in den
Heizzylinder. Dort wird die Luft von der Temperatur T2 auf T1 erwärmt.
Alle Stäbe zusammen ergeben die komplette Bewegung des Stirlingmotors.
Der Stirlingzyklus (Der Stirlingzyklus ist ein thermodynamischer Zyklus, der die allgemeine Klasse der Stirlinggeräte beschreibt)
Der Arbeitszyklus des Stirlingmotors kann auch durch ein Arbeitsdiagramm dargestellt werden. Der thermodynamische Zustand (Für die Thermodynamik ist ein thermodynamischer Zustand eines Systems sein Zustand zu einem bestimmten Zeitpunkt, der vollständig durch Werte eines geeigneten Satzes von Parametern identifiziert wird, die als Zustandsgrößen, Zustandsgrößen oder thermodynamische Variablen bezeichnet werden) wird in einem Zyklusprozess zusammengefasst.
I-II (Isotherme Ausdehnung (Ein isothermer Prozess ist eine Änderung eines Systems, in dem die Temperatur konstant bleibt: ΔT = 0) )
Die heiße Luft unter Druck im Zylinder dehnt sich aus und ihr Volumen nimmt zu (Ausdehnung). Die Luft tut dies, indem sie den Arbeitskolben bewegt. Der Druck fällt. Die Energie dafür lieferte bisher das Heizsystem. Das bedeutet, dass die Luft nur ein Energiewandler ist, aber ihre eigene Energie oder Temperatur T1 ändert sich nicht (Isotherme).
II-III (Ein isochorischer Prozess, auch Konstant-Volumen-Prozess, isovolumetrischer Prozess oder isometrischer Prozess genannt, ist ein thermodynamischer Prozess, bei dem das Volumen des geschlossenen Systems konstant bleibt) Kühlung)
Die verdrängte Luft aus dem Heizzylinder kühlt von T1 auf T2 ab (Kühlung). Der Kühlzylinder nimmt die Wärmeenergie der heißen Luft auf. Da das Luftvolumen gleich bleibt (Isochor), bewegt sich der Arbeitskolben nicht und es wird keine Arbeit geleistet.
III-IV (isotherme Verdichtung)
Der Kühlzylinder entzieht der Luft Energie. Da er bereits auf T2 abgekühlt ist, ändert sich seine Temperatur nicht mehr (Isotherme), sondern reduziert sein Volumen (Kompression).
IV-I (Isochor Erwärmung)
Die Luft hat sein Volumen auf ein Minimum reduziert und verändert es nicht mehr (Isochor). Die Heizung erwärmt die Luft wieder (Heizung), wobei der Zyklusprozess wieder beginnt.
Die einzelnen Zustandsänderungen verschmelzen fließend und überlappen sich so weit, dass sie praktisch schwer nachvollziehbar sind.
Der Wirkungsgrad
Keine Wärmeenergiemaschine kann mit der gesamten zugeführten Wärme arbeiten. Es entsteht immer Abwärme, die für die eigentliche Nutzung verloren geht. Aufgrund der entstehenden Abwärme spricht man von Energieverlusten, die den Wirkungsgrad im Verhältnis zur zugeführten Wärme bilden. Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine wird durch die Temperaturen T1 und T2 der beiden Wärmespeicher bestimmt. Je größer diese Temperaturdifferenz ist, desto größer ist der Energiegehalt.
Wirkungsgrad= (eingesetzte Energie): (eingespeiste Energie)
Die eingesetzte Energie setzt sich aus der Differenz zwischen der eingespeisten Energie Q1 und der Energieabgabe Q2 zusammen. Die abgegebene Energie ist die Abwärme oder der Energieverlust. Der Wirkungsgrad des Stirlingmotors ist jedoch der Quotient aus (T1-T2) und T1.
Die Vorteile des Stirlingmotors
Vielseitige Heizmöglichkeiten:
Durch die Art der Wärmezufuhr kann jede Wärmeflüssigkeit zum Antrieb des Motors genutzt werden. Daher sind alle Formen der Wärmestrahlung geeignet, deren Temperatur hoch genug ist. Dies kann durch die Verbrennung von gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen oder durch die Konzentration von Sonnenlicht erfolgen. Bei der Verwendung von Kraftstoffen können die besten Abgaswerte durch kontinuierliche Verbrennung außerhalb des Motors im Vergleich zu Motoren mit innerer Verbrennung erreicht werden. Auf diese Weise wird durch eine effektivere Verbrennung weniger Kraftstoff verbraucht, d.h. es entstehen weniger Abgase. Wird der Stirlingmotor mit Abwärme oder Sonnenlicht als Antriebsenergie beheizt, entstehen keine Abgase.
