Stirling

2008-04-04T06:08:27Z

Inge:

'''Der Stirling-Motor'''

'''Zur Geschichte'''

Der Stirling-Motor (auch Heißluft- oder Heißgasmotor genannt) ist schon
1816 von dem englischen Geistlichen Robert Stirling erfunden worden. Er
ist damit der älteste Motor nach der Dampfmaschine. Der Stirling-Motor war
zu dieser Zeit relativ weit verbreitet. Er hatte gegenüber den frühen
Dampfmaschinen den Vorteil, dass er praktisch nicht explodieren konnte.
Mit der Erfindung des Otto- und Dieselmotors geriet er mehr oder weniger
in Vergessenheit, unteranderem da er zu dieser Zeit einfach weniger
Leistung, als die anderen Motoren hatte.

Um 1940 begann der Niederländische Konzern Philips verstärkt im Bereich
der Heißgasmotoren zu forschen. Trotz vieler Patente auf diesem Gebiet kam
es nie zu größeren Serienproduktionen und auch heute zeigt der Konzern
kein Interesse daran. Während der Ölkrise in den 70gern entwickelte die
Firma Ford ein Auto mit einem Stirling-Motor es kam aber nie auf den
Markt.

Obwohl Leistungsfähige Prototypen in den Labors vieler Firmen und
Institute stehen, fristet der Stirling-Motor ein Schattendasein.
Serienproduktionen gibt es nur in einem Bereich: kleine Modelle.

'''Das Physikalische Prinzip'''

...ist einfach aber genial. Wenn man ein Gas erhitzt dehnt es sich aus und
wenn man es abkühlt zieht es sich zusammen. Wenn sich dieses Gas in einem
Zylinder mit einem Kolben befindet drückt es den Kolben beim Erhitzten
heraus und zieht in beim abkühlen wieder hinein. Schon wäre ein Motor
erschaffen (Fig 1-3). Es ist aber technisch gesehen sehr ungeschickt eine
Stelle abwechselnd zu kühlen und zu erwärmen. Deshalb werden durch 1
Kolben 2 Arbeitsräume voneinander getrennt. Nun wird an einer Stelle
ständig gekühlt und an der anderen ständig erwärmt. Damit das Gas zwischen
den beiden Arbeitsräumen zirkulieren kann braucht man noch einen zweiten
Kolben, der sich phasenverschoben zum ersten bewegen muss. Es ist möglich,
dass sich beide Kolben in einem oder zwei Zylindern befinden.

[[Bild:http://www.jenni.ch/picture/KWB/KWB_Stirling_Schnitt.gif]]

Das Arbeitsgas durchläuft also nacheinander folgen Phasen
(Stirling-Prozess):

1.) erhitzen Das Gas wird Arbeitsraum 1 erhitzt = es dehnt sich aus und
verrichte mechanische Arbeit und bewegt sich dabei zum Teil schon in den
Arbeitsraum 2.

2.) ausdehnen Die Wärmezufuhr wird unterbrochen (das Gas in Arbeitsraum 2)
das Gas verrichtet weiterhin Arbeit nun aber auf Kosten seiner inneren
Energie = es kühlt ab. Die in Schritt 1. zugeführte Wärme wurde bis jetzt
(wenn man Strahlung, Reibung usw. vernachlässigt) vollständig in Arbeit
umgewandelt.

3.) kühlen Der Kolben in Arbeitsraum 2 presst mit Teilen, der eben
gewonnen Energie, das Arbeitsgas zusammen. Diese Energie, die sich in
Wärme umwandelt, geht verloren = wird „weggekühlt“.

4.) komprimieren Durch die Kühlung entsteht ein Unterdruck der Kolben wird
ganz in Arbeitsraum 2 hineingezogen. Das Gas bewegt sich dabei zurück in
Arbeitsraum 1.

[[Bild:http://www.jenni.ch/picture/Stirling/Stirlingmotor.jpg]]

Der Hauptunterschied zu Otto, Diesel und Co besteht darin, dass die Wärme
nicht bei einer explosiven Verbrennung von Treibstoff im Zylinder erzeugt
wird sondern die Wärme von außen zugeführt wird. Daher wird das Gas im
Motor auch nicht verbraucht.

