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Der Stirlingmotor

Stirlingmotoren sind Waermekraftmaschinen, d.h. sie wandeln Waerme hoher
Temperatur in mechanische Energie um. Ein im Motor eingeschlossenes
Arbeitsgas wird dazu erwaermt. Im Heizteil wird die Waerme hoeher.

Temperatur in den Motor gebracht und durch den Arbeitsteil in
mechanische Energie umgewandelt. Diese mechanische Energie wird an einem
Schwungrad frei und laesst sich vielfaeltig nutzen, zum Beispiel zur
Erzeugung von elektrischer Energie.

 

Die Geschichte des Stirlingmotors

Er erhaelt als 26-jaehriger ein Patent auf ein neues Verfahren zum
Antrieb von Maschinen.

Der Stirlingmotor ist geboren.

Der erste Motor, der mit Robert Stirlings Prinzip arbeitete, war sehr
einfach konstruiert. Er wurde spaeter noch entscheidend
weiterentwickelt. So wurde noch ein zweites Schwungrad hinzugefuegt und
das Arbeitsgas veraendert bzw. dessen Druck erhoeht.  

Am Anfang des 20. Jahrhunderts waren weltweit ca. 250.000
Stirlingmotoren im Einsatz, als Tisch-Ventilatoren, Wasserpumpen und
Antriebe fuer Kleingeraete. Sie versorgten Privathaushalte und kleine
Handwerksbetriebe mit mechanischer Energie. Als sich Otto-, Diesel- und
Elektromotoren immer weiter verbreiteten, wurden die Stirlingmotoren
zunehmend vom Markt verdraengt.

 

Der Bau des Stirlingmotors

1. Der Kuehlzylinder, wie der Name sagt, kuehlt die erwaermte Luft
wieder ab.

2. Der Heizzylinder erwaermt durch die ihm von aussen zugefuehrte
Energie die Luft in

    seinem Inneren.

3. Der Verdraengerkolben hat die Aufgabe moeglichst viel heisse Luft aus
dem Heizzylinder

    zu verdraengen. Das ist nur moeglich, weil er nicht dicht an der
Innenwand der

    Zylinder anliegt.

4. Der Arbeitskolben liegt dicht an der Innenwand des Kuehlzylinders an,
und bildet

    somit die abgeschlossene Luftmenge des Motors.

5. Die Pleuelstangen verbinden den Arbeits- bzw. Verdraengerkolben mit
dem    Schwungrad. 

   Die Stangen die am Schwungrad um 90° versetzt angebracht sind, lassen
somit    auch die Kolben versetzt arbeiten.

6. Das Schwungrad dient der Abnahme der erzeugten Energie. 

   Weiterhin bewegt es durch seinen Schwung die Kolben wieder zurueck in
ihre    Ausgangslage.

7. Die Waermequelle, die den Heizzylinder und somit die Luft erwaermt,
liegt ausserhalb     des Motors. 

   Sie ist deshalb frei waehlbar, soweit die Energiezufuhr
ausreichend    ist.

Die beschriebenen Bauteile sind die wesentlichen Elemente eines
Stirlingmotors. Zusaetze, wie ein zweites Schwungrad oder ein bestimmtes
Arbeitsgas, koennen die Leistung des Motors erhoehen. Auch eine
unterschiedliche Anordnung der Bauteile ist moeglich. So kann anstatt
der Versetzung der Pleuelstangen auch die Zylinder um 90° versetzt
werden.

 

Die Funktion des Stirlingmotors

Die Funktionsweise des Stirlingmotor laesst sich in vier Schritten
erklaeren.

1. Der Druck im Inneren des Heizzylinders steigt und die Luft dehnt sich
aus. Der     Verdraengerkolben bewegt sich wegen seiner Versetzung zum
Arbeitskolben um       90° kaum. Deshalb stroemt die erhitzte Luft an
ihm vorbei in den Kuehlzylinder und    schiebt den Arbeitskolben nach
hinten.

2. Durch die Bewegung des Verdraengerkolben, aufgrund der Drehung des
   Schwungrades, wird die gerade erhitzte Luft in den Kuehlzylinder
verdraengt. 

