Stirlingmotor

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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, 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.

Animation eines Stirlingmotors in Alpha-Konfiguration mit Regenerator
Ein mittels Spiritusbrenner betriebener Demonstrations-Stirlingmotor
Stirlingmotor in Betrieb.

Überblick[Bearbeiten]

Stirlingmotoren haben einen permanent erhitzten und einen permanent gekühlten Bereich, zwischen denen das Arbeitsgas hin und her bewegt wird. Im erwärmten Zylinderraum dehnt sich das Arbeitsgas aus und zieht sich im kalten Zylinder wieder zusammen, wobei die innere Energie des Arbeitsgases in nutzbare mechanische Arbeit umgewandelt wird. Ein Stirlingmotor kann von außen in umgekehrter Richtung angetrieben werden und arbeitet dann als Wärmepumpe, die – je nachdem, ob der heiße oder der kalte Bereich genutzt wird – als Kältemaschine oder Wärmepumpenheizung fungiert. 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. 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.
  • 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[Bearbeiten]

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.

Bauformen[Bearbeiten]

Allgemein[Bearbeiten]

Alle Bauformen basieren auf den gleichen vier Schritten, die den Stirlingmotor wahlweise als Wärmekraftmaschine oder Wärmepumpe arbeiten lassen. Allgemein lassen sich die jeweilige Schrittfolge und die zugehörigen Volumen folgendermaßen beschreiben:

Wärmekraftmaschine Wärmepumpe

1→2 Expansion des Heißvolumens bei Wärmezufuhr aus dem Heißreservoir
2→3 Gasaustausch vom Heiß- zum Kaltvolumen (Geringe Volumenänderung)
3→4 Kompression des Kaltvolumens bei Wärmeabgabe an das Kaltreservoir
4→1 Gasaustausch vom Kalt zum Heißvolumen (Geringe Volumenänderung)

1→2 Expansion des Kaltvolumen bei Wärmeentzug aus dem Kaltreservoir
2→3 Gasaustausch vom Kalt- zum Heißvolumen (Geringe Volumenänderung)
3→4 Kompression des Heißvolumen bei Wärmeabgabe an das Warmreservoir (Kühlung)
4→1 Gasaustausch vom Heiß- zum Kaltvolumen (Geringe Volumenänderung)

Zeitdiagramm für einen Stirlingmotor als Wärmekraftmaschine
Zeitdiagramm für einen Stirlingmotor als Wärmepumpe

Im Folgenden wird der Stirlingmotor der Einfachheit halber nur noch als Wärmekraftmaschine beschrieben. Der Einfachheit halber zeigen die meisten Grafiken, die den Stirlingmotor abbilden zwei um 90° versetzte Kolben. Abhängig vom Hubraum der beiden Kolben und dem vorhandenen Temperaturgefälle muss das jedoch nicht immer der Fall sein.

Alpha-Konfiguration[Bearbeiten]

Ein Alpha-Stirling besteht aus zwei Kolben in getrennten Zylindern. Ein Kolben ist heiß, der andere kalt und eilt um 90° hinter dem heißen her. Der heiße Zylinder ist in einem Hochtemperatur-Wärmetauscher eingebettet, der kalte in einem Niedertemperatur-Wärmetauscher. Dieser Motortyp hat eine hohe Literleistung. Allerdings kann es durch die hohen Temperaturen im heißen Zylinder zu Problemen mit den Dichtungen kommen.

Die Alpha-Stirling-Konfiguration ist auch als Ridermotor (benannt nach Alexander Kirk Rider) bekannt.[2]

Beta-Konfiguration[Bearbeiten]

Stirling-Kreisprozess mit einer Beta-Konfiguration

Im abgeschlossenen Gasraum bewegen sich bei der Beta-Konfiguration in einem gemeinsamen Zylinder zwei Kolben: der von vielen dünnen Kanälen durchbohrte Verdrängerkolben mit integriertem Regenerator und der Arbeitskolben. Beide Kolben arbeiten mit um 90 Grad versetzten Kurbeltrieben auf einem Schwungrad. Die nutzbare Arbeit wird alleine vom Arbeitskolben aufgebracht, der Verdrängerkolben wird nur bewegt, um das Gas zwischen dem Heiß- und Kaltbereich zu verschieben und dessen Wärmeenergie zwischenzuspeichern. Der Arbeitsablauf kann in die folgenden vier Takte unterteilt werden:

Bild 1→ Bild 2: Der Regenerator ist am oberen Totpunkt, das Gas befindet sich unten im heißen Bereich. Durch Wärmezufuhr wird es erhitzt, dehnt sich aus und schiebt den Arbeitskolben nach oben. Durch die Bewegung des Arbeitskolbens wird auch der Verdrängerkolben bewegt aber das Heißvolumen überwiegt stehts. In diesem Takt wird das Schwungrad angetrieben, weil der Druck p des Gases auf die Fläche A des Arbeitskolbens eine Kraft F ausübt.

