Stirlingmotor
Ein Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die durch die zyklische Kompression und Expansion von Luft oder einem anderen Gas (dem Arbeitsmedium) zwischen verschiedenen Temperaturen betrieben wird, was zu einer Nettoumwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit führt. ⓘ
Genauer gesagt ist der Stirlingmotor eine regenerative Wärmekraftmaschine mit geschlossenem Kreislauf und einem permanenten gasförmigen Arbeitsmedium. Geschlossener Kreislauf bedeutet in diesem Zusammenhang ein thermodynamisches System, in dem das Arbeitsmedium permanent im System enthalten ist, und regenerativ beschreibt die Verwendung eines bestimmten Typs von internem Wärmetauscher und Wärmespeicher, der als Regenerator bezeichnet wird. Streng genommen unterscheidet sich der Stirlingmotor von anderen Heißluftmotoren mit geschlossenem Kreislauf durch die Einbeziehung des Regenerators. ⓘ
Im Stirlingmotor wird ein Gas durch Energiezufuhr von außerhalb des Motorinnenraums (Zylinder) erhitzt und expandiert. Anschließend wird es an eine andere Stelle innerhalb des Motors geleitet, wo es abgekühlt und komprimiert wird. Ein Kolben (oder mehrere) bewegen das Gas zum richtigen Zeitpunkt an die richtigen Stellen im Motor und entziehen ihm mechanische Leistung. Das Gas pendelt zwischen diesen Heiz- und Kühlräumen hin und her und verändert dabei Temperatur und Druck. Ein einzigartiges Merkmal ist der Regenerator, der als vorübergehender Wärmespeicher fungiert, indem er die Wärme in der Maschine zurückhält, anstatt sie an die Wärmesenke abzugeben, und so den Wirkungsgrad der Maschine erhöht. ⓘ
Die Wärme wird von außen zugeführt, so dass der heiße Bereich des Motors mit jeder externen Wärmequelle erwärmt werden kann. Ebenso kann der kühlere Teil des Motors durch eine externe Wärmesenke, z. B. fließendes Wasser oder einen Luftstrom, aufrechterhalten werden. Das Gas wird permanent im Motor gehalten, so dass ein Gas mit den am besten geeigneten Eigenschaften verwendet werden kann, z. B. Helium oder Wasserstoff. Es gibt keine Ansaug- und Abgasströme, so dass die Maschine praktisch geräuschlos ist. ⓘ
Die Maschine ist reversibel, d. h., wenn die Welle durch eine externe Energiequelle gedreht wird, entsteht ein Temperaturunterschied in der Maschine, so dass sie wie eine Wärmepumpe wirkt. ⓘ
Der Stirling-Motor wurde 1816 von dem Schotten Robert Stirling als industrielle Antriebsmaschine erfunden, die mit der Dampfmaschine konkurrieren sollte, und sein praktischer Einsatz beschränkte sich über ein Jahrhundert lang weitgehend auf Haushaltsanwendungen mit geringer Leistung. ⓘ
Die heutigen Investitionen in erneuerbare Energien, insbesondere in die Solarenergie, haben dazu geführt, dass er in der konzentrierten Solarenergie und als Wärmepumpe eingesetzt wird. ⓘ
Gängige Stirlingmotoren („Standardmaschine“) speichern die im Arbeitsgas enthaltene innere Energie auf dem Weg vom heißen zum kalten Raum in einem Speicher (Regenerator), um den Wirkungsgrad zu verbessern. Der Regenerator gibt die Wärme wieder ab, wenn das Gas vom kalten zum heißen Raum strömt. Stirlingmotoren werden meistens als Kolbenmaschinen ausgeführt, es gibt jedoch weitere Bauformen. ⓘ
Bei manchen Bauformen genügt als Antrieb bereits eine geringe Temperaturdifferenz, zum Beispiel die zwischen menschlichem Körper und der Umgebung. ⓘ
Geschichte
Frühe Heißluftmotoren
Robert Stirling gilt als einer der Väter des Heißluftmotors, auch wenn es einige frühere Vorgänger gab, insbesondere Guillaume Amontons, dem 1699 der Bau des ersten funktionierenden Heißluftmotors gelang. ⓘ
Amontons wurde später von Sir George Cayley abgelöst. Dieser Maschinentyp gehörte zu denjenigen, bei denen das Feuer eingeschlossen ist und durch Luft gespeist wird, die in ausreichender Menge unter den Rost gepumpt wird, um die Verbrennung aufrechtzuerhalten, während der weitaus größte Teil der Luft über dem Feuer eintritt, um erhitzt und expandiert zu werden; das Ganze wirkt dann zusammen mit den Verbrennungsprodukten auf den Kolben und strömt durch den Arbeitszylinder; und da es sich um einen einfachen Mischvorgang handelt, ist keine Heizfläche aus Metall erforderlich, da die zu erhitzende Luft unmittelbar mit dem Feuer in Berührung gebracht wird. ⓘ
Stirling entwickelte 1816 einen ersten Luftmotor. Das Prinzip des Stirling-Luftmotors unterscheidet sich von dem des Sir George Cayley (1807), bei dem die Luft durch den Ofen gepresst und wieder abgesaugt wird, während bei Stirlings Motor die Luft in einem geschlossenen Kreislauf arbeitet. Dem widmete der Erfinder die meiste Aufmerksamkeit. ⓘ
Ein 2-PS-Motor (1,5 kW), der 1818 für das Pumpen von Wasser in einem Steinbruch in Ayrshire gebaut wurde, funktionierte einige Zeit lang, bis ein unvorsichtiger Wärter die Heizung überhitzen ließ. Dieses Experiment bewies dem Erfinder, dass der Motor wegen des geringen Arbeitsdrucks nur für kleine Leistungen geeignet war, für die es zu dieser Zeit keinen Bedarf gab. ⓘ
Das Stirling-Patent von 1816 betraf ebenfalls einen "Economiser", den Vorgänger des Regenerators. In diesem Patent (Nr. 4081) beschreibt er die "Economiser"-Technologie und mehrere Anwendungen, bei denen diese Technologie eingesetzt werden kann. Daraus ergab sich eine neue Anordnung für einen Heißluftmotor. ⓘ
Stirling patentierte 1827 zusammen mit seinem Bruder James einen zweiten Heißluftmotor. Sie kehrten die Konstruktion um, so dass sich die heißen Enden der Verdränger unter der Maschine befanden, und fügten eine Druckluftpumpe hinzu, so dass der Druck der Luft im Inneren auf etwa 20 Standardatmosphären (2.000 kPa) erhöht werden konnte. ⓘ
Den beiden Brüdern Stirling folgten kurz darauf (1828) Parkinson & Crossley und Arnott im Jahr 1829. ⓘ
Diese Vorreiter, zu denen auch Ericsson zu zählen ist, haben der Welt die Heißluftmotorentechnik und ihre enormen Vorteile gegenüber der Dampfmaschine nahe gebracht. Jeder von ihnen brachte seine eigene spezifische Technologie mit, und obwohl der Stirlingmotor und die Motoren von Parkinson & Crossley recht ähnlich waren, zeichnete sich Robert Stirling durch die Erfindung des Regenerators aus. ⓘ
Parkinson und Crosley führten das Prinzip ein, Luft mit einer höheren Dichte als die der Atmosphäre zu verwenden, und erreichten so einen Motor mit größerer Leistung im gleichen Umfang. James Stirling verfolgte dieselbe Idee, als er den berühmten Dundee-Motor baute. ⓘ
Das Stirling-Patent von 1827 bildete die Grundlage für das dritte Stirling-Patent von 1840. Die Änderungen gegenüber dem Patent von 1827 waren geringfügig, aber wesentlich, und dieses dritte Patent führte zum Dundee-Motor. ⓘ
James Stirling stellte seine Maschine 1845 der Institution of Civil Engineers vor. Der erste Motor dieser Art, der nach verschiedenen Modifikationen effizient konstruiert und beheizt wurde, hatte einen Zylinder mit einem Durchmesser von 30 Zentimetern und einem Hub von 60 Zentimetern und leistete 40 Hübe oder Umdrehungen in der Minute (40 U/min). Dieser Motor trieb acht oder zehn Monate lang alle Maschinen in den Werken der Dundee Foundry Company an und war in der Lage, 320.000 kg (700.000 lbs) in einer Minute um 60 cm anzuheben, was einer Leistung von etwa 16 Kilowatt (21 Pferdestärken) entspricht. ⓘ
Die Dundee Foundry Company fand, dass diese Leistung für ihr Werk nicht ausreichte, und baute eine zweite Maschine mit einem Zylinder von 40 Zentimetern Durchmesser und einem Hub von 1,2 Metern, die 28 Hübe in der Minute schaffte. Als diese Maschine über zwei Jahre lang ununterbrochen in Betrieb war, hatte sie nicht nur die Arbeit in der Gießerei in höchst zufriedenstellender Weise verrichtet, sondern war (durch eine Reibungsbremse an einem dritten Antrieb) so weit getestet worden, dass sie fast 687 Tonnen (1.500.000 Pfund) heben konnte, was einer Leistung von etwa 34 Kilowatt (45 Pferdestärken) entsprach. ⓘ
Erfindung und frühe Entwicklung
Der Stirlingmotor (oder Stirlings Luftmotor, wie er damals genannt wurde) wurde 1816 erfunden und patentiert. Er folgte früheren Versuchen, einen Luftmotor zu bauen, wurde aber wahrscheinlich zum ersten Mal in der Praxis eingesetzt, als 1818 ein von Stirling gebauter Motor zum Pumpen von Wasser in einem Steinbruch verwendet wurde. Der Hauptgegenstand von Stirlings ursprünglichem Patent war ein Wärmetauscher, den er als "Economiser" bezeichnete, weil er den Kraftstoffverbrauch in einer Vielzahl von Anwendungen verbesserte. Das Patent beschrieb auch detailliert den Einsatz einer Form des Economisers in seinem einzigartigen Luftmotor mit geschlossenem Kreislauf, der heute allgemein als "Regenerator" bezeichnet wird. Die anschließende Entwicklung durch Robert Stirling und seinen Bruder James, einen Ingenieur, führte zu Patenten für verschiedene verbesserte Konfigurationen des ursprünglichen Motors, einschließlich der Druckbeaufschlagung, die bis 1843 die Leistung ausreichend steigerte, um alle Maschinen in einer Eisengießerei in Dundee anzutreiben. ⓘ