   Dort gibt sie Energie in Form von Waerme an den Kuehlzylinder ab.
Ihre Temperatur    sinkt von T1 auf T2. Der Arbeitskolben bewegt sich
dabei kaum.

 3. Fast die gesamte Luft aus dem Heizzylinder ist jetzt im
Kuehlzylinder. 

    Durch das Schwungrad schiebt sich der Arbeitskolben nach vorn und
komprimiert     dabei die Luft. 

    Diese erwaermt sich dadurch aber nicht sondern gibt weiter Energie
an den     Kuehlzylinder ab. Ihre Temperatur bleibt konstant. 

    Der Verdraengerkolben bewegt sich kaum.

4. Der Arbeitskolben ist nun an seiner innersten Position. Der
Verdraengerkolben bewegt    sich wieder zurueck wobei er die abgekuehlte
Luft aus dem Kuehlzylinder in den

   Heizzylinder verdraengt. Dort wird die Luft von der Temperatur T2 auf
T1 erwaermt. 

Alle Takte zusammen ergeben die vollstaendige Bewegung des
Stirlingmotor.

 

Der Stirlingsche Kreisprozess

Den Arbeitszyklus des Stirlingmotor kann man auch anhand eines
Arbeitsdiagramms verdeutlichen. Die thermodynamischen
Zustandsaenderungen fassen sich zusammen in einem Kreisprozess. 

I-II (Isotherme Expansion)

Die unter Druck stehende heisse Luft im Zylinder dehnt sich aus wobei
ihr Volumen zunimmt (Expansion). Die Luft verrichtet so Arbeit, indem
sie den Arbeitskolben bewegt. Der Druck sinkt. Die Energie dafuer wurde
ihr zuvor durch die Heizung zugefuehrt. Das heisst, das die Luft nur ein
Energieumwandler ist, jedoch sich ihre eigene Energie bzw. ihre
Temperatur T1 nicht aendern (Isotherme).

II-III (Isochore Abkuehlung) 

Die verdraengte Luft aus dem Heizzylinder kuehlt sich von T1 auf T2 ab
(Abkuehlung). Der Kuehlzylinder nimmt dabei die Waermeenergie der
heissen Luft auf. Weil das Volumen der Luft gleich bleibt (Isochor),
bewegt sich der Arbeitskolben nicht und es wird keine Arbeit
verrichtet. 

III-IV (Isotherme Kompression)

Der Luft wird durch den Kuehlzylinder Energie entzogen. Diese, da sie
sich schon auf T2 abgekuehlt hat, aendert ihre Temperatur nicht mehr
(Isotherme), sondern verkleinert ihr Volumen (Kompression).

IV-I (Isochore Erwaermung)

Die Luft hat ihr Volumen zu einem Minima verkleinert und aendert dieses
jetzt nicht mehr (Isochor). Durch die Heizung wird die Luft wieder
erwaermt (Erwaermung), wobei der Kreisprozess wieder von neuem beginnt.

 Die Einzelnen Zustandsaenderungen gehen fliessend ineinander ueber und
ueberlagern sich auch soweit, so das sie praktisch nur schwer
nachzuvollziehen sind.

 

Der Wirkungsgrad

Keine Waerme- Energie- Maschine ist in der Lage, mit der gesamten
zugefuehrten Waerme Arbeit zu verrichten. Es tritt stets eine Abwaerme
auf, die fuer die eigentliche Nutzung verloren ist. Aufgrund der
auftretenden Abwaerme spricht man von Energieverlusten, die im
Verhaeltnis mit der zugefuehrten Waerme den Wirkungsgrad bilden. Der
Wirkungsgrad einer Waerme-Kraft-Maschine wird bestimmt durch die
Temperaturen T1 und T2 der beiden Waermespeicher. Je groesser diese
Temperaturdifferenz gemacht werden kann, desto groesser ist der
Energieanteil.  

Wirkungsgrad= (genutzte Energie): (zugefuehrte Energie) 

Die genutzte Energie setzt sich aus der Differenz von der zugefuehrten
Energie Q1 und der abgegebenen Energie Q2 zusammen. Die abgegebene
Energie ist hierbei die Abwaerme oder Energieverlust. Der Wirkungsgrad
des Stirlingmotors setzt sich jedoch aus dem Quotienten von (T1- T2) und
T1 zusammen.

