Stirlingmotor

Stirlingmotor
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Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine, in der ein hermetisch abgeschlossenes
Arbeitsmedium (meistens ein Gas wie Luft oder Helium) durch drastische
Temperaturänderungen in regelmäßigen Zyklen von außen erwärmt und wieder abgekühlt
wird, um mechanische Energie zu erzeugen. Es handelt sich somit um einen geschlossenen
Kreisprozess, der mit einer beliebigen externen Wärmequelle betrieben werden kann.
Rhombic Drive Beta Stirling Design.
Überblick
Die Temperaturänderung im Stirlingmotor bewirkt eine Expansion des Arbeitsmediums im
heißen Bereich und eine Kontraktion im kalten Bereich, die in Bewegung umgewandelt wird.
Beide Vorgänge sind kinematisch über die Geometrie des Stirlingmotors gekoppelt, so dass
über einen großen Bereich des Arbeitszyklus Nutzarbeit geleistet wird. Da man einen Bereich
nicht abwechselnd ständig erhitzen und kühlen kann, haben Stirlingmotoren typischerweise
einen permanent heißen (erhitzten) und einen permanent kalten (gekühlten) Bereich, zwischen
denen das Arbeitsmedium hin und her bewegt wird. Gängige Stirlingmotoren speichern die im
Arbeitsmedium enthaltene Wärme auf dem Weg von einem zum anderen Bereich zwecks
Verbesserung des Wirkungsgrades in einem Speicher, dem sogenannten Regenerator. Dieser
nimmt abwechselnd die Wärme auf und gibt sie wieder ab. Stirlingmotoren werden meistens
als Hubkolbenmaschinen ausgeführt, es gibt jedoch zahlreiche weitere Bauformen, wie
Flachplatten-, Freikolben- oder Kreiskolbenmotoren. Verfahrenstechnisch unterscheidet man
zwischen zwei Hauptbauarten: den Alfa- und den Beta-Typ. Beim Alfa-Typ sind zwei Kolben
(bei der Hubkolbenbauweise) in separaten Zylindern untergebracht und wirken um 90°
versetzt auf eine gemeinsame Kurbelwelle. Beide Kolben verrichten also je nach
Kurbelwellenposition Arbeit oder sie verdrängen oder verdichten das Gas. Der Regenerator
ist unbeweglich und verbindet an der Zylinderkopfseite beide Kolben. Beta-Typ: Beide
Kolben laufen in einem Zylinder, wobei ein Kolben die Funktion des Regenerators
übernehmen kann. Einer der Kolben ist der Arbeitskolben und wandelt thermische Energie in
Arbeit um, der andere dient als Verdrängerkolben. Eine Sonder-/Mischbauform ist der
sogenannte Gamma-Typ.
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 "aktive" Kühlung des Gases schafft beim
Stirlingmotor erhebliche Probleme hinsichtlich des Wärmedurchgangs durch eine dicke
Zylinderwand, wie sie wegen der hohen Drücke erforderlich ist. Die Folge ist eine
Begrenzung der mechanischen Leistung auf nur einige 100 Watt - ein Wert, der viele
technische Anwendungen - beispielsweise in Autos - ausschließt. Eine übliche kurzzeitige
alternierende Erwärmung und anschließende Kühlung ist kaum möglich. Man löst das
Problem, indem die Motoren mit einer stetig heißen Zone und einer stetig kalten Zone
ausgestattet werden. 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
zwischengespeicherte Wärmemenge kann bis zum Vierfachen der zugeführten Wärme
betragen. Eine weitere Besonderheit der Stirlingmotoren besteht konstruktionsbedingt in
deren hohem Totraumanteil.
Beim Stirlingmotor ist es unerheblich, woher die Wärme stammt. Er benötigt im Gegensatz
zum Ottomotor auch keinen besonderen Treibstoff, weil der Zylinderkopf von außen befeuert
wird. Diesen kann man z.B. in den Brennpunkt eines Parabolspiegels setzen. So kann als
Wärmequelle beispielsweise Sonnenenergie, auch thermisch nutzbare Abwärme verwendet
werden. Der Stirlingmotor ist außerdem gegen den Vakuummotor abzugrenzen.
Funktionsweise
Der Stirlingmotor ist ein sogenannter Heißgas-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 welchem 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:
Stirling-Kreisprozess
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 fort geschoben. Durch die Bewegung des Arbeitskolbens wird auch der
Verdrängerkolben bewegt. Der Arbeitskolben und der Verdrängerkolben sind an einem
Schwungrad befestigt und um 90° versetzt. Dadurch wird in diesem ersten Takt der
Verdrängerkolben kaum bewegt Sinusfunktion. In diesem Takt verrichtet der Arbeitskolben
am Schwungrad Arbeit.