In einem Papier, das James Stirling im Juni 1845 der Institution of Civil Engineers vorstellte, hieß es, dass sein Ziel nicht nur darin bestand, Brennstoff zu sparen, sondern auch eine sicherere Alternative zu den damaligen Dampfmaschinen zu schaffen, deren Kessel häufig explodierten und zahlreiche Verletzungen und Todesfälle verursachten. Dies ist jedoch umstritten. ⓘ
Die Notwendigkeit, Stirlingmotoren bei sehr hohen Temperaturen zu betreiben, um die Leistung und den Wirkungsgrad zu maximieren, brachte die damaligen Werkstoffe an ihre Grenzen, und die wenigen Motoren, die in jenen frühen Jahren gebaut wurden, erlitten unannehmbar häufig Ausfälle (wenn auch mit weit weniger katastrophalen Folgen als Kesselexplosionen). So wurde beispielsweise die Gießereimaschine von Dundee nach drei Ausfällen des heißen Zylinders in vier Jahren durch eine Dampfmaschine ersetzt. ⓘ
Späteres 19. Jahrhundert
Nach der Ersetzung des Dundee-Gießereimotors gibt es keine Aufzeichnungen über eine weitere Beteiligung der Gebrüder Stirling an der Entwicklung von Luftmotoren, und der Stirlingmotor konkurrierte nie wieder mit Dampf als industrieller Energiequelle. (Dampfkessel wurden immer sicherer, z. B. der Hartford Steam Boiler, und Dampfmaschinen immer effizienter, so dass sie weniger Angriffsfläche für konkurrierende Antriebsmaschinen boten). Ab etwa 1860 wurden jedoch kleinere Stirling-/Heißluftmotoren in großer Zahl für Anwendungen hergestellt, bei denen zuverlässige Quellen niedriger bis mittlerer Leistung benötigt wurden, z. B. zum Pumpen von Luft für Kirchenorgeln oder zum Heben von Wasser. Diese kleineren Motoren wurden im Allgemeinen bei niedrigeren Temperaturen betrieben, um die verfügbaren Materialien nicht zu belasten, und waren daher relativ ineffizient. Ihr Verkaufsargument war, dass sie im Gegensatz zu Dampfmaschinen von jedem, der mit einem Feuer umgehen konnte, sicher betrieben werden konnten. Im Katalog der Rider-Ericsson Engine Co. von 1906 hieß es, dass "jeder Gärtner oder gewöhnliche Hausmann diese Maschinen bedienen kann und kein lizenzierter oder erfahrener Ingenieur erforderlich ist". Mehrere Typen wurden bis über das Ende des Jahrhunderts hinaus produziert, doch abgesehen von einigen geringfügigen mechanischen Verbesserungen stagnierte die Konstruktion des Stirlingmotors in dieser Zeit im Allgemeinen. ⓘ
Wiederbelebung im 20. Jahrhundert
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde die Rolle des Stirlingmotors als "Haushaltsmotor" allmählich von Elektromotoren und kleinen Verbrennungsmotoren abgelöst. In den späten 1930er Jahren geriet er weitgehend in Vergessenheit und wurde nur noch für Spielzeug und einige kleine Ventilatoren hergestellt. ⓘ
Zu dieser Zeit versuchte Philips, den Verkauf seiner Radios auf Teile der Welt auszudehnen, in denen Netzstrom und Batterien nicht durchgängig verfügbar waren. Die Geschäftsleitung von Philips beschloss, dass das Angebot eines tragbaren Generators mit geringer Leistung den Verkauf erleichtern würde, und beauftragte eine Gruppe von Ingenieuren im Forschungslabor des Unternehmens in Eindhoven, alternative Möglichkeiten zur Erreichung dieses Ziels zu prüfen. Nach einem systematischen Vergleich verschiedener Antriebsaggregate entschied sich das Team für den Stirling-Motor, weil er leise arbeitet (sowohl akustisch als auch in Bezug auf Funkstörungen) und mit verschiedenen Wärmequellen betrieben werden kann (gewöhnliches Lampenöl - "billig und überall erhältlich" - wurde bevorzugt). Sie waren sich auch darüber im Klaren, dass im Gegensatz zu Dampf- und Verbrennungsmotoren seit vielen Jahren kaum ernsthafte Entwicklungsarbeit am Stirlingmotor geleistet worden war, und machten geltend, dass moderne Werkstoffe und Know-how große Verbesserungen ermöglichen sollten. ⓘ
1951 war das 180/200-W-Generatoraggregat mit der Bezeichnung MP1002CA (bekannt als "Bungalow-Aggregat") produktionsreif und eine erste Serie von 250 Stück war geplant, doch schon bald wurde klar, dass sie nicht zu einem wettbewerbsfähigen Preis hergestellt werden konnten. Außerdem bedeutete das Aufkommen von Transistorradios und deren viel geringerer Leistungsbedarf, dass der ursprüngliche Grund für das Gerät wegfiel. Schließlich wurden etwa 150 dieser Geräte hergestellt. Einige fanden ihren Weg in die technischen Abteilungen von Universitäten und Fachhochschulen auf der ganzen Welt und verschafften Generationen von Studenten eine wertvolle Einführung in den Stirlingmotor; ein Brief vom März 1961 von Research and Control Instruments Ltd. London WC1, an das North Devon Technical College, in dem "Restbestände... an Institutionen wie Sie selbst... zu einem Sonderpreis von £75 netto" angeboten werden. ⓘ
Parallel zum Bungalow-Set entwickelte Philips experimentelle Stirling-Motoren für eine Vielzahl von Anwendungen und arbeitete bis in die späten 1970er Jahre auf diesem Gebiet, hatte aber nur mit dem Kryokühler "umgekehrter Stirling-Motor" kommerziellen Erfolg. Sie meldeten jedoch eine große Anzahl von Patenten an und sammelten eine Fülle von Informationen, die sie an andere Unternehmen lizenzierten und die die Grundlage für einen Großteil der Entwicklungsarbeit in der Neuzeit bildeten. ⓘ
1996 gab die schwedische Marine drei U-Boote der Gotland-Klasse in Auftrag. An der Oberfläche werden diese Boote von Schiffsdieselmotoren angetrieben. Wenn sie jedoch unter Wasser sind, nutzen sie einen vom schwedischen Schiffbauer Kockums entwickelten Stirling-Generator, um Batterien aufzuladen und elektrische Energie für den Antrieb zu liefern. Ein Vorrat an flüssigem Sauerstoff wird mitgeführt, um die Verbrennung von Dieselkraftstoff zum Antrieb des Motors zu unterstützen. Stirling-Motoren sind auch in den schwedischen U-Booten der Södermanland-Klasse, in den in Singapur in Dienst gestellten U-Booten der Archer-Klasse und in den von Kawasaki Heavy Industries in Lizenz gebauten japanischen U-Booten der Sōryū-Klasse eingebaut. Beim Einsatz in U-Booten bietet der Stirlingmotor den Vorteil, dass er im Betrieb außergewöhnlich leise ist. ⓘ
Entwicklungen im 21. Jahrhundert
Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurden Stirlingmotoren in der Dish-Version von konzentrierten Solarenergiesystemen eingesetzt. Eine Spiegelschüssel, die einer sehr großen Satellitenschüssel ähnelt, lenkt und bündelt das Sonnenlicht auf einen thermischen Empfänger, der die Wärme aufnimmt, sammelt und mit Hilfe einer Flüssigkeit in den Stirlingmotor leitet. Die dabei entstehende mechanische Kraft wird dann zum Betrieb eines Generators oder einer Lichtmaschine genutzt, um Strom zu erzeugen. ⓘ
Das Herzstück von Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) kann ein Stirlingmotor sein, da er effizienter und sicherer ist als ein vergleichbarer Dampfmotor. Bis 2003 wurden KWK-Anlagen kommerziell in Haushalten installiert. ⓘ
Im Jahr 2013 wurde ein Artikel über die Skalierungsgesetze von Freikolben-Stirlingmotoren veröffentlicht, der auf sechs charakteristischen dimensionslosen Gruppen basiert. ⓘ
Name und Klassifizierung
Robert Stirling ließ 1816 das erste praktische Beispiel eines Heißluftmotors mit geschlossenem Kreislauf patentieren, und bereits 1884 schlug Fleeming Jenkin vor, alle derartigen Motoren allgemein als Stirlingmotoren zu bezeichnen. Dieser Namensvorschlag stieß auf wenig Gegenliebe, und die verschiedenen auf dem Markt befindlichen Typen waren weiterhin unter dem Namen ihrer jeweiligen Konstrukteure oder Hersteller bekannt, z. B. Rider's, Robinson's oder Heinrici's (Heiß-)Luftmotor. In den 1940er Jahren suchte die Firma Philips nach einem geeigneten Namen für ihre eigene Version des "Luftmotors", der zu diesem Zeitpunkt bereits mit anderen Arbeitsflüssigkeiten als Luft getestet worden war, und entschied sich im April 1945 für "Stirlingmotor". Fast dreißig Jahre später hatte Graham Walker jedoch immer noch Anlass, die Tatsache zu beklagen, dass Begriffe wie "Heißluftmotor" und "Stirlingmotor" austauschbar blieben, was wiederum weithin und unterschiedslos angewandt wurde, eine Situation, die bis heute anhält. ⓘ
Wie die Dampfmaschine wird auch der Stirlingmotor traditionell als externer Verbrennungsmotor eingestuft, da alle Wärmeübertragungen zum und vom Arbeitsmedium durch eine feste Begrenzung (Wärmetauscher) erfolgen, wodurch der Verbrennungsprozess und die dabei entstehenden Verunreinigungen von den Arbeitsteilen des Motors isoliert werden. Dies steht im Gegensatz zu einem Verbrennungsmotor, bei dem die Wärmezufuhr durch die Verbrennung eines Kraftstoffs im Körper des Arbeitsmediums erfolgt. Die meisten der vielen möglichen Ausführungen des Stirlingmotors fallen unter die Kategorie der Hubkolbenmotoren. ⓘ
Theorie
Der idealisierte Stirling-Kreisprozess besteht aus vier thermodynamischen Prozessen, die auf das Arbeitsmedium einwirken:
- Isotherme Expansion. Der Expansionsraum und der zugehörige Wärmetauscher werden auf einer konstant hohen Temperatur gehalten, und das Gas erfährt eine nahezu isotherme Expansion, wobei es Wärme aus der heißen Quelle aufnimmt.