Geringe Geräuschentwicklung:
Da es keine explosiven Prozesse im Motor und keine Ventile gibt, gibt es wenig Geräusche oder Vibrationen.
Langlebigkeit:
Da keine Fremdkörper in den Motor eindringen und die einzelnen Teile relativ wenig belastet werden, sind längere Laufzeiten zu erwarten als bei Benzin- und Dieselmotoren. Das Getriebeöl (Getriebeöl ist ein Schmiermittel, das speziell für Getriebe, Verteilergetriebe und Differentiale in Pkw, Lkw und anderen Maschinen hergestellt wird) wird ebenfalls nicht verbraucht oder verschmutzt.
Sparsamer Verbrauch:
Der Stirlingmotor hat, wenn er richtig konstruiert und gebaut ist, einen Wirkungsgrad, der dem der besten Dieselmotoren entspricht oder darüber liegt. Künftig kann der Stirlingmotor mit neuen Werkstoffen wie Keramik noch mehr Leistung und Effizienz erzielen.
Stirlingmotor (Ein Stirlingmotor ist ein Wärmemotor, der durch zyklische Verdichtung und Expansion von Luft oder anderem Gas bei unterschiedlichen Temperaturen arbeitet, so dass eine Nettoumwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit erfolgt) wird für verschiedene Antriebsmotoren, für den U-Boot-Antrieb und für den Modellbau eingesetzt.
Ausblick auf die Zukunft
Aufgrund von Klima - und Gesundheitsschäden und begrenzten Erdgasvorkommen (Erdgas ist ein natürlich vorkommendes Kohlenwasserstoffgasgemisch, das hauptsächlich aus Methan besteht, aber gewöhnlich mit unterschiedlichen Mengen anderer höherer Alkane und manchmal einem geringen Anteil an Kohlendioxid , Stickstoff, Schwefelwasserstoff oder Helium ), Öl, Kohle und Uran (Uran ist ein chemisches Element mit dem Symbol U und der Ordnungszahl 92), Neben dem Energiesparen und der Nutzung erneuerbarer Energien (Erneuerbare Energie ist Energie, die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird, die auf natürliche Weise auf menschlicher Zeitbasis wieder aufgefüllt werden, wie Sonnenlicht, Wind, Regen, Gezeiten, Wellen und Erdwärme) spielt die umweltfreundliche Umwandlung von Primärenergie in Energieformen, die wir täglich benötigen, eine immer wichtigere Rolle. Wie kein anderer Energiewandler sind Stirlingmaschinen in der Lage, Sonnenenergie (Solarenergie ist strahlendes Licht und Wärme von der Sonne , die durch eine Reihe sich ständig weiterentwickelnder Technologien wie Solarwärme, Photovoltaik , Solarthermie, Solararchitektur, Salzschmelzkraftwerke und künstliche Photosynthese genutzt wird) und erneuerbare Brennstoffe in emissionsarme und klimaneutrale Energie für unsere Zwecke umzuwandeln. Sie werden sich zunächst dort durchsetzen, wo sie nicht in Konkurrenz zu herkömmlichen Benzin- und Dieselmotoren stehen. Diese Anwendungen sind:
-kleine und mittlere Blockheizkraftwerke mit niedrigen Betriebskosten, Brennstoff z.B. Hackschnitzel.
-kleine und mittlere Wärmepumpen, direkt und kostengünstig mit Primärenergie befeuert.Stirling – Kältemaschinen für Computer mit supraleitender Elektronik, Infrarotsensoren, Wasserstoff- und Erdgasverflüssigung, Kühl- und Gefrierschränke. Diese Technologie wird dazu beitragen, das globale Klima zu schützen, neue Arbeitsplätze zu schaffen und die wirtschaftlichen Kosten des Energiesektors zu senken. Immer mehr Menschen begeistern sich für Stirlingmotoren. Hoffen wir, dass dies auch in vielen Vorstandsetagen der Fall sein wird.