Bild 2→ Bild 3: Das Schwungrad dreht sich aufgrund seiner Massenträgheit weiter, das Gesamtvolumen bleibt in diesem Schritt fast unverändert am oberen Punkt. Der Verdrängerkolben schiebt nun das Gas vom heißen in den kalten Bereich, wodurch es den Regenerator erwärmt und selbst abkühlt. Der Verdrängerkolben übernimmt die wichtige Aufgabe eines Wärmespeichers und muss deshalb ausreichend Masse besitzen. Im kalten Bereich wird das Gas durch Kühlrippen oder durch einen wassergekühlten Mantel weiter abgekühlt, wodurch der Druck sinkt.

Bild 3→ Bild 4: Nun gilt es zu unterscheiden: Wenn im Stirlingmotor ein hoher Innendruck herrscht, muss Arbeit zugeführt werden, um den Arbeitskolben wieder zurückzuschieben, weil dafür das unter hohem Druck stehende aber kalte Gas komprimiert werden muss. Die Arbeit, die zugeführt werden muss, ist deutlich geringer als die abgeführte Arbeit bei der Heißexpansion und wird vom Schwungrad aufgebracht. Herrscht im Stirlingmotor dagegen ein geringer Innendruck, so kann auch bei diesem Takt Arbeit verrichtet werden, indem die Außenluft auf den Kolben des Stirlingmotors drückt.

Bild 4→ Bild 1: Das Schwungrad dreht sich weiter, der Regenerator wird nach oben bewegt und verschiebt das Gas aus dem oberen kühlen Bereich in den heißen Bereich und erwärmt es dabei mit der Wärme, die im zweiten Takt gespeichert wurde. Der Zyklus beginnt von vorne.

Einen prinzipiellen Nachteil der „sanften“ Bewegung des Regenerators erkennt man im Schritt von Bild 1→ Bild 2. Obwohl dieser seinen oberen Totpunkt durchläuft hat, bewegt sich der Kolben weiter nach oben. Dadurch kann Gas nach oben entweichen und wird dort gekühlt statt unterhalb des Regenerators aufgeheizt zu werden. Dieser systematische Fehler ließe sich vermeiden, wenn der Regenerator in diesem Schritt eng am Kolben anliegen würde. Der Flachplatten-Stirlingmotor ist diesbezüglich besser konstruiert.

Spezialisierungen und Varianten[Bearbeiten]

Thermodynamik[Bearbeiten]

Zustandsänderungen[Bearbeiten]

p-V-Diagramm des Stirling-Prozesses
Stirling-Kreisprozess (schwarze linie) und realer Stirlingmotor (gelb)

Beim Stirling-Kreisprozess besteht der Kreisprozess aus zwei isothermen Zustandsänderungen und zwei isochoren Zustandsänderungen die sich periodisch wiederholen. Dieser dient als Vorlage für das Verständnis des Stirlingmotors, wird aber nur bei idealisierten Betrachtungen erreicht, das im unteren pV-Diagramm mit der gelben Fläche verdeutlicht wird.

Takt 1→2 ist eine isotherme Ausdehnung ausgehend vom Volumen V1 auf das Volumen V2, bei der vom Gas Arbeit verrichtet und die Temperatur bei To gehalten wird. Die zugeführte Wärme Qzu um die Temperatur zu halten entspricht der verrichteten Arbeit Wab nach der Formel:

Q_{zu} = W_{ab} = n\cdot R\cdot T_o \cdot \ln \frac{V_2}{V_1} = \frac{m}{M}\cdot R\cdot T_o \cdot \ln \frac{V_2}{V_1}

Die isotherme Ausdehnung und damit die Arbeitsfähigkeit des Stirlingmotors wird maximal, wenn ein Arbeitsgas gewählt wird, das eine hohe spezifische Gaskonstante und eine niedrige molare Masse aufweist. Deswegen sind Wasserstoff und Helium die bevorzugten Arbeitsgase für Stirlingmotoren. Der Nachteil von Wasserstoff ist aber einerseits der erforderliche Explosionsschutz und die Abdichtung gegen Entweichung.

