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idealer Kreisprozess; stirlingscher Kreisprozess; Stirlingmotor

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Dampfmaschine & Co.

Der Stirlingmotor

Im Stirlingmotor oder Heißluftmotor, wird ein Gas abwechselnd erwärmt – wobei es sich ausdehnt – und abgekühlt – wobei es sich zusammenzieht. Die bei Expansion und Kompression abgegebene Volumenarbeit lässt sich nutzen. Das Gas bleibt die ganze Zeit im Motor, weder muss neuer Treibstoff angesaugt, noch müssen Abgase abgegeben werden. Abgase können natürlich beim Einsatz der äußeren Wärmequelle entstehen, da der Stirlingmotor aber mit jeder beliebigen Wärmequelle betrieben werden kann (beispielsweise Solarenergie), kann ein Stirlingmotor völlig abgasfrei sein – und im Gegensatz zum Verbrennungsmotor mit seinen Explosionsgeräuschen auch (beinah) lautlos. Trotzdem konnte er sich bislang nicht durchsetzen, abgesehen von einigen Anwendungen (z. B. in Booten). Das könnte sich in Zukunft jedoch ändern; interessant könnte er für die Stromerzeugung in Solarkraftwerken sein.

Auch der Stirlingmotor beruht auf einem idealisierten Kreisprozess, dem stirlingschen Kreisprozess. Theoretisch kann der Wirkungsgrad den des carnotschen Kreisprozesses erreichen, praktisch unterliegt auch der Stirlingmotor den „realen Widrigkeiten“ wie Reibungsverlusten.

Der stirlingsche Kreisprozess

1. Isotherme Expansion
Ein Gas befindet sich bei der niedrigeren Temperatur T₁ mit dem kleineren Volumen V₁ in einem Zylinder. Nun wird Wärme zugeführt, woraufhin das Gas expandiert auf das größere Volumen V₂. Da die Expansion isotherm verläuft, ändern sich die Temperatur T₁ und innere Energie des Gases nicht, die zugeführte Wärme wird als Arbeit wieder abgegeben.
2. Isochore Abkühlung
Das Gas gibt Wärme ab, behält dabei aber sein Volumen V₂. Es ist nun abgekühlt auf die niedrigere Temperatur T₂.
3. Isotherme Kompression
Nun wird am Gas Arbeit verrichtet – es wird dabei auf das Ausgangsvolumen V₁ komprimiert. Da die Kompression isotherm ist, das Gas die Temperatur T₂ also behält, gibt es in diesem Schritt Wärme an die Umgebung ab.
4. Isochore Erwärmung
Im letzten Schritt wird dem Gas Wärme zugeführt, um es wieder auf die Ausgangstemperatur T₁ zu erwärmen. Das Volumen V₁ bleibt dabei unverändert. Somit hat das Gas nach dem 4. Schritt seinen Ausgangszustand wieder erreicht.

Man kann nun, um diesen Kreisprozess zu realisieren, entweder das Gas ständig abwechselnd erwärmen und kühlen – oder aber eine Seite des Stirlingmotors wird ständig erwärmt, die andere ständig gekühlt und das Gas zwischen beiden hin- und hergeschoben. Letzteres ist die bedeutend einfachere Methode. Der Stirlingmotor hat deshalb zwei Kolben – den Arbeitskolben und den Kolben, der das Gas zwischen der heißen und kalten Seite hin- und herschiebt, also den Verdrängerkolben. Je nachdem, ob beide Kolben in einem Zylinder oder in zwei Zylinder sitzen, unterscheidet man 3 Typen. Der Stirlingmotor in Abbildung 1 (ein Bausatz von www.astromedia.de) ist ein Gamma-Typ. Bei diesem ist der kleinere Arbeitszylinder an den großen Verdrängerzylinder angeschlossen.

Abb. 1 ¦ Stirlingmotor: BildunterschriftBei diesem Motor (ein Bausatz von www.astromedia.de) reicht die Wärme einer Kaffeetasse, um ihn zum Laufen zu bringen. Ich habe ihn auf eine Suppentasse (0,5 l Inhalt) gesetzt, nachdem ich diese mit kochendem Wasser gefüllt hatte, und nach 30 s Aufwärmzeit lief er bis zum völligen Stillstand knapp 70 min. Die Wassertemperatur war zu diesem Zeitpunkt auf 55 °C gesunken (die Raumtemperatur betrug knapp 23 °C).
Man kann genauso gut die untere Seite kühlen – bewährt haben sich hier zwei Stück tiefgefrorene Butter (einfach, weil die eine ebene Oberfläche haben, auf die man den Motor stellen kann). Die Wartezeit, bis die Unterseite des Motors weit genug abgekühlt ist, beträgt allerdings mehrere Minuten – also nicht die Geduld verlieren – und es funktioniert auch nicht immer. Bei gekühlter Unterseite läuft der Motor andersherum.
Es ist übrigens sehr beruhigend, diesem Motor zuzuschauen. Außer den leisen Geräuschen der Vinyl-Dichtung läuft er lautlos.

