Stirlingmotor

Aus SystemPhysik
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Der Stirlingmotorist eine Wärmekraftmaschine, in der ein Arbeitsgas (Luft, Stickstoff, Helium) bei hoher Temperatur Entropie aufnimmt und bei tiefer wieder abgibt. Im nach seinem Erfinder, dem schottischer Priester Robert Stirling, benannten Motor wird der ideale Stirling-Zyklus im Rahmen des technisch Machbaren realisiert. Seit der ersten Patentanmeldung vom 27. September 1816 sind hunderte von Varianten entwickelt, gebaut und zum Teil in Serie gefertigt worden.

Funktionsprinzip

Eine Stirlingmaschine lässt sich als Motor (rechtslaufend) oder als Wärmepumpe (linkslaufend) einsetzen. Dabei durchlaufen die Zustände des in der Maschine enthaltenden Arbeitsgases näherungsweise einen Stirling-Zyklus (idealisierter Vergleichsprozess). Beim rechtslaufenden Stirling-Zyklus wird das Arbeitsgas isotherm expandiert, dann isochor gekühlt, später isotherm komprimiert und zuletzt wieder isochor aufgeheizt. Weil bei einem realen der Stirlingmotor die Wärmekapazität der Zylinderwand bedeutend grösser ist als die des Arbeitsgases, kann der Zylinder nicht dauernd auf die hohe Temperatur geheizt und dann wieder auf die tiefe gekühlt werden. Stirlingmotor verfügen deshalb über einen geheizten und einen gekühlten Bereich. Das Arbeitsgas wird dann pro Zyklus einmal in den heissen und einmal in den kühlen Bereich transportiert. In den beiden Hauptprozessen, der isothermen Expansion und der isothermen Kompression, nimmt das Gas Entropie bei hoher Temperatur auf bzw. gibt diese bei tiefer wieder ab. Gleichzeitig wird Wärme(energie) in Arbeit bzw. Arbeit in Wärme "umgewandelt". Damit das Gas beim Hin- und Hertransport nicht nutzlos Entropie aus dem heissen in den kalten Bereich schleppt, muss es diese in einem Regenerator zwischenspeichern.

Im realen Stirlingmotor expandiert das Gas im heissen Bereich und wandelt dabei Wärme in Arbeit um. Danach wird das Arbeitsgas über einen Regenerator in den kalten verschoben, wobei es die überschüssige Entropie abgibt. Der Regenerator weist längs des Gasstromes ein Temperaturgefälle auf, damit das Gas die Entropie lokal isotherm abgeben kann. Im kalten Bereich wird das Gas komprimiert, wobei es die Entropie möglichst schnell an die Zylinderwand abgeben sollte. In der vierten und letzten Phase wird das Gas durch den Regenerator in den heissen zurück geschoben. Dabei nimmt es die im zweiten Prozess abgegebene Entropie wieder zurück. Das ARbeitsgas eines Stirlingmotors muss diese vier Prozesse möglichst verlustfrei durchlaufen

  1. isotherme Expansion im geheizten Bereich (Entropie aufnehmen)
  2. isochore Abkühlung im Regnerator (Entropie zwischenlagern)
  3. isotherme Kompression (Entropie abgeben)
  4. isochore Erwärmung (Entropie aus dem Regenerator wieder übernehmen)

Bei idealer Prozessführung sind die Entropiemengen in den Prozessen 1 und 3 sowie 2 und 4 entgegen gesetzt gleich gross.

Klassifikation

Die Stirlingmotoren werden in drei Hauptbauarten eingeteilt

  • α-Typ: zwei Arbeitskolben in zwei verschiedenen Zylindern; kein Verdränger
  • β-Typ: ein Arbeitskolben und ein Verdrängerkolben im gleichen Zylinder
  • γ-Typ: Arbeitskolben und zwei Verdrängerkolben in zwei verschiedenen Zylindern

Diese Grundtypen können in weitere Unterarten unterteilt werden. Kriterien sind

  • Regenerator im Verdrängerkolben oder als statische Anordnung (β und γ)
  • Arbeitskolben auf der kalten oder heissen Seite (β)
  • Anordnung der Zylinder (α und γ)
  • Führung der Verdränger-Schubstange (β)

technische Details

Stirlingmotoren werden in den unterschidelichsten Temperaturbereichen eingesetzt. Entsprechend vielfälltig sind die an die Maschine gestellten Anforderungen.

Zwischen einem Verdränger- und einem Arbeitskolben gibt es drei Unterscheidungsmerkmale

  1. Kräfte auf Arbeitskolben sind viel höher als auf Verdrängerkolben
  2. Arbeitskolben muss viel besser abgedichtet sein als Verdrängerkolben
  3. Arbeitskolben sollte möglichst wenig Wärme leiten

Einsatzgebiete