- Konstantes Volumen (bekannt als isovolumetrische oder isochore Wärmeabfuhr). Das Gas wird durch den Regenerator geleitet, wo es abkühlt und die Wärme an den Regenerator zur Verwendung im nächsten Zyklus abgibt.
- Isotherme Verdichtung. Der Verdichtungsraum und der zugehörige Wärmetauscher werden auf einer konstant niedrigen Temperatur gehalten, so dass das Gas eine nahezu isotherme Verdichtung erfährt, bei der Wärme an die kalte Senke abgegeben wird.
- Wärmezufuhr mit konstantem Volumen (bekannt als isovolumetrisch oder isochorisch). Das Gas fließt durch den Regenerator zurück, wo es einen Großteil der in Prozess 2 übertragenen Wärme zurückgewinnt und sich auf dem Weg zum Expansionsraum erwärmt. ⓘ
Der Motor ist so konstruiert, dass das Arbeitsgas im Allgemeinen im kälteren Teil des Motors komprimiert und im heißeren Teil expandiert wird, was zu einer Nettoumwandlung von Wärme in Arbeit führt. Ein interner regenerativer Wärmetauscher erhöht den thermischen Wirkungsgrad des Stirlingmotors im Vergleich zu einfacheren Heißluftmotoren ohne diese Funktion. ⓘ
Der Stirlingmotor nutzt den Temperaturunterschied zwischen dem heißen und dem kalten Ende, um einen Kreislauf mit einer festen Gasmasse zu schaffen, die erhitzt und expandiert und abgekühlt und komprimiert wird, wodurch Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt wird. Je größer der Temperaturunterschied zwischen der heißen und der kalten Quelle ist, desto größer ist der thermische Wirkungsgrad. Der maximale theoretische Wirkungsgrad entspricht dem des Carnot-Zyklus, aber der Wirkungsgrad realer Motoren liegt aufgrund von Reibung und anderen Verlusten unter diesem Wert. ⓘ
Da es sich beim Stirlingmotor um einen geschlossenen Kreislauf handelt, enthält er eine feste Gasmenge, das so genannte "Arbeitsmittel", meist Luft, Wasserstoff oder Helium. Im Normalbetrieb ist der Motor abgedichtet und es tritt kein Gas ein oder aus; im Gegensatz zu anderen Arten von Kolbenmotoren sind keine Ventile erforderlich. Der Stirlingmotor durchläuft, wie die meisten Wärmekraftmaschinen, vier Hauptprozesse: Kühlung, Verdichtung, Erwärmung und Expansion. Dies geschieht, indem das Gas zwischen einem heißen und einem kalten Wärmetauscher hin- und herbewegt wird, oft mit einem Regenerator zwischen dem Erhitzer und dem Kühler. Der heiße Wärmetauscher steht in thermischem Kontakt mit einer externen Wärmequelle, z. B. einem Kraftstoffbrenner, und der kalte Wärmetauscher steht in thermischem Kontakt mit einer externen Wärmesenke, z. B. Luftlamellen. Eine Änderung der Gastemperatur führt zu einer entsprechenden Änderung des Gasdrucks, während sich das Gas durch die Bewegung des Kolbens abwechselnd ausdehnt und verdichtet. ⓘ
Das Gas verhält sich wie in den Gasgesetzen beschrieben, die den Zusammenhang zwischen Druck, Temperatur und Volumen eines Gases beschreiben. Wenn das Gas erhitzt wird, steigt der Druck (weil es sich in einer geschlossenen Kammer befindet), und dieser Druck wirkt dann auf den Kraftkolben, um einen Kraftstoß zu erzeugen. Wenn das Gas abgekühlt wird, sinkt der Druck, und dieser Druckabfall bedeutet, dass der Kolben weniger Arbeit leisten muss, um das Gas beim Rückhub zu komprimieren. Die Differenz der Arbeit zwischen den Hüben ergibt eine positive Nettoleistung. ⓘ
Wenn eine Seite des Kolbens zur Atmosphäre hin offen ist, ist die Funktionsweise etwas anders. Wenn das abgedichtete Volumen des Arbeitsgases mit der heißen Seite in Berührung kommt, dehnt es sich aus und verrichtet sowohl am Kolben als auch an der Atmosphäre Arbeit. Wenn das Arbeitsgas mit der kalten Seite in Berührung kommt, sinkt sein Druck unter den Atmosphärendruck, und die Atmosphäre drückt auf den Kolben und verrichtet Arbeit am Gas. ⓘ
Bestandteile
Infolge des geschlossenen Kreislaufs muss die Wärme, die einen Stirlingmotor antreibt, von einer Wärmequelle über Wärmetauscher auf das Arbeitsmittel und schließlich auf eine Wärmesenke übertragen werden. Ein Stirlingmotor-System hat mindestens eine Wärmequelle, eine Wärmesenke und bis zu fünf Wärmetauscher. Bei einigen Typen können einige dieser Elemente kombiniert oder weggelassen werden. ⓘ
Wärmequelle
Die Wärmequelle kann durch die Verbrennung eines Brennstoffs bereitgestellt werden. Da sich die Verbrennungsprodukte nicht mit der Arbeitsflüssigkeit vermischen und somit nicht mit den Innenteilen des Motors in Berührung kommen, kann ein Stirlingmotor mit Brennstoffen betrieben werden, die die Innenteile anderer Motortypen beschädigen würden, wie z. B. Deponiegas, das Siloxan enthalten kann, das in herkömmlichen Motoren abrasives Siliziumdioxid ablagern könnte. ⓘ
Andere geeignete Wärmequellen sind konzentrierte Sonnenenergie, geothermische Energie, Kernenergie, Abwärme und Bioenergie. Wird die Sonnenenergie als Wärmequelle genutzt, können normale Solarspiegel und Solarschüsseln verwendet werden. Auch der Einsatz von Fresnel-Linsen und Spiegeln wird befürwortet, z. B. bei der Erforschung der Planetenoberfläche. Solarbetriebene Stirlingmotoren erfreuen sich zunehmender Beliebtheit, da sie eine umweltverträgliche Möglichkeit der Stromerzeugung bieten und einige Konstruktionen für Entwicklungsprojekte wirtschaftlich attraktiv sind. ⓘ
Wärmetauscher
Bei der Konstruktion von Wärmetauschern für Stirlingmotoren geht es um ein Gleichgewicht zwischen hoher Wärmeübertragung mit geringen viskosen Pumpverlusten und geringem Totraum (unbesetztes Innenvolumen). Motoren, die mit hohen Leistungen und Drücken arbeiten, erfordern, dass die Wärmetauscher auf der heißen Seite aus Legierungen bestehen, die auch bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit aufweisen und nicht korrodieren oder kriechen. ⓘ
Bei kleinen Motoren mit geringer Leistung können die Wärmetauscher einfach aus den Wänden der jeweiligen Warm- und Kaltkammern bestehen, aber bei größeren Leistungen ist eine größere Oberfläche erforderlich, um ausreichend Wärme zu übertragen. Typische Ausführungen sind interne und externe Rippen oder mehrere Rohre mit kleinen Bohrungen für die heiße Seite und ein Kühler mit einer Flüssigkeit (wie Wasser) für die kalte Seite. ⓘ
Regenerator
In einem Stirlingmotor ist der Regenerator ein interner Wärmetauscher und temporärer Wärmespeicher, der zwischen dem heißen und dem kalten Raum angeordnet ist, so dass die Arbeitsflüssigkeit ihn zuerst in der einen und dann in der anderen Richtung durchströmt, wobei sie der Flüssigkeit in der einen Richtung Wärme entzieht und in der anderen zurückführt. Er kann aus einem einfachen Metallgitter oder Schaumstoff bestehen und zeichnet sich durch eine große Oberfläche, eine hohe Wärmekapazität, eine geringe Leitfähigkeit und eine geringe Strömungsreibung aus. Seine Funktion besteht darin, die Wärme im System zurückzuhalten, die andernfalls bei Temperaturen zwischen der maximalen und der minimalen Zyklustemperatur mit der Umgebung ausgetauscht würde, so dass sich der thermische Wirkungsgrad des Zyklus (wenn auch nicht eines praktischen Motors) dem begrenzenden Carnot-Wirkungsgrad nähert. ⓘ
