Stirlingmotor

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Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine, in der ein hermetisch abgeschlossenes Arbeitsmedium (meistens ein Gas wie Luft oder Helium) durch drastische Temperaturänderungen in regelmäßigen Zyklen von außen erwärmt und wieder abgekühlt wird, um mechanische Energie zu erzeugen. Es handelt sich somit um einen geschlossenen Kreisprozess, der mit einer beliebigen externen Wärmequelle betrieben werden kann.

Inhaltsverzeichnis

1 Überblick
2 Abgrenzung von anderen Motorarten und Besonderheiten
3 Funktionsweise
4 Theoretische Erklärung
5 Merkmale
6 Mögliche Anwendungen
7 Geschichte
8 Literatur
9 Weblinks

Überblick

Die Temperaturänderung im Stirlingmotor bewirkt eine Expansion des Arbeitsmediums im heißen Bereich und eine Kontraktion im kalten Bereich, die in Bewegung umgewandelt wird. Beide Vorgänge sind kinematisch über die Geometrie des Stirlingmotors gekoppelt, so dass über einen großen Bereich des Arbeitszyklus Nutzarbeit geleistet wird. Da man einen Bereich nicht abwechselnd ständig erhitzen und kühlen kann, haben Stirlingmotoren typischerweise einen permanent heißen (erhitzten) und einen permanent kalten (gekühlten) Bereich, zwischen denen das Arbeitsmedium hin und her bewegt wird. Gängige Stirlingmotoren speichern die im Arbeitsmedium enthaltene Wärme auf dem Weg von einem zum anderen Bereich zwecks Verbesserung des Wirkungsgrades in einem Speicher, dem sogenannten Regenerator. Dieser nimmt abwechselnd die Wärme auf und gibt sie wieder ab. Stirlingmotoren werden meistens als Hubkolbenmaschinen ausgeführt, es gibt jedoch zahlreiche weitere Bauformen, wie Flachplatten-, Freikolben- oder Kreiskolbenmotoren. Verfahrenstechnisch unterscheidet man zwischen zwei Hauptbauarten: den Alfa- und den Beta-Typ. Beim Alfa-Typ sind zwei Kolben (bei der Hubkolbenbauweise) in separaten Zylindern untergebracht und wirken um 90° versetzt auf eine gemeinsame Kurbelwelle. Beide Kolben verrichten also je nach Kurbelwellenposition Arbeit oder sie verdrängen oder verdichten das Gas. Der Regenerator ist unbeweglich und verbindet an der Zylinderkopfseite beide Kolben. Beta-Typ: Beide Kolben laufen in einem Zylinder, wobei ein Kolben die Funktion des Regenerators übernehmen kann. Einer der Kolben ist der Arbeitskolben und wandelt thermische Energie in Arbeit um, der andere dient als Verdrängerkolben. Eine Sonder-/Mischbauform ist der sogenannte Gamma-Typ.

Abgrenzung von anderen Motorarten und Besonderheiten

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, ohne die Emission von Abgasen arbeitet.

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

Die äußere Wärmezufuhr und anschließende "aktive" Kühlung des Gases schafft beim Stirlingmotor erhebliche Probleme hinsichtlich des Wärmedurchgangs durch eine dicke Zylinderwand, wie sie wegen der hohen Drücke erforderlich ist. Eine übliche kurzzeitige alternierende Erwärmung und anschließende Kühlung wäre nicht möglich gewesen. Man löste das Problem, indem die Motoren mit einer stetig heißen Zone und einer stetig kalten Zone ausgestattet wurden. Beim unten abgebildeten einzylindrigen Beta-Typ bewegt sich der Arbeitskolben in der fortwährend gekühlten Kaltzone (oben), während sich der Verdrängerkolben immer in der Heißzone befindet. Beim Alpha-Typ besteht der Motor aus zwei getrennten Zylindern, einem heißen Arbeitszylinder und einem kalten Kompressorzylinder. Der problematische Wärmeaustausch wird verbessert, wenn ein innerer Wärmeaustausch über einen Regenerator erfolgt, vergleichbar einer Abwärmerückgewinnung zur Vorwärmung. Die zwischengespeicherte Wärme muss nicht abgeführt und zugeführt werden, wodurch sich die Kühl- bzw. Heizflächen verringern lassen. Beim Beta-Typ wirkt der Verdrängerkolben zugleich als Regenerator, beim Alpha-Typ sitzt er zwischen den Zylindern. Das Gas wird in stetem Wechsel durch den Regenerator in die Heißzone und dann in die Kaltzone geschoben. Dabei wird es von außen erhitzt, gekühlt und nimmt intern vom Regenerator Wärme auf und gibt an diesen Wärme ab. Die im Regenerator bewegte Wärmemenge kann bis zum vierfachen der zugeführten Wärme betragen. Eine weitere Besonderheit der Stirlingmotoren besteht konstruktionsbedingt in deren hohem Totraumanteil.

