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Fachbereichsarbeit
Ingenieurwissenschaft

Windeck-Gymnasium Bühl

2-, 2016

Leonhard R. ©
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GFS-Stirlingmotor


1. Was ist ein Stirlingmotor?


Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine, in der ein Arbeitsgas wie Luft oder Helium in einem abgeschlossenen Volumen von außen in einem bestimmten Bereich erhitzt und in einem anderen Bereich gekühlt wird, um mechanische Energie zu erzeugen.


2. Namensgeber Robert Stirling


* 25.10.1790 in Cloag, Schottland

† 06.06.1878 in Galston, Schottland


Robert Stirling wurde am 25. Oktober 1790 in Cloag geboren. Er war ein schottischer Pfarrer und Ingenieur. Zwischen 1805 und 1808 besuchte er die Universität in Edinburgh. Dort studierte er Latein, Griechisch, Mathematik und Logistik. Im November 1809 beschloss er, Priester zu werden. Er begann ein Studium der Theologie und Rechtswissenschaften an der Universität in Glasgow.

Am 4. Juli 1815 legte er seine Prüfungen ab und wurde im folgenden Jahr, also 1816 von der schottischen Kirche geweiht.

Am 27. September 1816 meldete er in Schottland ein Patent einer Heißluftmaschine an, die später als Stirlingmotor bekannt wurde. Aber dazu mehr im 3. Punkt (Geschichte vom Stirlingmotor).

1819 heiratete er seine Geliebte Jean Rankin. Sie hatten gemeinsam sieben Kinder, wovon vier ebenfalls Ingenieure wurden. Leider sind bis auf Patrick und James Stirling keine Namen der Kinder bekannt. Des weiteren hatte er einen Bruder der ebenfalls James Stirling hieß. Ab 1837 war er bis zu seinem Tod Pastor der Kirche in Glaston. Bis 1840 aber entwickelte und patentiere er noch mit seinem Bruder James noch weitere Maschinen.

Am 6. Juni 1878 starb er im Alter von 88 Jahren in Galston.


3. Geschichte vom Stirlingmotor


Der Stirlingmotor wurde 1816 von dem damals 26-jährigen Pfarrer Robert Stirling aus Schottland erfunden und noch im selben Jahr patentiert (27.09.1816). Er ist nach der Dampfmaschine, die 1712 erfunden wurde, die zweitälteste Wärmekraftmaschine überhaupt. Stirling wollte damit eine Alternative zu den Hochdruckdampfmaschinen bieten, die durch Kesselexplosionen für zahlreiche Tode sorgten.

Am Ende des 19. Jahrhunderts findet man den Stirlingmotor in vielen Haushaltsgeräten wie z.B. Ventilatoren. Er ist etwa mit dem heutigen Elektromotor vergleichbar. In den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts wurde er durch die niederländische Firma Phillips weiterentwickelt, um ihn für die Stromerzeugung der energieintensiven Radios zu verwenden. Durch den zweiten Weltkrieg wurde die Produktion schließlich eingestellt.

Ab Mitte des vergangenen Jahrhunderts forschten diverse Industrieunternehmen am Stirlingmotor weiter, um ihn als Schiffs- und Automobilantrieb sowie im militärischen Bereich zu verkaufen. Er setzte sich aber nie durch. Mitte der Siebziger gewinnt der Stirlingmotor für Blockheizkraftwerke wieder an Bedeutung.


4. Funktionsweise


Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine, in der ein Arbeitsgas wie Luft oder Helium in einem abgeschlossenen Volumen von außen in einem bestimmten Bereich erhitzt und in einem anderen Bereich gekühlt wird, um mechanische Energie zu erzeugen.


Man unterscheidet im wesentlichen jedoch zwischen zwei Arten. Dem Alpha-Typ (2 Zylinder) und dem Beta-Typ (1 Zylinder). Die Funktionsweise unterscheidet sich bei beiden Versionen in 4 Takte. Den Arbeitstakt, den ersten Verdrängungstakt, den Kompressionstakt und den zweiten Verdrängungstakt.

Beta-Typ:

Beim Beta-Typ vom Stirlingmotor bewegen sich in einem Zylinder zwei Kolben. Der Verdrängerkolben, welcher ungefähr halb so groß ist wie der Zylinderradius, und der Arbeitskolben, welcher genauso groß ist wie der Zylinderradius. Die nutzbare Arbeit wird alleine vom Arbeitskolben aufgebracht. Der Verdrängerkolben wird nur bewegt, um das Gas hin und her zu schieben.


Im Arbeitstakt wird die Luft im Heizzylinder durch eine außenstehende Wärmequelle erwärmt und dehnt sich somit aus. Dabei strömt sie am Verdrängerkolben vorbei und schiebt den Arbeitskolben nach hintenwodurch dieser über das Gestänge das Schwungrad antreibt.