Man kann den Stirling-Prozess auch umkehren um eine Wärmepumpe zu
erhalten. Eine Wärmepumpe „pumpt“ Wärme vom kalten Arbeitsraum in den
warme und verbraucht dabei mechanische Energie. Man muss dazu einfach die
Kolben bewegen, nun wird anstatt dem Wärmereservat Energie zu entziehen
und teilweise an ein kühleres abgeben und teilweise in mechanische Energie
umzuwandeln, vom kalten Reservat Energie entzogen und an das Wärme
Reservat weitergeben. So wird kann ein Raum mit Hilfe von Arbeit gekühlt.
'''
Der Wirkungsgrad'''

Der Französische Ingenieur Sadi Carnot (1796-1832) erkannte, dass bei
periodischen Wärmekraftmaschinen immer ein Teil der Energie verloren gehen
muss - auch wenn idealisierte Bedingungen annimmt (keine Reibung usw.) man
aber den Maximalen Wirkungsgrad bei einem bestimmten Kreisprozess erreicht
(Carnot-Prozess). Der Stirling-Prozess erreicht am ehesten den idealen
Carnot-Prozess. Somit sind Stirling-Motoren theoretisch in der Lage den
höchsten Wirkungsgrad aller Wärmekraftmaschinen zu erreichen. Aus dem
Carnot-Prozess leitet sich eine Formel für den Wirkungsgrad ab (Reibung
usw. wird vernachlässigt):

h=1 - (T1 / T2)

h steht für den Wirkungsgrad, T1 die Temperatur mit der gekühlt wird und
T2 die Temperatur mit der erwärmt wird (in °K).

Aus dieser Formel ergibt sich das der Wirkungsgrad bei steigt wird wenn
die Differenz aus T1 und T2 größer wird. Tatsächlich ist es so, dass
heutige Heißgasmotoren ihre Abeitsgase mit bis zu 750°C erwärmen. Diese
Motoren übertreffen in der Tat mit ca. 45% den Wirkungsgrad von
Verbrennungsmotoren wie Diesel und Otto. Es sind übrigens noch höhere
Temperaturen in Planung.

Natürlich spielen unerwünschte Dinge wie Reibung und Abwärme auch beim
Stirling-Motor eine Rolle. Diese zu reduzieren versucht man bei allen
Maschinen. Es gib beim Stirling-Motor allerdings noch etwas andres das zum
Wirkungsgrad beiträgt. Der Regenerator. Als Regenerator könnte zum
Beispiel ein Drahtgeflecht dienen, dass an der Stelle angebracht ist wo
das Arbeitsgas von einem Arbeitsraum in den Anderen strömt. Wenn das Gas
vom heißen in den kalten Bereich kommt gibt es Wärme an den Draht ab und
tritt dann schon leicht gekühlt in den kalten Bereich ein. Wenn es kalt
wieder in den warmen Bereich zurückströmt nimmt es die Energie wieder auf
um muss nicht mehr ganz so stark erhitzt werden. So wird Energie gespart
und die Effizienz gesteigert.

'''Die Vorteile'''
...liegen auf der Hand. Mit dem Stirling-Motor kann man jede beliebige
Wärmequelle zur Energiegewinnung nutzen von allen Verbrennungsarten (nicht
nur Öl und Kohle) über Solare Energie und die Abwärme von Industrieanlagen
bis zu Erdwärme (Heiße Quellen...). Er hat, wie oben ausgeführt, den
höchsten Wirkungsgrad aller Wärmekraftmaschienen. Wenn man einen Rohstoff
als Wärmequelle nutzt so produziert dieser, da er nicht explosionsartig
verbrannt wird viel weniger Schadstoffe wie z.B. Kohlenstoffmonooxid.
Deshalb hat er auch einen viel ruhigeren und leiseren Lauf als die andren
Verbrennungsmotoren. Außerdem haben Stirling-Motoren weniger
Verschleißerscheinungen als die andren und sind auch wegen ihres einfachen
Grundprinzips weniger von Ausfällen.

'''Nachteile'''

Die Kosten für einen leistungsfähigen Stirling-Motor sind noch relativ
hoch, dies sollte aber durch hoffentlich baldige Serienproduktionen
verbessert werden. Das Verhältnis Watt/kg ist auch noch relativ hoch,
daran wird natürlich gearbeitet. Sie können leider nicht sofort
„anspringen“ wie man es von Autos gewöhnt ist sondern brauchen mindestens
ca. 30s bis das Gas heiß ist.

'''Gegenwart und Zukunft'''

Stirling-Motoren sind momentan noch kaum im Einsatz. Weltweit gib aber
viele Forschungsprojekte und schon viel funktionierende Prototypen. Die
Möglichkeiten ihn zu nutzen sind fast unbegrenzt. Die einzige
Schwachstelle ist noch der Preis.