Der primäre Effekt der Regeneration in einem Stirlingmotor ist die Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads durch "Recycling" der internen Wärme, die sonst irreversibel durch den Motor geleitet würde. Als sekundärer Effekt führt ein erhöhter thermischer Wirkungsgrad zu einer höheren Leistungsabgabe aus einem bestimmten Satz von Wärmetauschern am heißen und kalten Ende. Diese begrenzen in der Regel den Wärmedurchsatz des Motors. In der Praxis wird diese zusätzliche Leistung möglicherweise nicht in vollem Umfang genutzt, da der zusätzliche "Totraum" (nicht genutztes Volumen) und die Pumpverluste, die in praktischen Regeneratoren auftreten, die potenziellen Effizienzgewinne durch die Regeneration verringern. ⓘ
Die Herausforderung bei der Konstruktion eines Stirling-Motor-Regenerators besteht darin, eine ausreichende Wärmeübertragungskapazität bereitzustellen, ohne zu viel zusätzliches internes Volumen ("Totraum") oder Strömungswiderstand einzuführen. Diese inhärenten Designkonflikte sind einer von vielen Faktoren, die den Wirkungsgrad praktischer Stirlingmotoren begrenzen. Ein typisches Design ist ein Stapel feiner Metalldrahtgitter mit geringer Porosität, um den Totraum zu verringern, und mit den Drahtachsen senkrecht zur Gasströmung, um die Wärmeleitung in dieser Richtung zu verringern und die konvektive Wärmeübertragung zu maximieren. ⓘ
Der Regenerator ist die Schlüsselkomponente, die von Robert Stirling erfunden wurde, und sein Vorhandensein unterscheidet einen echten Stirlingmotor von jedem anderen Heißluftmotor mit geschlossenem Kreislauf. Viele kleine "Spielzeug"-Stirlingmotoren, insbesondere solche mit niedriger Temperaturdifferenz (LTD), haben keine ausgeprägte Regeneratorkomponente und könnten als Heißluftmotoren betrachtet werden; ein kleiner Teil der Regeneration wird jedoch von der Oberfläche des Verdrängers selbst und der nahe gelegenen Zylinderwand oder ähnlich dem Durchgang, der die heißen und kalten Zylinder eines Motors in Alpha-Konfiguration verbindet, bereitgestellt. ⓘ
Wärmesenke
Je größer der Temperaturunterschied zwischen dem heißen und dem kalten Teil eines Stirlingmotors ist, desto höher ist der Wirkungsgrad des Motors. Die Wärmesenke ist normalerweise die Umgebung, in der der Motor bei Umgebungstemperatur arbeitet. Bei Motoren mittlerer bis hoher Leistung ist ein Kühler erforderlich, um die Wärme vom Motor an die Umgebungsluft abzugeben. Schiffsmotoren haben den Vorteil, dass sie kühles Meer-, See- oder Flusswasser nutzen können, das in der Regel kühler ist als die Umgebungsluft. Bei Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen wird das Kühlwasser des Motors direkt oder indirekt für Heizzwecke genutzt, was den Wirkungsgrad erhöht. ⓘ
Alternativ kann die Wärmezufuhr bei Umgebungstemperatur erfolgen und die Wärmesenke auf einer niedrigeren Temperatur gehalten werden, z. B. durch eine kryogene Flüssigkeit (siehe Flüssigstickstoff-Wirtschaft) oder Eiswasser. ⓘ
Verdränger
Der Verdränger ist ein spezieller Kolben, der in Stirlingmotoren des Typs Beta und Gamma verwendet wird, um das Arbeitsgas zwischen dem heißen und dem kalten Wärmetauscher hin- und herzubewegen. Je nach Motortyp ist der Verdränger mit dem Zylinder abgedichtet oder nicht, d. h. er kann lose im Zylinder sitzen, so dass das Arbeitsgas um ihn herum strömen kann, während es sich in den dahinter liegenden Teil des Zylinders bewegt. Der Alpha-Motor hat eine hohe Belastung auf der heißen Seite, deshalb haben einige Erfinder begonnen, einen Hybridkolben für diese Seite zu verwenden. Der Hybridkolben hat einen abgedichteten Teil wie ein normaler Alphamotor, aber er hat einen angeschlossenen Verdrängerteil mit kleinerem Durchmesser als der Zylinder um ihn herum. Das Verdichtungsverhältnis ist etwas geringer als bei den ursprünglichen Alphamotoren, aber der Belastungsfaktor ist bei den abgedichteten Teilen ziemlich niedrig. ⓘ
Konfigurationen
Die drei Haupttypen von Stirlingmotoren unterscheiden sich durch die Art und Weise, wie sie die Luft zwischen dem heißen und dem kalten Bereich bewegen:
- Die Alpha-Konfiguration hat zwei Antriebskolben, einen in einem heißen und einen in einem kalten Zylinder, und das Gas wird von den Kolben zwischen den beiden Bereichen hin- und herbewegt; in der Regel handelt es sich um eine V-Form, bei der die Kolben an der gleichen Stelle auf einer Kurbelwelle zusammengeführt werden.
- Die Beta-Konfiguration hat einen einzigen Zylinder mit einem heißen und einem kalten Ende, der einen Arbeitskolben und einen "Verdränger" enthält, der das Gas zwischen dem heißen und dem kalten Ende bewegt. In der Regel wird ein rautenförmiger Antrieb verwendet, um die Phasendifferenz zwischen dem Verdränger- und dem Arbeitskolben zu erreichen, aber sie können auch um 90 Grad phasenverschoben auf einer Kurbelwelle angebracht werden.
- Bei der Gamma-Konfiguration gibt es zwei Zylinder: einen mit einem Verdränger, der ein heißes und ein kaltes Ende hat, und einen für den Arbeitskolben; sie sind zu einem einzigen Raum verbunden, so dass die Zylinder den gleichen Druck haben; die Kolben sind in der Regel parallel und um 90 Grad phasenverschoben auf einer Kurbelwelle verbunden. ⓘ
Alpha
Ein alpha-Stirling-Motor enthält zwei Antriebskolben in getrennten Zylindern, einen heißen und einen kalten. Der heiße Zylinder befindet sich im Hochtemperaturwärmetauscher und der kalte Zylinder im Niedertemperaturwärmetauscher. Dieser Motortyp hat ein hohes Leistungs-Volumen-Verhältnis, ist aber wegen der meist hohen Temperatur des heißen Kolbens und der Haltbarkeit seiner Dichtungen technisch problematisch. In der Praxis trägt dieser Kolben in der Regel einen großen Isolierkopf, um die Dichtungen auf Kosten eines zusätzlichen Totraums von der heißen Zone zu entfernen. Der Kurbelwinkel hat einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad, und der beste Winkel muss häufig experimentell ermittelt werden. Ein Winkel von 90° führt häufig zum Erfolg. ⓘ
Der Prozess lässt sich in vier Schritten beschreiben:
- Der größte Teil des Arbeitsgases befindet sich im heißen Zylinder und hat mehr Kontakt mit den Wänden des heißen Zylinders. Dies führt zu einer allgemeinen Erwärmung des Gases. Der Druck steigt und das Gas dehnt sich aus. Da der heiße Zylinder sein maximales Volumen erreicht hat und der kalte Zylinder sich in der Mitte des Hubes befindet (Teilvolumen), wird das Volumen des Systems durch Expansion in den kalten Zylinder vergrößert.
- Das System hat sein maximales Volumen erreicht und mehr Gas kommt mit dem kalten Zylinder in Kontakt. Dadurch wird das Gas abgekühlt und sein Druck gesenkt. Aufgrund der Schwungkraft des Schwungrads oder anderer Kolbenpaare auf derselben Welle beginnt der heiße Zylinder mit einem Aufwärtshub, wodurch sich das Volumen des Systems verringert.
- Fast das gesamte Gas befindet sich nun im kalten Zylinder, und die Kühlung geht weiter. Dadurch wird der Druck des Gases weiter verringert und die Kontraktion verursacht. Da der heiße Zylinder sein minimales Volumen und der kalte Zylinder sein maximales Volumen erreicht hat, wird das Volumen des Systems durch Kompression des kalten Zylinders nach innen weiter verringert.