Takt 2→3 ist eine isochore Abkühlung, bei der das Gas durch Wärmeabgabe an den Regenerator seine Temperatur von To auf Tu ändert. Die Wärmemenge beträgt:

Q_{2,3} = n\cdot C_V\cdot (T_u - T_o)

Takt 3→4 ist eine isotherme Kompression bei der Temperatur Tu, deren zugeführte Volumenänderungsarbeit Wzu gleich der abzuführenden Wärmemenge Qab ist:

Q_{ab} = W_{zu} = n\cdot R\cdot T_u \cdot \ln \frac{V_3}{V_4}

Takt 4→1 ist eine isochore Erwärmung von der Temperatur Tu auf To, deren Wärme vom Regenerator stammt und an das Gas abgegeben wird. Die Wärmemenge beträgt Q2,3 und berechnet sich wie folgt:

Q_{4,1} = n\cdot C_V\cdot (T_o - T_u)=\frac{m}{M}\cdot C_V\cdot (T_o - T_u)

Eine niedrige molare Masse kann die Effizienz und Leistung des Motors erhöhen. Je größer der Ausdruck \frac{C_V}{M} ist, um so kompakter kann der Motor gebaut werden. Wasserstoff und Helium haben die höchste Wärmeleitfähigkeit, dadurch können die Wärmetauscher kompakt gestaltet werden. Wasserstoff hat zusätzlich den Vorteil der kleinsten Viskosität aller Gase, wodurch die geringsten Gasreibungsverluste auftreten. Wasserstoff hat etwa die 2,7-fache Wärmekapazität von Helium, das selbst eine 4,7-fache Wärmekapazität gegenüber Luft hat.

Für die Zustandsänderungen gilt unter Verwendung folgender Abkürzungen:

  • Q, W = Wärmemenge, Arbeit in J
  • n = Stoffmenge des Arbeitsgases in mol
  • m = Masse des Arbeitsgases in g
  • M=\frac{m}{n} = Molmasse des Arbeitsgases in g/mol
  • C_v = Molare Wärmekapazität bei v=konst. in J mol−1 K−1
  • R = Universelle Gaskonstante in J mol−1 K−1
  • T_o,T_u = obere, untere Prozesstemperatur in K
  • V_2,V_3, V_\text{UT} = Volumen im unteren Totpunkt in m³
  • V_1, V_4, V_\text{OT} = Volumen im oberen Totpunkt in m³

Nutzarbeit[Bearbeiten]

Energiebilanz

Die von der Maschine verrichtete Arbeit entspricht im oben dargestellten pV-Diagramm der vom Graphen umschlossenen Fläche. Im T-s-Diagramm wird die Arbeit in diesem Fall als Differenz der zugeführten und abgeführten Wärme dargestellt und ergibt die schraffierte Fläche. Die Nutzarbeit WNutzt lässt sich aus der Energiebilanz entsprechend der rechten Skizze ermitteln:

Q_\text{zu}= Q_\text{ab} + W_\text{Nutz}
W_\text{Nutz} = Q_{zu} - |Q_{ab}|

Mit obigen Beziehungen für Qzu und Qab wird

W_\text{Nutz} = n\cdot R\cdot T_o \cdot \ln \left(\frac{V_2}{V_1}\right) - n\cdot R\cdot T_u \cdot \ln \left( \frac{V_3}{V_4} \right) \ .

Setzt man für die Volumenverhältnisse

\frac{V_2}{V_1} = \frac{V_3}{V_4} = \frac{V_{UT}}{V_{OT}},

erhält man für die Nutzarbeit:

W_\text{Nutz}=n\cdot R \cdot (T_o -T_u) \cdot \ln \left( \frac{V_{UT}}{V_{OT}} \right)

Wirkungsgrad[Bearbeiten]

Carnot-Wirkungsgrade für 3 verschiedene Anfangstemperaturen

Basis für den Wirkungsgrad des Stirlingmotors bildet wie für alle thermodynamischen Maschinen der Carnot-Wirkungsgrad:

\eta=1-\frac{T_u}{T_o}

In Wirklichkeit entspricht der tatsächliche Kreisprozess nie dem optimalen Carnot-Prozess. Die obere Prozesstemperatur übersteigt aus materialtechnischen Gründen selten 800 Kelvin (527 °C) und das Arbeitsgas im Kaltraum kann in diesem Falle kaum unter 400 Kelvin (127 °C) gekühlt werden. Stirlingmotoren, die befeuert werden, haben einen noch weit niedrigeren Wirkungsgrad, da der größte Teil der Wärmemenge vom Brennstoff nicht auf das Arbeitsgas übertragen werden kann. Das Abgas kann jedoch durch Vorwärmung der Verbrennungsluft mit einem Abgas-Wärmetauscher genutzt und damit die Verluste verringert werden. Bei Niedertemperaturmaschinen, die z. B. von der nicht konzentrierten Sonnenstrahlung erhitzt werden, ist der Carnot-Wirkungsgrad entsprechend klein (z. B. 10 %). Die Verluste gegenüber der Carnot-Bedingung können jedoch gering gehalten werden.

Gegenwärtig werden Stirlingmotoren oft zum Antrieb kleiner Blockheizkraftwerke (BHKW) angeboten, da sie weniger Geräusch verursachen als Verbrennungsmotoren. BHKW mit Stirlingmotoren haben jedoch auch hier einen weit geringeren Wirkungsgrad. Das Verhältnis zwischen der Strom- (el.) und Wärmeproduktion (th.) beträgt nur ca. 1:6[3], während BHKW mit Verbrennungsmotoren 1:2,5 erreichen. Deshalb sind heutige BHKW mit Stirlingmotor nur geeignet, wenn mit deren „schlechtem“ Wirkungsgrad hauptsächlich Raumwärme erzeugt werden soll oder wenn die Energiequelle extrem günstig ist.

Merkmale[Bearbeiten]

Stirlingmotor mit Rhombengetriebe

Vorteile[Bearbeiten]

  • 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 1982). Auch ein Betrieb mit Eiswasser als Kühlmittel ist möglich.
  • Wenn die Wärmeerzeugung durch Verbrennung geschieht, sind beliebige Brennstoffe möglich. Die Verbrennung erfolgt kontinuierlich und erlaubt so günstige Abgaswerte.
  • Stirlingmotoren haben eine geringe Geräuschentwicklung, da sie weder Explosions- noch Auspuffgeräusche produzieren.
  • Der Verbrauch an Schmieröl in den Zylindern ist gering oder gleich null.
  • Stirlingmotoren erzeugen hohe Drehmomente vor allem bei niedrigen Drehzahlen.
  • Bestimmte Bauformen können selbständig unter Last anlaufen.

Nachteile[Bearbeiten]

Der theoretische Stirlingprozess kann in der Praxis nicht perfekt realisiert werden. Der reale Wirkungsgrad eines Stirlingmotors ist im hohen Maße abhängig vom Wirkungsgrad der Wärmeübertrager für Wärmeeintrag und Wärmeabfuhr. Grob gesagt: Je größer diese ausgelegt werden, desto besser. Die Größe und Masse des Motors steigen entsprechend an. Neben den damit verbundenen Materialkosten bedeutet das resultierende Leistungsgewicht Einschränkungen der nutzbaren Einsatzfälle.

Die Wärmeübertrager müssen außerdem für den Druck des Arbeitsfluids ausgelegt sein, wobei zu Gunsten einer hohen Leistung meist auch ein möglichst hoher Druck erwünscht ist. Zusätzlich ist der Wärmetauscher auf der Expansionsseite typischerweise auf einer hohen Temperatur. Dies stellt besondere Anforderungen an die verwendeten Materialien, wie eine geringe Kriechneigung, und Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion durch die Wärmequelle. Die Kosten für einen geeigneten Hochtemperaturwärmetauscher können typischerweise 40 % der Gesamtkosten des Motors betragen.[4]

Für einen wirtschaftlichen Betrieb ist grundsätzlich eine hohe Temperaturdifferenz erwünscht. Bei höheren Umgebungstemperaturen (Stichwort: Entwicklungsländer) verringert sich die Leistung.

Ein Stirlingmotor kann nicht sofort anlaufen. Bevor die thermodynamischen Prozesse gemäß der Auslegung des Motors ablaufen, benötigt er eine Aufwärmphase. Dies gilt zwar für alle Motoren mit äußerer Verbrennung, jedoch ist die Aufwärmzeit für Stirlingmotoren typischerweise länger als beispielsweise für Dampfmaschinen.