Im nächsten Takt, also im ersten Verdrängungstakt, dreht sich das Schwungrad aufgrund seiner Massenträgheit einfach weiter. Dadurch schiebt der Verdrängerkolben das erhitzte Gas (Luft, Helium oder Wasserstoff) in den kalten Bereich, wo es mit Hilfe von Kühlrippen oder einem wassergekühlten Mantel abkühlt. Meistens übernimmt der Verdrängerkolben gleich die Aufgabe als Wärmespeicher, welcher auch Regenerator genannt wird.

Die Position vom Arbeitskolben verändert sich dabei kaum. Des weiteren verringert sich der Druck aufgrund der Abkühlung.

Im dritten Takt, also dem Kompressionstakt, ist fast das gesamte Gas vom dem Heizzylinder im gekühlten Bereich des Zylinders. Durch die Massenträgheit vom Schwungrad schiebt sich der Arbeitszylinder nach vorne und komprimiert dabei das verwendete Gas. Dieses erwärmt sich aber nicht, sondern gibt weiter Energie an die Kühlrippen ab. Dabei bleibt die Temperatur konstant und der Verdrängerkolben bewegt sich kaum.

Alpha-Typ:

Der Alpha-Typ funktioniert im Prinzip genauso wie der Beta-Typ.

Der einzige nennenswerte Unterschied ist, dass beim Alpha-Typ alles in zwei getrennten Zylindern abläuft, welche in einem Winkel von 90° angeordnet und miteinander verbunden sind. Somit können sie Arbeits- und Verdrängungsaufgaben gleichzeitig bewältigen.


4.1. Aufbau

Beta-Typ: (mit Bild beschrieben)

Link:

1. Die Kühlrippen, kühlen den Zylinder ab.


2. Der Heizzylinder erwärmt durch die ihm von außen zugeführte Energie

die Luft im Inneren.


3. Der Verdrängerkolben hat die Aufgabe möglichst viel heiße Luft aus

dem Heizzylinder in den gekühlten Bereich des Zylinders zu

verdrängen. Das geht nur, da er nicht direkt an der Innenwand des

Zylinders anliegt.


4. Der Arbeitskolben liegt dicht an der Innenwand des Zylinders und bildet

somit die abgeschlossene Luftmenge des Motors.


5. Die Pleuelstangen verbinden den Arbeits- bzw. Verdrängerkolben mit

dem Schwungrad.


6. Das Schwungrad dient der Abnahme der erzeugten Energie. Weiterhin

bringt die Kolben wieder zurück in ihre Ausgangslage.


7. Die Wärmequelle, die den Heizzylinder erwärmt, liegt außerhalb des

Motors und ist somit frei wählbar.


4.2. Funktion des Regenerators


Der Stirlingmotor könnte auch ohne einen Regenerator funktionieren.

Allerdings lässt sich die Abwärme dadurch deutlich verringern, wodurch

der Wirkungsgrad des Motors erheblich verbessert wird.

Ein Regenerator kann beispielsweise ein mit feinen Bohrungen

durchzogenes Metallteil oder auch ein Metallgeflecht sein, durch das

das Arbeitsgas strömen kann. Wenn das Arbeitsgas vom warmen in den

kalten Bereich strömt, wird die Wärme im Regenerator gespeichert .

Umgekehrt gibt es Wärme an das Gas ab, wenn es wieder zurück strömt.




Als Arbeitsgas eines Stirlingmotors kann man im einfachsten Fall einfach nur Luft verwenden. Wenn man aber eine höhere Leistung und Effizienz erhalten möchte, sollte man zu Gasen wie z.B. Helium greifen, da diese leichter sind. Jedoch erhöhen sich dadurch nicht nur die Kosten, sondern auch den Aufwand für die Abdichtung, da diese leichten Gase viel leichter durch kleine Undichtigkeiten entweichen können als Luft.


6. Wirkungsgrad


Allgemein: Der Wirkungsgrad eines Gerätes gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie in nutzbringende Energie umgewandelt wird. Man teilt also die nutzbringende Energie durch die zugeführte Energie.

Der theoretische Wirkungsgrad vom Stirlingmotor entspricht dem Carnot-Wirkungsgrad, welcher den theoretisch gesehen höchst möglichen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische oder elektrische Energie angibt. Jedoch ist keine Wärmekraftmaschine in der Lage, mit der gesamten zugeführten Wärme Arbeit zu verrichten, auch nicht der Stirlingmotor.

Grundsätzlich gilt aber: Umso größer die Temperaturdifferenz des Gases zwischen Aufnahme und Abgabe ist, desto größer ist der Wirkungsgrad. Deshalb ist es sehr wichtig , dass ein Teil vom Stirlingmotor heiß und der andere kühl ist.


7. Vorteile


Der Stirlingmotor ist extrem vielseitig, da die Art der Wärmequelle nahezu irrelevant ist. Es sind fast alle Brennstoffe, egal ob fest, flüssig oder gasförmig so wie auch Wärmestrahlung zum Antrieb geeignet. Dazu kommt, dass keine Fremdstoffe in den Motor gelangen können und die Einzelteile wenig belastet werden. Außerdem besitzt er fast keine beweglichen Einzelkomponente, weshalb er bis auf den Heizzylinder sehr verschleißarm und wartungsfreundlich ist.