- Das System hat sein minimales Volumen erreicht und das Gas hat einen größeren Kontakt mit dem heißen Zylinder. Das Volumen des Systems vergrößert sich durch Ausdehnung des heißen Zylinders. ⓘ
Beta
Ein Beta-Stirling hat einen einzigen Arbeitskolben, der im selben Zylinder auf derselben Welle wie ein Verdrängerkolben angeordnet ist. Der Verdrängerkolben ist lose gelagert und entzieht dem expandierenden Gas keine Energie, sondern dient nur dazu, das Arbeitsgas zwischen dem heißen und dem kalten Wärmetauscher hin und her zu bewegen. Wenn das Arbeitsgas zum heißen Ende des Zylinders gedrückt wird, dehnt es sich aus und schiebt den Verdrängerkolben. Wenn es zum kalten Ende des Zylinders gedrückt wird, zieht es sich zusammen, und der Schwung der Maschine, der in der Regel durch ein Schwungrad verstärkt wird, schiebt den Arbeitskolben in die andere Richtung, um das Gas zu komprimieren. Im Gegensatz zum Alpha-Typ vermeidet der Beta-Typ die technischen Probleme mit heißlaufenden Dichtungen, da der Antriebskolben nicht mit dem heißen Gas in Berührung kommt. ⓘ
- Der Arbeitskolben (dunkelgrau) hat das Gas komprimiert, der Verdrängerkolben (hellgrau) hat sich so bewegt, dass sich der größte Teil des Gases in der Nähe des heißen Wärmetauschers befindet.
- Das erhitzte Gas erhöht den Druck und drückt den Arbeitskolben an die äußerste Grenze des Arbeitshubs.
- Der Verdrängerkolben bewegt sich nun und schiebt das Gas an das kalte Ende des Zylinders.
- Das abgekühlte Gas wird nun durch das Schwungradmoment komprimiert. Dies erfordert weniger Energie, da der Druck des Gases beim Abkühlen abnimmt. ⓘ
Gamma
Ein Gamma-Stirling ist einfach ein Beta-Stirling, bei dem der Arbeitskolben in einem separaten Zylinder neben dem Verdrängerkolben-Zylinder untergebracht ist, aber immer noch mit demselben Schwungrad verbunden ist. Das Gas in den beiden Zylindern kann frei zwischen ihnen fließen und bleibt ein einziger Körper. Diese Konfiguration führt aufgrund des Volumens der Verbindung zwischen den beiden Zylindern zu einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis, ist aber mechanisch einfacher und wird häufig in Mehrzylinder-Stirlingmotoren verwendet. ⓘ
Andere Typen
Andere Stirling-Konfigurationen sind für Ingenieure und Erfinder weiterhin interessant. ⓘ
- Beim rotierenden Stirlingmotor wird versucht, die Leistung des Stirlingzyklus direkt in ein Drehmoment umzuwandeln, ähnlich wie bei einem rotierenden Verbrennungsmotor. Bisher wurde noch kein praktischer Motor gebaut, aber es gibt eine Reihe von Konzepten, Modellen und Patenten, wie z. B. den Quasiturbinenmotor.
- Eine Mischform zwischen Kolben- und Kreiskolbenmotor ist der doppeltwirkende Motor. Bei dieser Konstruktion drehen sich die Verdränger auf beiden Seiten des Antriebskolbens. Diese Bauweise bietet nicht nur eine große Variabilität im Bereich der Wärmeübertragung, sondern macht auch alle bis auf eine externe Dichtung an der Abtriebswelle und eine interne Dichtung am Kolben überflüssig. Außerdem können beide Seiten mit hohem Druck beaufschlagt werden, da sie sich gegeneinander ausgleichen.
- Eine weitere Alternative ist der Fluidyne-Motor (oder die Fluidyne-Wärmepumpe), der hydraulische Kolben zur Umsetzung des Stirling-Zyklus verwendet. Die von einem Fluidyne-Motor erzeugte Arbeit fließt in das Pumpen der Flüssigkeit. In seiner einfachsten Form enthält der Motor ein Arbeitsgas, eine Flüssigkeit und zwei Rückschlagventile.
- Das 1907 veröffentlichte Konzept des Ringbom-Motors hat keinen Drehmechanismus oder ein Gestänge für den Verdränger. Dieser wird stattdessen von einem kleinen Hilfskolben, meist einer dicken Verdrängerstange, angetrieben, wobei die Bewegung durch Anschläge begrenzt wird.
- Der Ingenieur Andy Ross erfand einen Zweizylinder-Stirlingmotor (in 0°- und nicht in 90°-Stellung), der mit einem speziellen Joch verbunden war.
- Der Franchot-Motor ist ein doppelt wirkender Motor, der von Charles-Louis-Félix Franchot im neunzehnten Jahrhundert erfunden wurde. Bei einem doppelt wirkenden Motor wirkt der Druck der Arbeitsflüssigkeit auf beide Seiten des Kolbens. Der Franchot-Motor, eine der einfachsten Formen einer doppelt wirkenden Maschine, besteht aus zwei Kolben und zwei Zylindern und funktioniert wie zwei separate Alphamaschinen. Beim Franchot-Motor wirkt jeder Kolben in zwei Gasphasen, wodurch die mechanischen Komponenten effizienter genutzt werden als bei einer einfach wirkenden Alphamaschine. Ein Nachteil dieser Maschine ist jedoch, dass eine Pleuelstange auf der heißen Seite des Motors eine Gleitdichtung haben muss, was bei hohen Drücken und Temperaturen schwierig ist. ⓘ
Freikolbenmotoren
Zu den Freikolben-Stirlingmotoren gehören solche mit Flüssigkeitskolben und solche mit Membranen als Kolben. Bei einem Freikolbengerät kann die Energie durch einen elektrischen Lineargenerator, eine Pumpe oder ein anderes koaxiales Gerät zu- oder abgeführt werden. Dadurch wird ein Gestänge überflüssig und die Anzahl der beweglichen Teile verringert. Bei einigen Konstruktionen werden Reibung und Verschleiß durch den Einsatz von berührungslosen Gaslagern oder einer sehr präzisen Aufhängung durch ebene Federn nahezu eliminiert. ⓘ
Der Zyklus eines Freikolben-Stirlingmotors besteht aus vier grundlegenden Schritten:
- Der Antriebskolben wird von dem sich ausdehnenden Gas nach außen gedrückt und verrichtet dabei Arbeit. Die Schwerkraft spielt in diesem Zyklus keine Rolle.
- Das Gasvolumen im Motor vergrößert sich und damit sinkt der Druck, wodurch eine Druckdifferenz über die Verdrängerstange entsteht, die den Verdränger in Richtung des heißen Endes drückt. Wenn sich der Verdränger bewegt, steht der Kolben nahezu still, so dass das Gasvolumen nahezu konstant ist. Dieser Schritt führt zur Abkühlung des konstanten Volumens, wodurch sich der Druck des Gases verringert.
- Der verringerte Druck stoppt nun die Auswärtsbewegung des Kolbens und er beginnt, wieder in Richtung des heißen Endes zu beschleunigen und komprimiert durch seine eigene Trägheit das nun kalte Gas, das sich hauptsächlich im kalten Raum befindet.