Stirling

2008-04-04T06:06:14Z

Inge: Die Seite wurde neu angelegt: '''Der Stirling-Motor''' '''Zur Geschichte''' Der Stirling-Motor (auch Heißluft- oder Heißgasmotor genannt) ist schon 1816 von dem englischen Geistlichen Robert S...

'''Der Stirling-Motor'''

'''Zur Geschichte'''

Der Stirling-Motor (auch Heißluft- oder Heißgasmotor genannt) ist schon
1816 von dem englischen Geistlichen Robert Stirling erfunden worden. Er
ist damit der älteste Motor nach der Dampfmaschine. Der Stirling-Motor war
zu dieser Zeit relativ weit verbreitet. Er hatte gegenüber den frühen
Dampfmaschinen den Vorteil, dass er praktisch nicht explodieren konnte.
Mit der Erfindung des Otto- und Dieselmotors geriet er mehr oder weniger
in Vergessenheit, unteranderem da er zu dieser Zeit einfach weniger
Leistung, als die anderen Motoren hatte.

Um 1940 begann der Niederländische Konzern Philips verstärkt im Bereich
der Heißgasmotoren zu forschen. Trotz vieler Patente auf diesem Gebiet kam
es nie zu größeren Serienproduktionen und auch heute zeigt der Konzern
kein Interesse daran. Während der Ölkrise in den 70gern entwickelte die
Firma Ford ein Auto mit einem Stirling-Motor es kam aber nie auf den
Markt.

Obwohl Leistungsfähige Prototypen in den Labors vieler Firmen und
Institute stehen, fristet der Stirling-Motor ein Schattendasein.
Serienproduktionen gibt es nur in einem Bereich: kleine Modelle.

'''Das Physikalische Prinzip'''

...ist einfach aber genial. Wenn man ein Gas erhitzt dehnt es sich aus und
wenn man es abkühlt zieht es sich zusammen. Wenn sich dieses Gas in einem
Zylinder mit einem Kolben befindet drückt es den Kolben beim Erhitzten
heraus und zieht in beim abkühlen wieder hinein. Schon wäre ein Motor
erschaffen (Fig 1-3). Es ist aber technisch gesehen sehr ungeschickt eine
Stelle abwechselnd zu kühlen und zu erwärmen. Deshalb werden durch 1
Kolben 2 Arbeitsräume voneinander getrennt. Nun wird an einer Stelle
ständig gekühlt und an der anderen ständig erwärmt. Damit das Gas zwischen
den beiden Arbeitsräumen zirkulieren kann braucht man noch einen zweiten
Kolben, der sich phasenverschoben zum ersten bewegen muss. Es ist möglich,
dass sich beide Kolben in einem oder zwei Zylindern befinden.

Das Arbeitsgas durchläuft also nacheinander folgen Phasen
(Stirling-Prozess):

1.) erhitzen Das Gas wird Arbeitsraum 1 erhitzt = es dehnt sich aus und
verrichte mechanische Arbeit und bewegt sich dabei zum Teil schon in den
Arbeitsraum 2.

2.) ausdehnen Die Wärmezufuhr wird unterbrochen (das Gas in Arbeitsraum 2)
das Gas verrichtet weiterhin Arbeit nun aber auf Kosten seiner inneren
Energie = es kühlt ab. Die in Schritt 1. zugeführte Wärme wurde bis jetzt
(wenn man Strahlung, Reibung usw. vernachlässigt) vollständig in Arbeit
umgewandelt.

3.) kühlen Der Kolben in Arbeitsraum 2 presst mit Teilen, der eben
gewonnen Energie, das Arbeitsgas zusammen. Diese Energie, die sich in
Wärme umwandelt, geht verloren = wird „weggekühlt“.

4.) komprimieren Durch die Kühlung entsteht ein Unterdruck der Kolben wird
ganz in Arbeitsraum 2 hineingezogen. Das Gas bewegt sich dabei zurück in
Arbeitsraum 1.

Der Hauptunterschied zu Otto, Diesel und Co besteht darin, dass die Wärme
nicht bei einer explosiven Verbrennung von Treibstoff im Zylinder erzeugt
wird sondern die Wärme von außen zugeführt wird. Daher wird das Gas im
Motor auch nicht verbraucht.