Bild 2->3: Das Schwungrad dreht sich wegen der Trägheit weiter. Der Verdrängerkolben
schiebt deshalb das Gas vom heißen in den kalten Bereich (Abkühlung). Meistens übernimmt
der Verdrängerkolben hier auch gleichzeitig die Aufgabe eines Wärmespeichers. Das heißt
hier allerdings, dass er die Wärme wegnehmen soll aus dem Zylinderraum. Denn danach soll
kaltes Gas, nicht warmes (!) - komprimiert werden. D.h. durch den Regenerator erfolgt eine
Abführung eines Teils der Wärmeenergie des Gases. Zudem wird das Gas durch (Kühlrippen)
oder zusätzliche Luftkühlung abgekühlt. Die Position des Arbeitskolbens ändert sich bei
diesem Prozess kaum. Der Druck in dem Arbeitszylinder fällt aufgrund der Expansion, indem
der Kolben sich dabei wegbewegt. Dabei kühlt sich das Gas ab und ferner, weil es gleich
danach in einen kühleren Raum, den Regenerator gedrückt wird.
Bild 3->4: 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
p-V-Diagramm des Stirling-Prozesses
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
cv = spezifische Wärmekapazität bei v=konst. in kJ/kgK
R = Gaskonstante in J/kgK
To,Tu = obere, untere Prozesstemperatur in K
V2,V3 = Volumen in oberem Totpunkt in m³
V1,V4 = Volumen in unterem Totpunkt in m³
Takt 1-2 ist eine isotherme Ausdehnung, bei der Arbeit vom Gas verrichtet wird. Die
zugeführte Wärme Qzu entspricht der verrichteten Arbeit Wab nach der Formel:
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:
Takt 3-4 ist eine isotherme Kompression, deren zugeführte Volumenänderungsarbeit gleich
der abzuführenden Wärmemenge Qab ist:
Takt 4-1 ist eine isochore Erwärmung, deren Wärmemenge vom Regenerator an das Gas
abgegeben wird, diese beträgt:
Nutzarbeit
Vorschlag: Das p-v- Diagramm abgewickelt zu zeichnen- aus didaktischen Gründen! Dann ist
die Zeitrichtung völlig klar!
Energiebilanz
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
Qzu = Qab + Wt
Wt = Qzu − Qab
mit obigen Beziehungen für Qzu und Qab wird
; mit
und man erhält die Nutzarbeit zu:
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad ist die Schwachstelle des Stirlingmotors.
Stirlingmotoren können zwar prinzipiell einen hohen Carnot-Wirkungsgrad erreichen, da sie
mit sehr großen Temperaturdifferenzen betrieben werden können. In der Praxis gibt es
allerdings sehr große Probleme, das Arbeitsgas deutlich über 800K zu erwärmen. Bei diesen
niedrigen Temperaturdifferenzen beträgt der Carnot-Wirkungsgrad nur ungefähr 66% und
liegt damit deutlich unter dem von herkömmlichen Verbrennungsmotoren. Dieses Problem
tritt auch bei Dampfturbinen auf, allerdings erreichen Dampfturbinen rund 66% ihres CarnotWirkungsgrades und damit einen effektiven Wirkungsgrad von > 40%. Stirlingmotoren
erreichen nur 50% ihres Carnot-Wirkungsgrades, der effektive Wirkungsgrad liegt
entsprechend niedriger.
Merkmale
Rhombenantrieb eines Stirlingmotors
Die Wärmeerzeugung muss nicht notwendigerweise auf Verbrennung beruhen, sondern es
kann jede Wärmequelle (Solarenergie beim Solar-Stirling, Erdwärme o. ä.) genutzt werden
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 oftmals gering
Die Leistungsänderung durch Steuerung des Wärmestromes ist sehr langsam und deshalb für
Kraftfahrzeuge nicht geeignet. Andere Methoden der Leistungsregelung sind möglich, jedoch
in der Regel aufwendiger.
Stirlingmotoren arbeiten mit hohen Drücken, benötigen große Wärmeübertrager und sind
deshalb schwer
Der Stirlingmotor kann schon als Einzylindermotor völlig frei von Massenkräften laufen
Es gibt sehr viele verschiedene 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.
Bei U-Booten wird der Stirlingmotor als luftunabhängiger Antrieb eingesetzt, z. B. bei der
Gotland-Klasse der schwedischen Marine.
Geschichte
Der Stirlingmotor wurde 1816 vom damals 26-jährigen schottischen Geistlichen Robert
Stirling erfunden. Es 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 EinzelEnergiequelle 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 PhilipsStirlingmotor, einen Motor mit einem Zylinder und zwei Kolben, auf einer gemeinsamen
Kurbelwelle. Während der Arbeitskolben direkt auf die Kurbelwelle wirkte, wurde der
Verdrängerkolben über einen Winkelhebel und ein elastisches Pleuel angetrieben. Er hatte
eine Phasenverschiebung von 90°. Später verwendete man ein Rhombengetriebe, bei dem
beide Kolben miteinander verbunden waren, 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, hatte jedoch das Problem der
Dauerfestigkeit der Dichtung zwischen den beiden Kolbenstangen.
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.