- Mit zunehmendem Druck wird ein Punkt erreicht, an dem die Druckdifferenz über der Verdrängerstange groß genug wird, um die Verdrängerstange (und damit auch den Verdränger) in Richtung des Kolbens zu drücken, wodurch der kalte Raum kollabiert und das kalte, komprimierte Gas in einem nahezu konstanten Volumenprozess in Richtung der heißen Seite transportiert wird. Wenn das Gas auf der heißen Seite ankommt, steigt der Druck und beginnt, den Kolben nach außen zu bewegen, um den Expansionsschritt einzuleiten, wie in (1) erläutert. ⓘ
In den frühen 1960er Jahren erfand William T. Beale von der Ohio University in Athens, Ohio, eine Freikolbenversion des Stirlingmotors, um die Schwierigkeiten bei der Schmierung des Kurbelmechanismus zu überwinden. Während die Erfindung des grundlegenden Freikolben-Stirlingmotors im Allgemeinen Beale zugeschrieben wird, wurden ähnliche Motorentypen von E.H. Cooke-Yarborough und C. West in den Harwell Laboratories der britischen AERE unabhängig voneinander erfunden. G.M. Benson leistete ebenfalls wichtige frühe Beiträge und patentierte viele neuartige Freikolbenkonfigurationen. ⓘ
Die erste bekannte Erwähnung einer Stirling-Maschine mit frei beweglichen Komponenten ist eine britische Patentanmeldung aus dem Jahr 1876. Diese Maschine war als Kühlschrank konzipiert (d. h. der umgekehrte Stirling-Kreislauf). Das erste Verbraucherprodukt, das einen Freikolben-Stirlingmotor verwendete, war ein tragbarer Kühlschrank, der von der japanischen Twinbird Corporation hergestellt und 2004 von Coleman in den USA angeboten wurde. ⓘ
Flachmotoren
Die Konstruktion des flachen doppeltwirkenden Stirlingmotors löst den Antrieb eines Verdrängers mit Hilfe der Tatsache, dass die Flächen des heißen und des kalten Kolbens des Verdrängers unterschiedlich sind. ⓘ
Der Antrieb erfolgt dabei ohne jegliche mechanische Übertragung. Durch die Verwendung von Membranen entfallen die Reibung und der Bedarf an Schmiermitteln. ⓘ
Wenn der Verdränger in Bewegung ist, hält der Generator den Arbeitskolben in der Endstellung, wodurch der Arbeitszyklus des Motors einem idealen Stirlingzyklus nahe kommt. Das Verhältnis zwischen der Fläche der Wärmetauscher und dem Volumen der Maschine wird durch eine flache Bauweise verbessert. ⓘ
Die flache Bauweise des Arbeitszylinders bringt den thermischen Prozess der Expansion und Kompression näher an den isothermen Prozess heran. ⓘ
Der Nachteil ist eine große Fläche für die Wärmedämmung zwischen dem heißen und dem kalten Raum. ⓘ
Thermoakustischer Zyklus
Thermoakustische Geräte unterscheiden sich stark von Stirling-Geräten, auch wenn der individuelle Weg, den jedes Arbeitsgasmolekül zurücklegt, einem echten Stirling-Zyklus folgt. Zu diesen Geräten gehören der thermoakustische Motor und der thermoakustische Kühlschrank. Stehende akustische Wellen mit hoher Amplitude bewirken analog zu einem Stirling-Kraftkolben eine Kompression und Expansion, während phasenverschobene akustische Wanderwellen analog zu einem Stirling-Verdrängerkolben eine Verschiebung entlang eines Temperaturgradienten bewirken. Daher hat ein thermoakustisches Gerät in der Regel keinen Verdrängerkolben, wie er in einem Beta- oder Gamma-Stirling zu finden ist. ⓘ
Andere Entwicklungen
Die NASA hat kernzerfallbeheizte Stirlingmotoren für ausgedehnte Missionen zum äußeren Sonnensystem in Betracht gezogen. Im Jahr 2018 gaben die NASA und das Energieministerium der Vereinigten Staaten bekannt, dass sie einen neuartigen Kernreaktor namens KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY) erfolgreich getestet haben, der in der Lage sein soll, Weltraumfahrzeuge und -sonden sowie exoplanetare Lager anzutreiben. ⓘ
Auf der Cable-Tec Expo 2012, die von der Society of Cable Telecommunications Engineers veranstaltet wird, trat Dean Kamen zusammen mit Mike LaJoie, Chief Technology Officer von Time Warner Cable, auf die Bühne, um eine neue Initiative seines Unternehmens Deka Research und der SCTE anzukündigen. Kamen bezeichnet sie als Stirling-Motor. ⓘ
Betriebliche Überlegungen
Größe und Temperatur
Es wurden Motoren mit sehr geringer Leistung gebaut, die mit einer Temperaturdifferenz von nur 0,5 K arbeiten. Ein Verdränger-Stirlingmotor hat einen Kolben und einen Verdränger. Zum Betrieb des Motors ist eine Temperaturdifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Ende des großen Zylinders erforderlich. Beim Niedertemperaturdifferenz-Stirlingmotor (LTD) kann der Temperaturunterschied zwischen der Hand und der Umgebungsluft ausreichen, um den Motor in Gang zu setzen. Der Antriebskolben des Verdränger-Stirlingmotors ist dicht verschlossen und bewegt sich kontrolliert auf und ab, wenn sich das Gas darin ausdehnt. Der Verdränger hingegen ist sehr locker angebracht, so dass sich die Luft bei der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens frei zwischen dem heißen und dem kalten Teil des Motors bewegen kann. Durch die Auf- und Abwärtsbewegung des Verdrängers wird der größte Teil des Gases im Verdrängerzylinder entweder erhitzt oder abgekühlt. ⓘ
Stirlingmotoren, insbesondere solche, die mit kleinen Temperaturunterschieden arbeiten, sind für die von ihnen erzeugte Leistung recht groß (d. h. sie haben eine geringe spezifische Leistung). Dies ist in erster Linie auf den Wärmeübergangskoeffizienten der Gaskonvektion zurückzuführen, der den Wärmestrom, der in einem typischen kalten Wärmetauscher erreicht werden kann, auf etwa 500 W/(m2-K) und in einem heißen Wärmetauscher auf etwa 500-5000 W/(m2-K) begrenzt. Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren stellt dies eine größere Herausforderung für den Motorenkonstrukteur dar, Wärme in das Arbeitsgas und aus dem Arbeitsgas zu übertragen. Aufgrund des thermischen Wirkungsgrads wächst die erforderliche Wärmeübertragung mit der Temperaturdifferenz, und die Wärmetauscherfläche (und die Kosten) für 1 kW Leistung wachsen mit (1/ΔT)2. Daher sind die spezifischen Kosten von Motoren mit sehr geringer Temperaturdifferenz sehr hoch. Durch eine Erhöhung der Temperaturdifferenz und/oder des Drucks können Stirlingmotoren mehr Leistung erzeugen, vorausgesetzt, die Wärmetauscher sind für die erhöhte Wärmelast ausgelegt und können den erforderlichen konvektiven Wärmestrom liefern. ⓘ
Ein Stirlingmotor kann nicht sofort starten; er muss buchstäblich "warmlaufen". Dies gilt für alle externen Verbrennungsmotoren, aber die Aufwärmzeit kann bei Stirlingmotoren länger sein als bei anderen Motoren dieser Art, z. B. bei Dampfmaschinen. Stirlingmotoren werden am besten als Motoren mit konstanter Drehzahl eingesetzt. ⓘ
Die Leistungsabgabe eines Stirlingmotors ist in der Regel konstant, und ihre Anpassung erfordert manchmal eine sorgfältige Konstruktion und zusätzliche Mechanismen. In der Regel wird die Leistung durch Änderung des Hubraums des Motors (oft durch Verwendung einer Taumelscheiben-Kurbelwellenanordnung), durch Änderung der Menge der Arbeitsflüssigkeit, durch Änderung des Phasenwinkels zwischen Kolben und Verdränger oder in einigen Fällen einfach durch Änderung der Motorlast erreicht. Diese Eigenschaft ist weniger nachteilig bei Hybrid-Elektroantrieben oder bei der Grundlaststromerzeugung, wo eine konstante Leistungsabgabe erwünscht ist. ⓘ
Wahl des Gases
Das verwendete Gas sollte eine niedrige Wärmekapazität haben, so dass eine bestimmte Menge an übertragener Wärme zu einem großen Druckanstieg führt. Unter diesem Gesichtspunkt wäre Helium das beste Gas, da es eine sehr geringe Wärmekapazität hat. Luft ist ein brauchbares Arbeitsmittel, aber der Sauerstoff in einem unter hohem Druck stehenden Luftmotor kann durch Schmierölexplosionen tödliche Unfälle verursachen. Nach einem solchen Unfall leistete Philips Pionierarbeit bei der Verwendung anderer Gase, um die Gefahr von Explosionen zu vermeiden.
- Die geringe Viskosität und die hohe Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff machen ihn zum leistungsfähigsten Arbeitsgas, vor allem weil der Motor schneller laufen kann als mit anderen Gasen. Aufgrund der Wasserstoffabsorption und der hohen Diffusionsrate dieses Gases mit niedrigem Molekulargewicht, insbesondere bei hohen Temperaturen, entweicht H2 jedoch durch das feste Metall des Heizgeräts. Die Diffusion durch Kohlenstoffstahl ist zu hoch, um praktikabel zu sein, kann aber bei Metallen wie Aluminium oder sogar rostfreiem Stahl akzeptabel niedrig sein. Bestimmte Keramiken verringern die Diffusion ebenfalls erheblich. Hermetische Druckbehälterdichtungen sind erforderlich, um den Druck im Motor aufrechtzuerhalten, ohne dass verlorenes Gas ersetzt wird. Bei Motoren mit Hochtemperaturdifferenzial (HTD) können Hilfssysteme erforderlich sein, um das Arbeitsmedium unter hohem Druck zu halten. Diese Systeme können eine Gasspeicherflasche oder ein Gasgenerator sein. Wasserstoff kann durch Elektrolyse von Wasser, durch die Einwirkung von Dampf auf glühenden Brennstoff auf Kohlenstoffbasis, durch Vergasung von Kohlenwasserstoffbrennstoff oder durch die Reaktion von Säure auf Metall erzeugt werden. Wasserstoff kann auch die Versprödung von Metallen verursachen. Wasserstoff ist ein entflammbares Gas, das ein Sicherheitsrisiko darstellt, wenn es aus dem Motor freigesetzt wird.
- Die meisten technisch fortschrittlichen Stirling-Motoren, wie die für die Labors der US-Regierung entwickelten, verwenden Helium als Arbeitsgas, da es einen ähnlichen Wirkungsgrad und eine ähnliche Leistungsdichte wie Wasserstoff aufweist, aber weniger Probleme mit der Materialeindämmung verursacht. Helium ist inert und daher nicht brennbar. Helium ist relativ teuer und muss als Flaschengas geliefert werden. Ein Test ergab, dass Wasserstoff im GPU-3-Stirlingmotor 5 % (absolut) effizienter ist als Helium (24 % relativ). Der Forscher Allan Organ wies nach, dass ein gut konzipierter Luftmotor theoretisch genauso effizient ist wie ein Helium- oder Wasserstoffmotor, aber Helium- und Wasserstoffmotoren sind pro Volumeneinheit um ein Vielfaches leistungsstärker.
