Der Stirlingmotor

Der Stirlingmotor ist eine von Robert Stirling im Jahre 1816 entwickelte Wärmekraftmaschine, in der ein Arbeitsgas wie Luft, Helium oder Wasserstoff in einem abgeschlossenen Volumen von außen in einem Bereich erhitzt und in einem anderen gekühlt wird, um mechanische Arbeit zu leisten. Dadurch kann der Stirlingmotor mit einer beliebigen äußeren Wärmequelle betrieben werden. Manchen Bauformen genügen dazu bereits geringe Temperaturdifferenzen, z. B. die zwischen menschlichem Körper und der Umgebung.[1] Ein Stirlingmotor realisiert den Stirling-Kreisprozess.

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Animation eines Stirlingmotors in Alpha-Konfiguration mit Regenerator


Ein mittels Spiritusbrenner betriebener Demonstrations-Stirlingmotor


Stirlingmotor in Betrieb.

Überblick

Stirlingmotoren haben einen permanent erhitzten und einen permanent gekühlten Bereich, zwischen denen das Arbeitsgas hin und her bewegt wird. Im erwärmten Zylinderraum wird das Arbeitsgas expandiert, und im gekühlten Zylinder komprimiert, wobei die innere Energie des Arbeitsgases in nutzbare mechanische Arbeit umgewandelt wird. Ein Stirlingmotor kann von außen angetrieben werden und arbeitet dann als Wärmepumpe, die – je nachdem, ob der heiße oder der kalte Bereich genutzt wird – als Kältemaschine oder Wärmepumpenheizung dienen kann. Das heiße Arbeitsgas gibt üblicherweise einen Teil seiner Wärmeenergie auf dem Weg zum kalten Bereich an einen Speicher, den Regenerator, ab. Später gibt der Regenerator die gespeicherte Wärmeenergie wieder an das Gas ab, wenn es vom kalten Bereich zurück in den warmen Bereich geschoben wird. Der Regenerator verbessert den Wirkungsgrad des Stirlingmotors, er speichert bis zu 80 Prozent der pro Zyklus umgesetzten Wärme. Wegen des Regenerators kann der Stirlingmotor theoretisch den Carnot-Wirkungsgrad erreichen. Stirlingmotoren werden in der Regel als Hubkolbenmaschinen ausgeführt, es gibt aber auch Flachplatten-, Freikolbenmaschinen und Kreiskolbenmotoren, wobei man zwischen drei Hauptbauarten unterscheidet: dem Alpha-, dem Beta- und dem Gamma-Typ.

Beim Alpha-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. Eine verbreitete Bauart ist der doppeltwirkende Vierzylinder-V-Motor, bei dem der Kurbeltrieb vom hohen Druck des Arbeitsgases entlastet wird und die „heißen“ Kolbenoberseiten mit benachbarten „kalten“ Kolbenunterseiten zusammenwirken.
Beta-Typ: Beide Kolben laufen in einem Zylinder, wobei der Verdränger bei kleinen Leistungen als Regenerator wirken kann. Der andere Kolben ist der Arbeitskolben; er wandelt die Druckamplituden in kinetische Energie um und schließt den Arbeitsraum ab. Der Arbeitskolben bewegt sich meist in der fortwährend gekühlten Kaltzone, während sich der Verdrängerkolben immer zwischen der Heißzone und der Kaltzone befindet.
Beim Gamma-Typ sind Arbeits- und Verdrängerkolben in verschiedenen miteinander verbundenen Zylindern untergebracht.

Abgrenzung von anderen Motorarten und Besonderheiten

Beim Stirlingmotor bleibt das Arbeitsgas, anders als z. B. bei Verbrennungsmotoren, innerhalb des Motors und wird nicht ausgetauscht (sogenannter Heißgas-Motor). Wenn die externe Wärmequelle auch keine Abgase erzeugt, gibt es keine materiellen Emissionen – allerdings Abwärme.

Die Wärme- und Kühlenergie muss beim Stirlingmotor durch Wärmeleitung zu- und abgeführt werden. Das schafft erhebliche Probleme, weil die Wärmedurchgangskoeffizienten aller Metalle zumindest im Verhältnis zur direkten Wärmezufuhr bei einer inneren Verbrennung wie in einem Otto- oder Dieselmotor ungünstiger sind. Bei hohen Temperaturen im Brennpunkt eines auf die Sonne gerichteten Hohlspiegels besteht die Gefahr, den Erweichungspunkt der Legierung des Wärmetauschers zu überschreiten, wodurch das als Kreislaufmedium verwendete Gas wie Helium oder Wasserstoff entweichen kann. Bei höherer Leistung umgeht man dieses Problem, indem der Verdrängerkolben das Arbeitsgas durch dünne beheizte Röhrchen drückt. Das hat den Nachteil, dass das „Totvolumen“ VUT recht groß ist und die erreichbare Leistungsdichte (erzielbare Leistung im Verhältnis zur Masse des Aggregats in W/kg) verringert wird. Stirlingmotoren mit hoher Leistung haben deshalb einen sehr hohen mittleren Betriebsdruck.

Der problematische Wärmeaustausch wird vereinfacht, wenn ein Regenerator als Zwischenspeicher für Wärmeenergie verwendet wird. Die zwischengespeicherte Wärme bleibt im Motorinnenraum, was verkleinerte Kühl- bzw. Heizflächen erlaubt. Die Position des Regenerators hängt vom Bautyp ab, die in ihm zwischengespeicherte Wärmemenge kann bis zum Vierfachen der zugeführten Wärme betragen.

Der große Vorteil des Stirlingmotors besteht darin, dass er mit einer kontinuierlichen Wärmezufuhr betrieben wird und deshalb wenig Lärm erzeugt. Die kontinuierliche Verbrennung lässt sich schadstoffarm gestalten oder alternativ durch eine emissionsfreie Strahlungsquelle, wie z. B.

die Sonne,
radioaktive Zerfallswärme oder
heißes Wasser oder Dampf aus der Geothermie

ersetzen. Während ein hoher technologischer Aufwand zu betreiben ist, um bei einem Otto- oder Dieselmotor die innere diskontinuierliche Verbrennung sowohl effizient als auch schadstoffarm zu betreiben, kann beim Stirlingmotor der äußere energieliefernde Prozess einfacher umgesetzt werden. Wegen der kontinuierlichen Wärmezufuhr benötigt der Stirlingmotor im Gegensatz zum Ottomotor oder Dieselmotor keinen besonderen Treibstoff, er ist prinzipiell leicht als Vielstoffmotor auslegbar.

Ein weiterer Vorteil ist, dass das Arbeitsgas in einem geschlossenen System geführt wird und daher der Eintrag von Verschmutzungen von außen vermieden werden kann. Das Arbeitsgas und der Schmierstoff werden insofern nur durch den reibungsbedingten Abrieb belastet, der bei der Bewegung der Teile entsteht. Ferner kann durch die Kapselung die Einwirkung von Sauerstoff auf die inneren Teile des Motors und die Schmierstoffe minimiert werden. Geeignete moderne Schmierstoffe können auf minimierte Verharzung ausgelegt werden, so dass ein sorgfältig gefertigter Stirlingmotor eine hohe Lebensdauer aufweisen kann.

Wichtig ist es, die aus Werkstoffgründen maximal im Wärmetauscher mögliche Temperatur zu erreichen, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen.

Weiteres dazu im Link:

https://de.wikipedia.org/wiki/Stirlingmotor