Stirlingmotoren eignen sich am besten für Anwendungen, wo eine konstante Drehzahl und eine konstante Leistung erwünscht sind. Eine Steuerung der Motorleistung, wie sie beispielsweise für Kraftfahrzeuge erforderlich ist, bedeutet zusätzlichen Mehraufwand und Komplexität des Motors. Realisierte Ansätze sind:

  • Veränderung der Wärmezufuhr, welche eine sehr einfache Steuerung der Motorleistung bewirkt. Diese ist aber sehr langsam.
  • Veränderung des Hubraums durch ein zusätzliches Getriebe (üblicherweise mit einer Taumelscheibe und einer Kurbelwelle)
  • Veränderung der Menge des Arbeitsmediums bzw. dessen Betriebsdruck durch Zupumpen oder Abblasen von Arbeitsgas.
  • Veränderung der Phasenverschiebung zwischen Arbeitskolben und Verdrängerkolben

Anwendungen[Bearbeiten]

Immer wieder wird Stirlingmotoren nachgesagt, sie seien die Motoren der Zukunft. Bisher haben sie sich aber nicht auf breiter Front durchgesetzt. Trotzdem wurden verschiedenste Anwendungen realisiert.

Anwendungsbereiche sind:

Für zukünftige Raumfahrtprojekte wird unter anderem von der NASA ein Generator mit radioaktiven Wärmequellen (z. B. Plutonium-238) entwickelt. Das als ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator) bezeichnete Aggregat zur Energieversorgung von Satelliten und Landern soll gegenüber herkömmlichen Radioisotopengeneratoren einen bis zu viermal höheren Wirkungsgrad haben, was Gewicht und Kosten spart, da weniger Plutonium mitgeführt werden muss.[5][6]

Darüber hinaus wird daran gearbeitet, Stirlingmotoren als Wasserpumpen in der Dritten Welt einzusetzen, wobei als Wärmequelle nicht oder wenig konzentrierte Sonneneinstrahlung verwendet wird. Es wurden verschiedene Modelle getestet, der Wirkungsgrad der Maschinen wurde mit 10–13 % angegeben, 5 % für die ganze Solarpumpe. Der große Vorteil gegenüber Dieselmotoren wäre der wesentlich geringere Unterhalts- und Wartungsaufwand.

In der Medizintechnik wird derzeit 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 Watt bei einer Leistungsabgabe von 3,3 Watt und wird derzeit an Tieren erprobt.

Umkehrung des Kreisprozesses[Bearbeiten]

Der Stirlingmotor kann als Kältemaschine oder Wärmepumpe eingesetzt werden, indem seine Kurbelwelle angetrieben wird. Genau genommen bezeichnet diese Anwendung deshalb keinen Motor. Anstatt mechanische Arbeit abzugeben, wird Wärme vom kalten in den heißen Bereich befördert. In diesem Fall läuft der umgekehrte, also ein linksläufiger Stirling-Kreisprozess in der Maschine ab. Eine häufige Anwendung ist diejenige als Kühlaggregat in hochwertigen Wärmebildkameras. Eine technische Besonderheit des Stirlingmotors ist die Möglichkeit der extremen Miniaturisierung. Das macht die Anwendung als Kältemaschine oder Wärmepumpe besonders geeignet für den Einsatz in Satelliten und Raumschiffen. Muss hingegen auf mechanisch bewegte Teile verzichtet werden, kann statt eines Stirling-Aggregats ein Pulsröhrenkühler zur Anwendung kommen, der den gleichen thermodynamischen Kreisprozess realisiert.

Geschichte[Bearbeiten]

Philips-Stirlingmotor von 1953
180 Watt, 9,5 bar Arbeitsdruck

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.

Eine erste Blüte erlebte der Stirlingmotor am Ende des 19. Jahrhunderts als Einzelenergiequelle in den Privathaushalten des aufkommenden Bürgertums. In für damalige Verhältnisse kleinen Ausführungen war er ein Massenprodukt des Fabrikanten Louis Heinrici 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 1930er Jahren durch die niederländische Firma Philips. Das Unternehmen baute in dieser Zeit große Mengen Radios für den Export und suchte nach einer leicht zu bedienenden transportablen Kraftmaschine für die Stromversorgung der energieintensiven Elektronenröhren in Gegenden ohne Versorgung mit elektrischer Energie. 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

  • läuft völlig ohne Unwucht, ist also frei von Massenkräften und -momenten erster und zweiter Ordnung,
  • lässt sich beinahe beliebig verkleinern und
  • eliminiert die Radiallasten aus dem Kurbeltrieb auf den Kolben, was die Reibung und den Verschleiß minimiert,

hatte jedoch das Problem der Dauerfestigkeit der Dichtung zwischen den beiden Kolbenstangen, was aber mit modernen Werkstoffen und Fertigungsverfahren heute beherrschbar ist.