- Einige Motoren verwenden Luft oder Stickstoff als Arbeitsmedium. Diese Gase haben eine viel geringere Leistungsdichte (was die Kosten des Motors erhöht), sind aber bequemer zu verwenden und minimieren die Probleme der Gaseindämmung und -versorgung (was die Kosten senkt). Bei der Verwendung von Druckluft in Kontakt mit brennbaren Materialien oder Stoffen wie Schmieröl besteht Explosionsgefahr, da Druckluft einen hohen Sauerstoffpartialdruck enthält. Der Sauerstoff kann jedoch durch eine Oxidationsreaktion aus der Luft entfernt werden, oder es kann Stickstoff in Flaschen verwendet werden, der nahezu inert und sehr sicher ist.
- Andere mögliche Gase, die leichter sind als Luft, sind Methan und Ammoniak. ⓘ
Druckbeaufschlagung
Bei den meisten Hochleistungs-Stirlingmotoren liegen sowohl der Mindestdruck als auch der mittlere Druck der Arbeitsflüssigkeit über dem Atmosphärendruck. Diese anfängliche Druckbeaufschlagung des Motors kann durch eine Pumpe, durch Befüllen des Motors aus einem Druckgasbehälter oder auch nur durch Abdichten des Motors bei einer mittleren Temperatur unterhalb der mittleren Betriebstemperatur erfolgen. Alle diese Methoden erhöhen die Masse des Arbeitsmittels im thermodynamischen Kreislauf. Alle Wärmetauscher müssen so dimensioniert sein, dass sie die erforderlichen Wärmeübertragungsraten liefern. Wenn die Wärmetauscher gut ausgelegt sind und den für die konvektive Wärmeübertragung erforderlichen Wärmestrom liefern können, erzeugt der Motor in erster Näherung Leistung im Verhältnis zum mittleren Druck, wie durch die West- und Beale-Zahl vorhergesagt. In der Praxis ist der maximale Druck ebenfalls auf den sicheren Druck des Druckbehälters begrenzt. Wie bei den meisten Aspekten der Stirlingmotorenkonstruktion ist die Optimierung multivariat und hat oft widersprüchliche Anforderungen. Eine Schwierigkeit bei der Druckbeaufschlagung besteht darin, dass sie zwar die Leistung erhöht, der Wärmebedarf jedoch proportional zur erhöhten Leistung steigt. Diese Wärmeübertragung wird durch die Druckbeaufschlagung zunehmend erschwert, da der erhöhte Druck auch eine größere Wandstärke des Motors erfordert, was wiederum den Widerstand gegen die Wärmeübertragung erhöht. ⓘ
Schmiermittel und Reibung
Bei hohen Temperaturen und Drücken kann sich der Sauerstoff in Kurbelgehäusen, die unter Luftdruck stehen, oder im Arbeitsgas von Heißluftmotoren mit dem Schmieröl des Motors verbinden und explodieren. Mindestens ein Mensch ist bei einer solchen Explosion ums Leben gekommen. Schmierstoffe können auch Wärmetauscher verstopfen, insbesondere den Regenerator. Aus diesen Gründen bevorzugen die Konstrukteure ungeschmierte Materialien mit niedrigem Reibungskoeffizienten (wie Rulon oder Graphit) und geringen Normalkräften auf die beweglichen Teile, insbesondere bei Gleitdichtungen. Bei einigen Konstruktionen werden Gleitflächen ganz vermieden, indem für abgedichtete Kolben Membranen verwendet werden. Dies sind einige der Faktoren, die Stirlingmotoren einen geringeren Wartungsaufwand und eine längere Lebensdauer als Verbrennungsmotoren ermöglichen. ⓘ
Wirkungsgrad
Der theoretische thermische Wirkungsgrad entspricht dem des hypothetischen Carnot-Zyklus, d. h. dem höchsten Wirkungsgrad, der von einer Wärmekraftmaschine erreicht werden kann. Obwohl er zur Veranschaulichung allgemeiner Grundsätze nützlich ist, weicht der ideale Zyklus erheblich von den praktischen Stirlingmotoren ab. Es wurde argumentiert, dass seine unterschiedslose Verwendung in vielen Standardbüchern über technische Thermodynamik dem Studium der Stirlingmotoren im Allgemeinen geschadet hat. ⓘ
Stirlingmotoren können die für Verbrennungsmotoren typischen Gesamtwirkungsgrade nicht erreichen, da die Haupteinschränkung der thermische Wirkungsgrad ist. Bei der internen Verbrennung werden kurzzeitig Temperaturen von etwa 1500 °C-1600 °C erreicht, was zu einer höheren mittleren Wärmezufuhrtemperatur des thermodynamischen Kreislaufs führt, als sie ein Stirlingmotor erreichen könnte. Es ist nicht möglich, Wärme bei so hohen Temperaturen durch Wärmeleitung zuzuführen, wie es bei Stirlingmotoren der Fall ist, da kein Material die Verbrennungswärme bei so hohen Temperaturen ohne große Wärmeverluste und Probleme im Zusammenhang mit der Wärmeverformung von Materialien leiten könnte. ⓘ
Stirlingmotoren arbeiten leise und können fast jede Wärmequelle nutzen. Die Wärmeenergiequelle wird außerhalb des Stirlingmotors erzeugt und nicht durch interne Verbrennung wie bei Otto- oder Dieselmotoren. Dieser Motortyp stößt derzeit auf Interesse als Kernkomponente von Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK), in denen er effizienter und sicherer ist als ein vergleichbarer Dampfmotor. Allerdings hat er ein geringes Leistungsgewicht, so dass er sich eher für den Einsatz in stationären Anlagen eignet, bei denen Platz und Gewicht keine Rolle spielen. ⓘ
Andere reale Probleme verringern den Wirkungsgrad tatsächlicher Motoren aufgrund der Grenzen der konvektiven Wärmeübertragung und der viskosen Strömung (Reibung). Hinzu kommen praktische, mechanische Erwägungen: So kann beispielsweise ein einfaches kinematisches Gestänge einem komplexeren Mechanismus vorgezogen werden, der für die Nachbildung des idealisierten Zyklus erforderlich ist, und es gibt Einschränkungen aufgrund der verfügbaren Materialien, z. B. wegen der nicht idealen Eigenschaften des Arbeitsgases, der Wärmeleitfähigkeit, der Zugfestigkeit, des Kriechens, der Bruchfestigkeit und des Schmelzpunkts. Oft stellt sich die Frage, ob der ideale Zyklus mit isothermer Expansion und Kompression tatsächlich der richtige ideale Zyklus für den Stirlingmotor ist. Professor C. J. Rallis hat darauf hingewiesen, dass es sehr schwierig ist, sich irgendeine Bedingung vorzustellen, bei der sich die Expansions- und Kompressionsräume einem isothermen Verhalten annähern, und dass es viel realistischer ist, sich diese Räume als adiabatisch vorzustellen. Eine ideale Analyse, bei der die Expansions- und Kompressionsräume als adiabatisch mit isothermen Wärmetauschern und perfekter Regeneration angenommen werden, wurde von Rallis analysiert und als besserer idealer Maßstab für Stirling-Maschinen vorgestellt. Er nannte diesen Kreislauf den "Pseudo-Stirling-Kreislauf" oder "idealen adiabatischen Stirling-Kreislauf". Eine wichtige Folge dieses idealen Zyklus ist, dass er den Carnot-Wirkungsgrad nicht vorhersagt. Eine weitere Schlussfolgerung aus diesem idealen Zyklus ist, dass die maximalen Wirkungsgrade bei niedrigeren Verdichtungsverhältnissen zu finden sind, eine Eigenschaft, die bei realen Maschinen beobachtet wird. In einer unabhängigen Arbeit ging T. Finkelstein bei seiner Analyse von Stirling-Maschinen ebenfalls von adiabatischen Expansions- und Kompressionsräumen aus ⓘ
Der ideale Stirling-Zyklus ist in der realen Welt unerreichbar, wie bei jeder Wärmekraftmaschine. Der Wirkungsgrad von Stirling-Maschinen hängt auch von der Umgebungstemperatur ab: Ein höherer Wirkungsgrad wird bei kühlerem Wetter erzielt, was diese Art von Motor an Orten mit wärmerem Klima weniger attraktiv macht. Wie andere externe Verbrennungsmotoren können auch Stirling-Motoren andere Wärmequellen als die Verbrennung von Brennstoffen nutzen. So wurden beispielsweise verschiedene Konzepte für solarbetriebene Stirlingmotoren entwickelt. ⓘ
Vergleich mit Verbrennungsmotoren
Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren haben Stirlingmotoren das Potenzial, erneuerbare Wärmequellen leichter zu nutzen, leiser und zuverlässiger zu sein und weniger Wartungsaufwand zu verursachen. Sie werden bevorzugt für Anwendungen eingesetzt, die diese einzigartigen Vorteile zu schätzen wissen, insbesondere wenn die Kosten pro erzeugter Energieeinheit wichtiger sind als die Kapitalkosten pro Leistungseinheit. Auf dieser Grundlage sind Stirlingmotoren bis zu einer Leistung von etwa 100 kW wettbewerbsfähig. ⓘ
Im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor gleicher Leistung haben Stirlingmotoren derzeit höhere Kapitalkosten und sind in der Regel größer und schwerer. Sie sind jedoch effizienter als die meisten Verbrennungsmotoren. Aufgrund des geringeren Wartungsbedarfs sind die Gesamtenergiekosten vergleichbar. Auch der thermische Wirkungsgrad ist (bei kleinen Motoren) vergleichbar und liegt zwischen 15 und 30 %. Für Anwendungen wie die Mikro-KWK ist ein Stirlingmotor oft einem Verbrennungsmotor vorzuziehen. Andere Anwendungen sind Wasserpumpen, Raumfahrt und die Stromerzeugung aus reichlich vorhandenen Energiequellen, die mit dem Verbrennungsmotor nicht kompatibel sind, wie Solarenergie und Biomasse wie landwirtschaftliche Abfälle und andere Abfälle wie Hausmüll. Aufgrund der hohen Kosten pro Leistungseinheit und der geringen Leistungsdichte sind Stirlingmotoren jedoch im Allgemeinen als Automotor nicht wettbewerbsfähig. ⓘ
Die grundlegende Analyse basiert auf der Schmidt-Analyse in geschlossener Form. ⓘ
Vorteile von Stirlingmotoren im Vergleich zu Verbrennungsmotoren
- Stirlingmotoren können direkt mit jeder verfügbaren Wärmequelle betrieben werden, nicht nur mit einer, die durch Verbrennung erzeugt wird, d. h. sie können mit Wärme aus solaren, geothermischen, biologischen oder nuklearen Quellen oder mit Abwärme aus industriellen Prozessen betrieben werden.