Der Stirlingmotor benötigt im Gegensatz zum Ottomotor keinen besonderen Treibstoff,weil der Zylinderkopf von außen befeuert wird. Den Zylinderkopf kann man z.B. in den Brennpunkt eines Parabolspiegels setzen. Es ist, wie zu sehen, unerheblich, woher die Wärme stammt. So kann als Wärmequelle beispielsweise Sonnenenergie, auch thermisch nutzbare Abwärme verwendet werden. Der Stirlingmotor ist außerdem gegen den Vakuummotor abzugrenzen.

Funktionsweise

Der Stirlingmotor ist ein sogenannter Heißgas-Motor. In dem Motor bewegen sich zwei Kolben: der so genannte Verdrängerkolben und der Arbeitskolben. Beide Kolben sind um 90 Grad versetzt an einem Schwungrad befestigt, mit dem mechanische Arbeit verrichtet werden kann. Diese wird alleine vom Arbeitskolben aufgebracht, der Verdrängerkolben wird nur mitgenommen, um das Gas zu verschieben. Der Arbeitsablauf des Stirlingmotors kann in die folgenden vier Takte unterteilt werden:

Stirling-Kreisprozess

Bild 1->2: Das Gas wird im Inneren des Stirlingmotors im heißen Bereich erhitzt, indem von außen Wärme zugeführt wird . Durch die Erwärmung dehnt sich das Gas aus. Dadurch wird der Arbeitskolben fort geschoben. Durch die Bewegung des Arbeitskolbens wird auch der Verdrängerkolben bewegt. Der Arbeitskolben und der Verdrängerkolben sind an einem Schwungrad befestigt und um 90° versetzt. Dadurch wird in diesem ersten Takt der Verdrängerkolben kaum bewegt Sinusfunktion.In diesem Takt verrichtet der Arbeitskolben am Schwungrad Arbeit.

Bild 2->3: Das Schwungrad dreht sich wegen der Trägheit weiter. Der Verdrängerkolben schiebt deshalb das Gas vom heißen in den kalten Bereich (Abkühlung). Meistens übernimmt der Verdrängerkolben hier auch gleichzeitig die Aufgabe eines Wärmespeichers. Das heißt hier allerdings, dass er die Wärme wegnehmen soll aus dem Zylinderraum. Denn danach soll kaltes Gas, nicht warmes (!) - komprimiert werden. D.h. durch den Regenerator erfolgt eine Abführung eines Teils der Wärmeenergie des Gases. Zudem wird das Gas durch (Kühlrippen) oder zusätzliche Luftkühlung abgekühlt. Die Position des Arbeitskolbens ändert sich bei diesem Prozess kaum. Der Druck in dem Arbeitszylinder fällt aufgrund der Expansion, indem der Kolben sich dabei wegbewegt.Dabei kühlt sich das Gas ab und ferner, weil es gleich danach in einen kühleren Raum, den Regenerator gedrückt wird.

Bild 3->4: Darauf folgt die eigentliche Kompression. Hierzu muss Arbeit zugeführt werden. Diese Arbeit wird üblicherweise durch eine Schwungmasse aufgebracht. Die Position des Verdrängerkolbens ändert sich bei diesem Prozessabschnitt kaum.

Bild 4->1: Das Schwungrad 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 (Erwärmung).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

Zustandsänderungen

p-V-Diagramm des Stirling-Prozesses

Das Arbeitsmedium wird in einem Kreisprozess aus zwei Isothermen und zwei Isochoren periodisch expandiert und komprimiert. Für die Zustandsänderungen gilt unter Verwendung folgender Abkürzungen:

$Q, W$ = Wärmemenge , Arbeit in kJ
$n$ = Stoffmenge des Arbeitsgases in mol
$c v$ = spezifische Wärmekapazität bei v=konst. in kJ/kgK
$R$ = Gaskonstante in J/kgK
$T o, T u$ = obere, untere Prozesstemperatur in K
$V 2, V 3$ = Volumen in oberem Totpunkt in m³
$V 1, V 4$ = Volumen in unterem Totpunkt in m³

Takt 1-2 ist eine isotherme Ausdehnung, bei der Arbeit vom Gas verrichtet wird. Die zugeführte Wärme Q_zu entspricht der verrichteten Arbeit W_ab nach der Formel:
$Q_{zu} = W_{ab} = n\cdot R\cdot T_0\ln \frac{V_2}{V_1}$