 

Die Vorteile des Stirlingmotors

Vielseitige Heizmoeglichkeiten:

Durch die Art der Waermezufuhr kann jede Waermequelle benutzt werden, um
den Motor anzutreiben. Deshalb sind alle Formen von Waermestrahlung
geeignet, deren Temperatur hoch genug ist. Erzeugt werden kann diese
durch Verbrennung von gasfoermigen, fluessigen und festen Brennstoffen
oder durch Konzentrierung von Sonnenlicht. 

Abgasarmut:

Bei der Verwendung von Brennstoffen koennen durch die staendige
Verbrennung ausserhalb des Motors die besten Abgaswerte im Vergleich zu
Motoren mit innerer Verbrennung erreicht werden. So wird auch durch
effektivere Verbrennung weniger Brennstoff verbraucht, also auch weniger
Abgase produziert. Heizt man den Stirlingmotor mit Abwaerme oder unter
Verwendung von Sonnenlicht als Antriebsenergie entstehen keine Abgase. 

Geraeuscharmut:

Da keinerlei explosionsartige Vorgaenge im Inneren des Motors ablaufen
und auch keine Ventile vorhanden sind, entstehen nur wenig Laerm und
Erschuetterungen. 

Langlebigkeit:

Da keine Fremdstoffe in den Motor gelangen und die Einzelteile relativ
wenig belastet werden, kann man laengere Laufzeiten erwarten als bei
Otto- und Dieselmotoren. Auch wird das Getriebeoel nicht verbraucht oder
verschmutzt.

Sparsamer Verbrauch:

Der Stirlingmotor, soweit er korrekt konstruiert und gebaut ist, hat
einen Wirkungsgrad der gleich oder hoeher als bei den besten
Dieselmotoren ist. In Zukunft kann der Stirlingmotor mit neuen
Werkstoffen wie Keramik eine noch bessere Leistung und einen hoeheren
Wirkungsgrad erzielen.

 

Praktische Anwendung der Stirlingtechnologie

Der Stirlingmotor wird wird fuer diverse Antriebsmotoren, fuer
U-Bootantriebe und fuer den Modellbau verwendet.

 

Ein Ausblick auf die Zukunft

Aufgrund von Klima- und Gesundheitsschaeden sowie der begrenzten
Lagerstaetten von Erdgas, Erdoel, Kohle und Uran wird in Zukunft, neben
Energiesparen und der Verwendung von erneuerbarer Energie, die
umweltschonende Umwandlung von Primaerenergie in Energieformen, die wir
tagtaeglich brauchen eine immer groessere Rolle spielen.
Stirlingmaschinen sind wie kein anderer Energiewandler in der Lage,
Solarenergie und nachwachsende Brennstoffe emissionsarm und klimaneutral
fuer unsere Zwecke umzuwandeln. Dabei werden sie sich zuerst dort
durchsetzen, wo sie mit herkoemmlichen Otto- und Dieselmotoren nicht in
Konkurrenz stehen. 

Diese Anwendungsbereiche sind: 

— kleine und mittelgrosse Blockheizkraftwerke mit guenstigen
Betriebskosten, Brennstoff z.B. Holzhackschnitzel.

— kleine und mittelgrosse Waermepumpen, direkt mit Primaerenergie
kostenguenstig befeuert.

— Stirling — Kaeltemaschinen fuer Computer mit supraleitender
Elektronik, Infrarotsensoren, Wasserstoff- und Erdgasverfluessigung,
Kuehl- und Gefriergeraete. -Klimatisierung von Buerokomplexen und fuer
industrielle Verfahrensprozesse.

Diese Technik wird mithelfen, das Weltklima zu schonen, neue
Arbeitsplaetze schaffen und die volkswirtschaftlichen Kosten des
Energiesektors verringern. 

Immer mehr Menschen lassen sich von Stirlingmotoren begeistern. Wir
wollen hoffen, dass dies auch in so manchen Vorstandsetagen der Fall
sein wird.

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