Stirlingmotor

Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine zur Umsetzung von Wärme in mechanische Arbeit. Er wird auch Heißluftmotor genannt.

Überblick

Der Stirlingmotor ist eine Kolbenmaschine, die ein Gas als Arbeitsmedium in einem geschlossenen Raum erwärmt (thermische Energie), den entstehenden Druck (potentielle Energie) auf einen Arbeitskolben überträgt und in mechanische Arbeit umsetzt. Das Gas wird dadurch abgekühlt.

Abgrenzung von anderen Motorarten

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, abgasfrei arbeitet.

Darin unterscheidet sich dieser Motor z.B. von Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren, denn bei Dampfmaschinen wird das Gas (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 und nach der Entspannung ausgetauscht.

Der Stirlingmotor benötigt keinen besonderen Treibstoff (wie etwa ein besonderes Kraftstoff-Luft-Gemisch beim Ottomotor), sondern ist lediglich auf die Zuführung von Wärme angewiesen. Da die Quelle dieser Wärme egal ist, kann z.B. Sonnenenergie, Abwärme oder Wärme im Boden ausgenutzt werden.

Der Stirlingmotor ist außerdem kein Vakuummotor, auch Flammenfresser genannt.

Funktionsweise

In dem Motor bewegen sich zwei Kolben: der so genannte Verdrängerkolben (a) und der Arbeitskolben (b) Beide Kolben sind etwas versetzt an einem Schwungrad (c) befestigt, mit dem mechanische Arbeit verrichtet werden kann. Der Arbeitslauf des Stirlingmotors kann in 4 Prozesse unterteilt werden. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die unten angegebene Bilderfolge.

Takt 1 (Von Bild 1 zu Bild 2)

Das Gas wird im Inneren des Stirlingsmotors im heißen Bereich (d) erhitzt, indem von außen Wärme zugeführt wird. Durch die Erwärmung dehnt sich das Gas aus.

Dadurch wird der Arbeitskolben (b) nach oben geschoben. Durch die Bewegung des Arbeitskolbens wird auch der Verdrängerkolben (a) bewegt, da Arbeitskolben und Verdrängerkolben an einem Rad befestigt sind, allerdings um 90° versetzt. Dadurch wird in diesem ersten Takt der Verdrängerkolben kaum bewegt. In diesem Takt wird durch den Arbeitskolben am Rad Arbeit verrichtet.

Takt 2 (Von Bild 2 zu Bild 3)

Das Rad dreht sich wegen der Trägheit weiter. Der Verdrängerkolben (a) verschiebt deshalb das Gas vom heißen Bereich in den kalten Bereich. Meistens übernimmt der Verdrängerkolben hier auch gleichzeitig die Aufgabe eines Wärmespeichers, des so genannten Regenerators, der einen Teil der Wärmeenergie des Gases zwischenspeichert und das Gas dadurch abkühlt. Zudem wird das Gas z. B. durch Kühlrippen oder zusätzliche Luftkühlung (e) abgekühlt. Die Position des Arbeitskolbens ändert sich bei diesem Prozess kaum. Der Druck in dem Motor fällt, da das Gas abgekühlt wird.

Takt 3 (Von Bild 3 zu Bild 4)

Dadurch, dass der Druck fällt, verrichtet nun der Luftdruck von außen Arbeit auf den Arbeitskolben. Er wird nach unten gedrückt. Die Position des Verdrängerkolbens ändert sich bei diesem Prozess kaum.

Takt 4 (Von Bild 4 zu Bild 1)

Das Rad 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. 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

Das Arbeitsmedium wird in einem Kreisprozess aus zwei Isothermen und zwei Isochoren periodisch expandiert und komprimiert. Im pV-Diagramm ist die Fläche unter dem Graphen die von der Maschine verrichtete Arbeit.

Takt 1 ist eine isotherme Ausdehung, bei der Arbeit vom Gas verrichtet wird und Takt 2 eine isochore Abkühlung. Takt 3 ist eine isotherme Kompression und Takt 4 eine isochore Erwärmung.

Das Prinzip dieser Maschine beruht auf dem so genannten Stirlingschen Kreisprozess. Die Maschine arbeitet zwischen der hohen Temperatur T_h und der niedrigen Temperatur T_n. Dabei ist die Differenz dieser beiden Temperaturen entscheidend für den Wirkungsgrad, der die Effizienz der Maschine beschreibt.

Merkmale

Der Wirkungsgrad von Stirlingmotoren erreicht theoretisch den Carnot-Wirkungsgrad und ist damit höher als der Wirkungsgrad von Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren (mit innerer Verbrennung).
Die Wärmeerzeugung muss nicht notwendigerweise auf Verbrennung beruhen, sondern kann auch Solarenergie o.ä. nutzen.
Es gibt Stirlingmotoren, die nur wenige Kelvin Temperaturdifferenz benötigen. z.B. Flachplatten-Stirlingmotor von Prof. Ivon Kolin (UNI 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 gut ausgewuchteten Stirlingmotor sehr leise.
Die Leistungsänderung durch Steuerung des Wärmestromes ist sehr langsam und für Kraftfahrzeuge nicht geeignet.
Andere Methoden der Leistungsregelung sind aufwändig.
Stirlingmotoren arbeiten mit hohen Drücken und benötigen große Wärmetauscher und sind deshalb schwer.
Es gibt zahlreiche Bauformen, was vielseitige Anwendbarkeit und Weiterentwickelbarkeit ermoeglicht.

Mögliche Anwendungen

Des weiteren kann der Stirlingmotor 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 umgekehrten 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 z.B. als Kühlaggregat in Wärmebildkameras.

Mögliche Anwendungsbereiche sind:

Kältemittelfreie Kühlprozesse
Kleine dezentrale Blockheizkraftwerke zur Erzeugung von Elektrizität und Heizwärme
Antrieb von Yachten und Booten bei großer Laufruhe

Desweiteren 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 (siehe Weblinks für mehr Details zur Anwendung als Wasserpumpe).

Geschichte

Der Stirlingmotor wurde 1816 vom damals 26-jährigen schottischen Geistlichen Robert Stirling erfunden. Er 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 Einzel-Energiequelle in den Haushalten des aufkommenden Bürgertums. Er war für damalige Verhältnisse in kleinen Ausführungen ein Massenprodukt und stellte ungefähr das Pendant zu unseren heutigen Elektromotoren dar (motorbetriebene Ventilatoren etc.).
Ab Mitte des vergangenen Jahrhunderts forschten diverse Industrieunternehmen am Stirlingmotor als Schiffs-, und Automobilantrieb sowie im militärischen Bereich (Vielstoff-Tauglichkeit!), ohne auf diesen Gebieten eine konkurrenzfähige Serienreife zu erzielen.
Ab ca. 1975 gewinnt der Stirlingmotor an Bedeutung im Zusammenhang mit Block-Heizkraftwerken und Kraft-Wärme-Koppelung. In Kleinst- BHKW kommt dabei auch die besondere Bauform des Stirling- Freikolbenmotors, verblockt mit einem Linear- Generator, zum Einsatz.

Weblinks