Ansehen können Sie sich den laufenden Motor hier: Stirlingmotor (Bitte beachten – die Datei hat 1,6 MB!)Bildunterschrift Ende

Ablauf im Stirlingmotor

Nehmen wir an, der Stirlingmotor wird von unten geheizt. Wenn der Verdrängerkolben die Luft in den heißen Bereich schieben soll, muss er sich also nach oben bewegen (und die Luft, die derzeit oben ist, nach unten in den heißen Bereich verdrängen). Die nach unten geschobene Luft erwärmt sich, dehnt sich aus und drückt dabei den Arbeitskolben nach oben. Die Bewegung des Arbeitskolbens folgt der des Verdrängerkolbens also erst nach einer gewissen Zeit, die die Luft zum Aufwärmen braucht.
Soll der Arbeitskolben nun wieder nach unten sinken, muss der Verdrängerkolben die Luft wieder in den kalten Bereich schieben (sich also nach unten bewegen und die Luft nach oben verdrängen).
Idealerweise gäbe es eine Steuerung, die den Verdrängerkolben genau in dem Moment rasch nach unten bewegt, in dem der Arbeitskolben oben angekommen ist; beziehungsweise nach oben, wenn der Arbeitskolben den tiefsten Punkt erreicht hat. Einfacher ist eine Steuerung, die eine kontinuierliche Bewegung des Verdrängerkolbens erzeugt, indem dieser über eine Kurbelwelle mit dem Arbeitskolben verbunden wird – und zwar mit einem 90°-Versatz, um der zeitlichen Verzögerung des Arbeitskolbens gegenüber dem Verdrängerkolben Rechnung zu tragen. Der Arbeitskolben steuert auf die Weise die Bewegung des Verdrängerkolbens.
Unverzichtbar ist außerdem das Schwungrad, das über seine Massenträgheit für eine gleichmäßige Bewegung der Kolben sorgt, indem es den Verdrängerkolben mit der notwendigen Energie versorgt, die es seinerseits vom Arbeitskolben erhält.
Die Abbildungen 2–4 zeigen den Ablauf detailliert.

Abb. 2 ¦ Stirlingmotor – „Startphase“: BildunterschriftZu Beginn (links) steht der Verdrängerkolben unten; der Arbeitskolben aufgrund der 90°-Verschiebung auf halber Höhe.
Nun wird der Motor angeworfen (über das Schwungrad); der Verdrängerkolben bewegt sich nach oben, die Luft wird in den heißen Bereich geschoben (rechts). (Der Arbeitskolben macht eine halbe Umdrehung mit, weil er über die Kurbelwelle mit dem Verdrängerkolben verbunden ist, und steht wieder auf halber Höhe.)
Jetzt beginnt der eigentliche Kreislauf.Bildunterschrift Ende

Abb. 3 ¦ Stirlingmotor – „warme Hälfte“ des Ablaufs: BildunterschriftDie nach unten verschobene Luft erwärmt sich (isochore Erwärmung; links) und beginnt, sich auszudehnen. Da ständig Wärme von unten nachgeliefert wird, bleibt die Temperatur in der Luft konstant (isotherme Expansion; Mitte). Der Arbeitskolben wird durch die expandierende Luft hinausgedrückt. Hierbei wird auch das Schwungrad mitbewegt, erhält also Energie. (Durch die Verbindung über die Kurbelwelle bewegt sich der Verdrängerkolben bereits wieder nach unten.)
Das Schwungrad bewegt den Verdrängerkolben dann ganz nach unten, wodurch die Luft in den kalten Bereich verdrängt wird (rechts). Bildunterschrift Ende

Abb. 4 ¦ Stirlingmotor – „kalte Hälfte“ des Ablaufs: BildunterschriftAuf der kalten Seite kühlt die Luft sich ab (isochore Abkühlung; links). Der Arbeitskolben macht die Bewegung des Schwungrades auch mit und steht auf halber Höhe.
Aufgrund der Abkühlung zieht die Luft sich zusammen, der Luftdruck drückt den Arbeitskolben in den Arbeitszylinder hinein (isotherme Kompression; Mitte); auch das Schwungrad bekommt hier wieder Schwung. (Dies gilt jedoch nur für den Fall, dass im Motor ein geringer Druck herrscht; ist der Druck hoch, muss Arbeit aufgebracht werden, um den Arbeitskolben nach unten zu drücken und das Gas zu komprimieren.) (Durch die Verbindung über die Kurbelwelle bewegt sich der Verdrängerkolben bereits wieder nach oben.) Das Schwungrad sorgt dafür, dass der Verdrängerkolbensich ganz nach oben bewegt (rechts).
Damit ist der Beginn des Kreislaufs wieder erreicht.Bildunterschrift Ende

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