Takt 2-3 ist eine isochore Abkühlung, bei der das Gas durch Wärmeabfuhr an den Regenerator wieder auf den Ausgangszustand gebracht wird, die abzuführende Wärmemenge beträgt:
$Q_{2,3} = n\cdot c_V\cdot (T_o - T_u)$

Takt 3-4 ist eine isotherme Kompression, deren zugeführte Volumenänderungsarbeit gleich der abzuführenden Wärmemenge Q_ab ist:
$Q_{ab} = W_{zu} = n\cdot R\cdot T_u\ln \frac{V_3}{V_4}$

Takt 4-1 ist eine isochore Erwärmung, deren Wärmemenge vom Regenerator an das Gas abgegeben wird, diese beträgt:
$Q_{4,1}= n\cdot c_V\cdot (T_o - T_u)$

Nutzarbeit

Vorschlag: Das p-v- Diagramm abgewickelt zu zeichnen- aus didaktischen Gründen! Dann ist die Zeitrichtung völlig klar!

Energiebilanz

Im oben dargestellten pV-Diagramm ist die vom Graphen umschlossene Fläche die von der Maschine verrichtete Arbeit, im T-s-Diagramm wird sie in diesem Fall als Differenz der zugeführten und abgeführten Wärme dargestellt und ergibt die schraffierte Fläche. Ermittelt wird die Nutzarbeit aus der Energiebilanz entsprechend der linken Skizze:

zugeführte Energien = abgeführte Energien

$Q z u = Q a b + W t$
$W t = Q z u - Q a b$
mit obigen Beziehungen für Q_zu und Q_ab wird
$W_t = n\cdot R\cdot T_0\ln \frac{V_2}{V_1} - n\cdot R\cdot T_u\ln \frac{V_3}{V_4}$ ; mit $\frac{V_2}{V_1}=\frac{V_3}{V_4}=\frac{V_{OT}}{V_{UT}}$

und man erhält die Nutzarbeit zu:

$W_t=n\cdot R\ln \frac{V_{OT}}{V_{UT}}\cdot (T_0 -T_U)$

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad ist die Schwachstelle des Stirlingmotors.

Stirlingmotoren können zwar prinzipiell einen hohen Carnot-Wirkungsgrad erreichen, da sie mit sehr großen Temperaturdifferenzen betrieben werden können. In der Praxis gibt es allerdings sehr große Probleme, das Arbeitsgas deutlich über 800K zu erwärmen. Bei diesen niedrigen Temperaturdifferenzen beträgt der Carnot- Wirkungsgrad nur ungefähr 66% und liegt damit deutlich unter dem von herkömmlichen Verbrennungsmotoren. Dieses Problem tritt auch bei Dampfturbinen auf, allerdings erreichen Dampfturbinen rund 66% ihres Carnot- Wirkungsgrades und damit einen effektiven Wirkungsgrad von > 40%. Stirlingmotoren erreichen nur 50% ihres Carnot-Wirkungsgrades, der effektive Wirkungsgrad liegt entsprechend niedriger.

Merkmale

Rhombenantrieb eines Stirlingmotors

Die Wärmeerzeugung muss nicht notwendigerweise auf Verbrennung beruhen, sondern es kann jede Wärmequelle (Solarenergie beim Solar-Stirling, Erdwärme o. ä.) genutzt werden
Es gibt Stirlingmotoren, die nur wenige Kelvin Temperaturdifferenz benötigen, z.B. der Flachplatten-Stirlingmotor von Prof. Ivo Kolin (Universität 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 Stirlingmotor sehr leise
Der Verbrauch von Schmieröl ist oftmals gering
Die Leistungsänderung durch Steuerung des Wärmestromes ist sehr langsam und deshalb für Kraftfahrzeuge nicht geeignet. Andere Methoden der Leistungsregelung sind möglich, jedoch in der Regel aufwendiger.
Stirlingmotoren arbeiten mit hohen Drücken, benötigen große Wärmetauscher und sind deshalb schwer
Der Stirlingmotor kann schon als Einzylindermotor völlig frei von Massenkräften laufen
Es gibt sehr viele verschiedene Bauformen, was vielseitige Anwendbarkeit und Weiterentwickelbarkeit ermöglicht
Stirlingmotoren erzeugen hohe Drehmomente vor allem bei niedrigen Drehzahlen
Bestimmte Bauformen können selbstständig unter Last anlaufen

Mögliche Anwendungen

Der Stirlingmotor kann 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 linksläufigen 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 beispielsweise als Kühlaggregat in Wärmebildkameras.