8. Nachteile


Als erstes ist der Stirlingmotor für viele überhaupt kein Begriff und allgemein ist er nicht sehr bekannt. Der Stirlingmotor benötigt lästige Antriebsarbeit, da der Zylinder erst einige Minuten erhitzt werden muss, bis er auf Betriebstemperatur ist. Dazu kommt, dass der Zylinder auf der einen Seite der konstanten Hitze schutzlos ausgesetzt ist und somit schnell verschleißt.

Ein weiterer Punkt den es am Stirlingmotor zu bemängeln gibt, ist die Zu- und Abfuhr von Wärme, da sie nicht sehr schnell gesteuert werden kann wie bei einem Motor mit innerer Verbrennung. Deshalb lässt sich die Leistung nur sehr langsam an den jeweiligen Bedarf anpassen was z.B. bei dem Antrieb von einem Auto ein wesentliches Problem wäre. Zuletzt sind die Produktionskosten vom Stirlingmotor ein sehr großes Problem.

→ Der Stirlingmotor ist teuer.


9. Anwendungen


Der Stirlingmotor wird oft dafür verwendet, Solarenergie direkt in mechanische Energie umzuwandeln. Damit wird in der Regel in einem direkt angekoppelten Generator elektrische Energie erzeugt. Des weiteren wird er als Antrieb in Blockheizkraftwerken, als Hydraulikpumpe in der Medizin, als Wasserpumpe, allgemein als luftunabhängigen Antrieb (z.B. in U-Booten) und zuletzt als Wärmepumpe oder Kältemaschine verwendet.


9.1. Dish-Stirling


Die Dish-Stirling-Systeme werden auch Solar-Stirling genannt. Sie erzeugen mithilfe der Sonnenenergie elektrischen Strom. Dabei werden die Sonnenstrahlen durch mehrere Spiegel stark konzentriert auf einen Absorber reflektiert. Dieser verwandelt nun die Sonnenenergie in Wärmeenergie welche nun vom Stirlingmotor genutzt werden kann. Solche Dish-Stirling-Systeme können mit einer Spiegelfläche von einigen Quadratmetern bei voller Sonneneinstrahlung eine elektrische Leistung von mehreren Kilowatt erzeugen.


9.2.Stirlingmotor als Wärmepumpe und Kältemaschine

Funktion:

Bisher wurde der Stirlingmotor nur als Wärmekraftmaschine dargestellt. Wie er innerhalb von mehreren Takten Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt. Steckt man jedoch umgekehrt mechanische Energie in den Motor, indem man das Schwungrad in die entgegengesetzte Richtung des Kreisprozesses antreibt, so wird dadurch umgekehrt ein Wärmestrom vom kälteren zum wärmeren Bereich des Zylinders erzeugt. Wird nun der wärmere Teil des Zylinders auf Zimmertemperatur gehalten, so kühlt der andere Teil ab und man erhält eine Kältemaschine.

Wird aber der kältere Bereich des Zylinders auf Zimmertemperatur gehalten, so wird der andere Teil erhitzt und man erhält eine Wärmepumpe.

Stirling-Kältemaschinen und -Wärmepumpen stehen in Konkurrenz zu herkömmlichen Kältemaschinen und Wärmepumpen. Gegenüber diesen weisen sie aber mehrere Vorteile auf. Zum Ersten wird für eine Stirling-Kältemaschine nur ein harmloses Arbeitsgas wie z.B. Helium benötigt, wogegen für eine herkömmliche Kältemaschine ein giftiges Kältemittel benötigt wird, welches ökologisch und gesundheitlich problematisch ist.

Des weiteren tritt bei dem Arbeitsmedium kein Phasenübergang auf, weshalb er in einem weiten Bereich von Temperaturen genutzt werden kann.


10. Ausblick in die Zukunft


Meiner Meinung nach wird man den Stirlingmotor in der Zukunft sicherlich öfter zu Gesicht bekommen. Vor allem in Zeiten, wo die Lagerstätten von Erdöl, Erdgas, Kohle usw. begrenzt sind, wird er sich aufgrund seiner Vielseitigkeit durchsetzen können. Voraussichtlich würde man ihn hauptsächlich als Stromlieferant verwenden, der durch die Verbrennung von Holzresten und Biomüll (Abfallprodukte aus der Landwirtschaft), aber auch durch die Sonnenenergie angetrieben wird.

→Der Stirlingmotor wird mit seiner Technik helfen, das Klima zu schonen

und somit die Welt ein bisschen besser machen.


11. Quellen


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Hiermit versichere ich, dass ich diese Arbeit selbständig angefertigt habe und keine anderen als die von mir angegebenen Quellen verwendet habe.


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