Man kann den Stirling-Prozess auch umkehren um eine Wärmepumpe zu
erhalten. Eine Wärmepumpe „pumpt“ Wärme vom kalten Arbeitsraum in den
warme und verbraucht dabei mechanische Energie. Man muss dazu einfach die
Kolben bewegen, nun wird anstatt dem Wärmereservat Energie zu entziehen
und teilweise an ein kühleres abgeben und teilweise in mechanische Energie
umzuwandeln, vom kalten Reservat Energie entzogen und an das Wärme
Reservat weitergeben. So wird kann ein Raum mit Hilfe von Arbeit gekühlt.
'''
Der Wirkungsgrad'''

Der Französische Ingenieur Sadi Carnot (1796-1832) erkannte, dass bei
periodischen Wärmekraftmaschinen immer ein Teil der Energie verloren gehen
muss - auch wenn idealisierte Bedingungen annimmt (keine Reibung usw.) man
aber den Maximalen Wirkungsgrad bei einem bestimmten Kreisprozess erreicht
(Carnot-Prozess). Der Stirling-Prozess erreicht am ehesten den idealen
Carnot-Prozess. Somit sind Stirling-Motoren theoretisch in der Lage den
höchsten Wirkungsgrad aller Wärmekraftmaschinen zu erreichen. Aus dem
Carnot-Prozess leitet sich eine Formel für den Wirkungsgrad ab (Reibung
usw. wird vernachlässigt):

h=1 - (T1 / T2)

h steht für den Wirkungsgrad, T1 die Temperatur mit der gekühlt wird und
T2 die Temperatur mit der erwärmt wird (in °K).

Aus dieser Formel ergibt sich das der Wirkungsgrad bei steigt wird wenn
die Differenz aus T1 und T2 größer wird. Tatsächlich ist es so, dass
heutige Heißgasmotoren ihre Abeitsgase mit bis zu 750°C erwärmen. Diese
Motoren übertreffen in der Tat mit ca. 45% den Wirkungsgrad von
Verbrennungsmotoren wie Diesel und Otto. Es sind übrigens noch höhere
Temperaturen in Planung.

Natürlich spielen unerwünschte Dinge wie Reibung und Abwärme auch beim
Stirling-Motor eine Rolle. Diese zu reduzieren versucht man bei allen
Maschinen. Es gib beim Stirling-Motor allerdings noch etwas andres das zum
Wirkungsgrad beiträgt. Der Regenerator. Als Regenerator könnte zum
Beispiel ein Drahtgeflecht dienen, dass an der Stelle angebracht ist wo
das Arbeitsgas von einem Arbeitsraum in den Anderen strömt. Wenn das Gas
vom heißen in den kalten Bereich kommt gibt es Wärme an den Draht ab und
tritt dann schon leicht gekühlt in den kalten Bereich ein. Wenn es kalt
wieder in den warmen Bereich zurückströmt nimmt es die Energie wieder auf
um muss nicht mehr ganz so stark erhitzt werden. So wird Energie gespart
und die Effizienz gesteigert.

'''Die Vorteile'''
...liegen auf der Hand. Mit dem Stirling-Motor kann man jede beliebige
Wärmequelle zur Energiegewinnung nutzen von allen Verbrennungsarten (nicht
nur Öl und Kohle) über Solare Energie und die Abwärme von Industrieanlagen
bis zu Erdwärme (Heiße Quellen...). Er hat, wie oben ausgeführt, den
höchsten Wirkungsgrad aller Wärmekraftmaschienen. Wenn man einen Rohstoff
als Wärmequelle nutzt so produziert dieser, da er nicht explosionsartig
verbrannt wird viel weniger Schadstoffe wie z.B. Kohlenstoffmonooxid.
Deshalb hat er auch einen viel ruhigeren und leiseren Lauf als die andren
Verbrennungsmotoren. Außerdem haben Stirling-Motoren weniger
Verschleißerscheinungen als die andren und sind auch wegen ihres einfachen
Grundprinzips weniger von Ausfällen.

'''Nachteile'''

Die Kosten für einen leistungsfähigen Stirling-Motor sind noch relativ
hoch, dies sollte aber durch hoffentlich baldige Serienproduktionen
verbessert werden. Das Verhältnis Watt/kg ist auch noch relativ hoch,
daran wird natürlich gearbeitet. Sie können leider nicht sofort
„anspringen“ wie man es von Autos gewöhnt ist sondern brauchen mindestens
ca. 30s bis das Gas heiß ist.

'''Gegenwart und Zukunft'''

Stirling-Motoren sind momentan noch kaum im Einsatz. Weltweit gib aber
viele Forschungsprojekte und schon viel funktionierende Prototypen. Die
Möglichkeiten ihn zu nutzen sind fast unbegrenzt. Die einzige
Schwachstelle ist noch der Preis.