Mögliche Anwendungsbereiche sind:

Kältemittelfreie Kühlprozesse,
Kleine dezentrale Blockheizkraftwerke zur Erzeugung von Elektrizität und Heizwärme, beispielsweise in der Geothermie.
Antrieb von Yachten und Booten bei großer Laufruhe.

Darüber hinaus 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. Weitere Informationen finden sich unter Weblinks mit Details zur Anwendung als Wasserpumpe.

Eine technische Besonderheit des Stirlingmotors ist die Möglichkeit der extremen Miniaturisierung. Dies macht ihn besonders geeignet für den Einsatz als Wärmepumpe in Satelliten und Raumschiffen.

In der Medizintechnik wird zur Zeit ein Stirlingmotor entwickelt, der als Pumpe für eine Hydraulikflüssigkeit arbeitet, die wiederum die Blutpumpe von Herzunterstützungssystemen antreibt. Zum Einsatz kommt ein Freikolbenmotor mit einem thermischen Energiespeicher, der eine Speicherkapazität von acht Stunden aufweist und in einer Stunde wieder zu laden ist. Das System hat eine thermische Leistung von 21 W bei einer Leistungsabgabe von 3,3 W und wird derzeit an Tieren erprobt.

Bei U-Booten wird der Stirlingmotor als Luftunabhängiger Antrieb eingesetzt, z. B. bei der Gotland-Klasse der schwedischen Marine.

Geschichte

Hauptartikel: Geschichte des Stirlingmotors

Der Stirlingmotor wurde 1816 vom damals 26-jährigen schottischen Geistlichen Robert Stirling erfunden. Es 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.

Philips Stirlingmotor 1953,

180W, 9.5 Bar Arbeitsdruck

Eine erste Blüte erlebte der Stirlingmotor am Ende des 19. Jahrhunderts als Einzel-Energiequelle in den Privathaushalten des aufkommenden Bürgertums. Er war für damalige Verhältnisse in kleinen Ausführungen ein Massenprodukt und stellte ungefähr das Pendant zu unseren heutigen Elektromotoren dar. Er wurde beispielsweise für den Antrieb von Ventilatoren verwendet.

Eine Weiterentwicklung erlebte der Stirlingmotor in den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts durch die niederländische Firma Philips. Das Unternehmen baute in diesem Zeitraum große Mengen Radios für den Export und suchte nach einer leicht zu bedienenden und transportablen Kraftmaschine für die Stromerzeugung der energieintensiven Elektronenröhren in Gegenden ohne Stromversorgung. In diesem Zusammenhang entwickelte man den Philips-Stirlingmotor, einen Motor mit einem Zylinder und zwei Kolben, auf einer gemeinsamen Kurbelwelle. Während der Arbeitskolben direkt auf die Kurbelwelle wirkte, wurde der Verdrängerkolben über einen Winkelhebel und ein elastisches Pleuel angetrieben. Er hatte eine Phasenverschiebung von 90°. Später verwendete man ein Rhombengetriebe, bei dem beide Kolben miteinander verbunden waren, die Kolbenstange des inneren Kolbens wirkte dabei durch die hohlgebohrte Kolbenstange des äußeren Kolbens. Diese Bauart lief völlig ohne Unwucht und ließ sich beinahe beliebig verkleinern, hatte jedoch das Problem der Dauerhaltbarkeit der Rollsockendichtung zwischen den beiden Kolbenstangen.

Durch den Zweiten Weltkrieg wurde die Entwicklung unterbrochen. Ab Mitte des vergangenen Jahrhunderts stellte sich die Frage der Energieversorgung von Radios durch den Einsatz der ersten Transistoren nicht mehr. Dafür forschten diverse Industrieunternehmen weiter am Stirlingmotor als Schiffs- und Automobilantrieb sowie wegen der Vielstofftauglichkeit im militärischen Bereich, ohne auf diesen Gebieten eine konkurrenzfähige Serienreife zu erzielen.

Ab ca. 1975 gewinnt der Stirlingmotor an Bedeutung im Zusammenhang mit Blockheizkraftwerken (BHKW) und Kraft-Wärme-Kopplung. In Kleinst-BHKWs kommt dabei auch die besondere Bauform des Stirling-Freikolbenmotors, verblockt mit einem Linear-Generator, zum Einsatz.

Literatur

Martin Werdich: Stirling-Maschinen. Grundlagen - Technik - Anwendung, Ökobuch-Verlag, ISBN 3922964966 (überarb. u. erw. Aufl. Juni 2003) - hervorragende Einführung in das Thema mit Beschreibung vieler Bauformen und Anwendungen