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.[7]

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

In Verbindung mit dem Kraft-Wärme-Kopplung-Gesetz (KWK-Gesetz) sind jüngst wieder Vorhaben bekannt geworden, den Stirlingmotor einer breiteren Anwendung zuzuführen. Eine Freikolben-Wärmekraftmaschine, bei der die Arbeitsmaschine (z. B. Generator) von einem Stirlingmotor angetrieben wird (sie besteht also aus zwei Teilen, dem Generator und dem Stirlingmotor),[8] hat den großen Vorteil, dass nur noch zwei axial belastete Teile vorhanden sind und beim Betrieb keine Radialkräfte auftreten, deren zusätzliche Reibungsverluste nur durch eine aufwändige Schmierung minimiert, aber nicht ganz vermieden werden können.

Neben der Gasturbine (ein bewegtes Teil) ist der Freikolben-Stirlingmotor-Generator (zwei bewegte Teile) daher eine Wärmekraftmaschine, die ohne weitere reibungsbehaftete Teile wie Pleuel, Kurbelwelle oder gar Ventilsteuerung auskommt. Daher kann ein Freikolben-Stirlingmotor kostengünstig hergestellt und verschleißarm betrieben werden.

Galerie[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Reinhold Bauer, Gescheiterte Innovationen: Fehlschläge und technologischer Wandel, Campus Verlag, 2006, Seiten 194 ff. ISBN 978-3-593-37973-9
  • Martin Werdich, Kuno Kübler: Stirling-Maschinen. Grundlagen – Technik – Anwendung, ökobuch-Verlag, ISBN 3-922964-96-6 (11. Aufl. 2007) – Einführung in das Thema mit Beschreibung vieler Bauformen und Anwendungen.
  • Fritz Steimle, Jürgen Lamprichs, Peter Beck: Stirling-Maschinen-Technik, C. F. Müller-Verlag, ISBN 3-7880-7773-5 (2. Aufl. 2007) – Grundlagen, Konzepte, Entwicklungen, Anwendungen
  • Frank Schleder: Stirlingmotoren – thermodynamische Grundlagen, Kreisprozessrechnung, Niedertemperatur- und Freikolbenmotoren. Vogel Würzburg 2008, ISBN 978-3-8343-3116-8
  • Brent H.Van Arsdel: Around the world by Stirling engine – environmentally friendly Stirling engines, their applications worldwide and into space. American Stirling Co., San Diego 2003, ISBN 978-0-9713918-0-2
  • Ivo Kolin: Stirling motor – history, theory, practice. Zagreb Univ. Publ., Dubrovnik 1991
  • Colin D. West: Principles and applications of Stirling engines. Van Nostrand Reinhold, New York 1986, ISBN 0-442-29273-2
  • Gustav Schmidt: Theorie der Lehmann'schen calorischen Maschine, in: Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure, 1871 Band XV Heft 1 Januarheft Seiten 1–12 dazu Tafel III und Heft 2 Februarheft Seiten 97 bis 112
  • Dieter Viebach: „Der Stirlingmotor einfach erklärt und leicht gebaut“, ökobuch-Verlag, ISBN 978-3-936896-31-2 (8. verbesserte Auflage 2009) Einführung in die Stirlingmotor Technologie, ein 0,5 kW Experimentalmotor vorgestellt, Baupläne für 3 Modelle ohne Dreh- und Fräsarbeiten für Schüler und Azubis.

Weblinks[Bearbeiten]

 Wikibooks: Stirlingmotoren – Lern- und Lehrmaterialien
 Commons: Stirlingmotoren – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Stirlingmotor – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Dieter Viebach: Der Stirlingmotor: einfach erklärt und leicht gebaut, ökobuch-Verlag, ISBN 3-922964-70-2 (1. Aufl. 1998), S. 82.
  2. http://www.stirling-und-mehr.de/Definition_Stirlingmotor_Ridermotor.html
  3. http://www.senertec.de/de/derdachs/dachs-stirling.html
  4. C.M. Hargreaves: The Philips Stirling Engine. Elsevier Science, 1991, ISBN 0-444-88463-7.
  5. Development of Advanced Stirling Radioisotope Generator for Space Exploration NASA-Dokument, Englisch
  6. MSL-Verschiebung und neue Energiequellen, www.raumfahrer.net, 9. Januar 2009
  7. Bauer, Seiten 194 ff.
  8. Generator und dem Stirlingmotor (PDF; 682 kB)