- Ein kontinuierlicher Verbrennungsprozess kann zur Wärmeversorgung genutzt werden, so dass die mit den intermittierenden Verbrennungsprozessen eines Hubkolben-Verbrennungsmotors verbundenen Emissionen reduziert werden können.
- Bei einigen Typen von Stirlingmotoren befinden sich die Lager und Dichtungen auf der kühlen Seite des Motors, wo sie weniger Schmiermittel benötigen und länger halten als bei anderen Hubkolbenmotoren.
- Der Motormechanismus ist in mancher Hinsicht einfacher als bei anderen Hubkolbenmotoren. Es werden keine Ventile benötigt, und das Brennersystem kann relativ einfach sein. Einfache Stirlingmotoren können mit haushaltsüblichen Materialien hergestellt werden.
- Ein Stirlingmotor verwendet ein einphasiges Arbeitsmedium, das einen Innendruck nahe dem Auslegungsdruck aufrechterhält, so dass bei einem ordnungsgemäß ausgelegten System die Explosionsgefahr gering ist. Im Vergleich dazu arbeitet ein Dampfmotor mit einem zweiphasigen Gas/Flüssigkeits-Arbeitsmedium, so dass ein defektes Überdruckventil eine Explosion verursachen kann.
- In einigen Fällen ermöglicht der niedrige Betriebsdruck die Verwendung von leichten Zylindern.
- Sie können so gebaut werden, dass sie leise und ohne Luftzufuhr laufen, um als luftunabhängiger Antrieb in U-Booten eingesetzt zu werden.
- Sie lassen sich leicht starten (wenn auch langsam, nach dem Aufwärmen) und laufen bei kaltem Wetter effizienter, im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren, die bei warmem Wetter schnell starten, bei kaltem Wetter jedoch nicht.
- Ein Stirlingmotor, der zum Pumpen von Wasser verwendet wird, kann so konfiguriert werden, dass das Wasser den Kompressionsraum kühlt. Dies erhöht die Effizienz beim Pumpen von kaltem Wasser.
- Sie sind äußerst flexibel. Sie können im Winter als KWK-Anlagen (Kraft-Wärme-Kopplung) und im Sommer als Kühlanlagen eingesetzt werden.
- Die Abwärme lässt sich leicht nutzen (im Vergleich zur Abwärme eines Verbrennungsmotors), so dass sich Stirlingmotoren für Kraft-Wärme-Kopplungssysteme mit zwei Ausgängen eignen.
- 1986 baute die NASA einen Stirlingmotor für Kraftfahrzeuge und installierte ihn in einem Chevrolet Celebrity. Der Kraftstoffverbrauch verbesserte sich um 45 % und die Emissionen wurden erheblich reduziert. Die Beschleunigung (Leistungsverhalten) entsprach der eines herkömmlichen Verbrennungsmotors. Dieser Motor, der als Mod II bezeichnet wird, entkräftet auch die Argumente, dass Stirlingmotoren schwer, teuer, unzuverlässig und leistungsschwach sind. Ein Katalysator, ein Schalldämpfer und häufige Ölwechsel sind nicht erforderlich. ⓘ
Zu den Nachteilen von Stirlingmotoren im Vergleich zu Verbrennungsmotoren gehören:
- Stirlingmotoren benötigen Wärmetauscher für die Wärmezufuhr und für die Wärmeabgabe, die den Druck des Arbeitsmediums aufnehmen müssen, wobei der Druck proportional zur Motorleistung ist. Außerdem herrschen im expansionsseitigen Wärmetauscher oft sehr hohe Temperaturen, so dass die Materialien den korrosiven Auswirkungen der Wärmequelle widerstehen und eine geringe Kriechneigung aufweisen müssen. In der Regel erhöhen diese Materialanforderungen die Kosten des Motors erheblich. Die Material- und Montagekosten für einen Hochtemperaturwärmetauscher machen in der Regel 40 % der Gesamtkosten eines Motors aus.
- Alle thermodynamischen Zyklen erfordern große Temperaturunterschiede für einen effizienten Betrieb. In einem externen Verbrennungsmotor ist die Erhitzungstemperatur immer gleich oder höher als die Expansionstemperatur. Dies bedeutet, dass die metallurgischen Anforderungen an das Heizmaterial sehr hoch sind. Dies ist ähnlich wie bei einer Gasturbine, steht aber im Gegensatz zu einem Otto- oder Dieselmotor, bei denen die Expansionstemperatur die metallurgische Grenze der Motorwerkstoffe weit überschreiten kann, da die zugeführte Wärmequelle nicht durch den Motor geleitet wird und die Motorwerkstoffe daher näher an der Durchschnittstemperatur des Arbeitsgases arbeiten. Der Stirling-Zyklus ist in der Praxis nicht realisierbar, der reale Zyklus in Stirling-Maschinen ist weniger effizient als der theoretische Stirling-Zyklus, außerdem ist der Wirkungsgrad des Stirling-Zyklus bei milden Umgebungstemperaturen geringer, während er seine besten Ergebnisse in einer kühlen Umgebung, z. B. im Winter in den nördlichen Ländern, erzielen würde.
- Die Ableitung der Abwärme ist besonders kompliziert, da die Kühlmitteltemperatur so niedrig wie möglich gehalten wird, um den thermischen Wirkungsgrad zu maximieren. Dies führt zu einer Vergrößerung der Kühler, was die Verpackung schwierig machen kann. Zusammen mit den Materialkosten ist dies einer der Faktoren, die den Einsatz von Stirlingmotoren als Antriebsaggregate für Kraftfahrzeuge einschränken. Für andere Anwendungen wie Schiffsantriebe und stationäre Mikrogenerationssysteme mit Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist eine hohe Leistungsdichte nicht erforderlich. ⓘ
Der Stirling-Kreisprozess besteht aus zwei isothermen Zustandsänderungen und zwei isochoren Zustandsänderungen, die sich periodisch wiederholen. Er dient als Vorlage für das Verständnis des Stirlingmotors, wird aber bei realen Bedingungen nicht erreicht. ⓘ
Umkehrung des Kreisprozesses
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 die 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 eingesetzt werden, der den gleichen thermodynamischen Kreisprozess realisiert. ⓘ
Bauformen
Spezialisierungen und Varianten
- Gamma-Konfiguration
- Flachplatten-Stirlingmotor
- Rhombengetriebe
- Philips-Stirlingmotor
- Ringbom-Stirling mit durch den schwankenden Druck im Arbeitsraum angetriebenen Verdränger ⓘ
Merkmale
Vorteile
- Zur Wärmeerzeugung sind viele Wärmequellen möglich (Feste Brennstoffe, Sonnenenergie beim Solar-Stirling, Erdwärme oder Ähnliches). Wasserkühlung steigert den Wirkungsgrad.
- Es gibt Stirlingmotoren, die nur wenige Kelvin Temperaturdifferenz benötigen, zum Beispiel der Flachplatten-Stirlingmotor von Prof. Ivo Kolin (Universität Zagreb 1982). Auch ein Betrieb mit Eiswasser als Kühlmittel ist möglich.
- Die Verbrennung ist kontinuierlich und ergibt so günstige Abgaswerte.
- Stirlingmotoren sind leise, da sie weder Explosions- noch Auspuffgeräusche produzieren.
- Der Verbrauch an Schmieröl in den Zylindern ist gering oder gleich null.
- Stirlingmotoren erzeugen hohe Drehmomente bei niedrigen Drehzahlen.
- Bestimmte Bauformen können selbständig unter Last anlaufen. ⓘ
Anwendungen
Immer wieder wird Stirlingmotoren nachgesagt, sie seien die Motoren der Zukunft. Wirtschaftlich sinnvoll sind sie aber nur in speziellen stationären Anwendungen. ⓘ
Anwendungsbereiche sind:
- Umwandlung von Solarenergie in mechanische Energie und Strom (Solar-Stirling).
- Geothermische dezentrale Blockheizkraftwerke zur nachhaltigen Erzeugung von Heizwärme und Elektrizität. Holzpelletbrenner erzeugen 20 Prozent elektrischen Strom und 70 Prozent Wärme.
- Bei U-Booten der Gotland-Klasse der schwedischen Marine wird der Stirlingmotor mit Dieselkraftstoff und flüssigem Sauerstoff betrieben.
- Für zukünftige Raumfahrtprojekte wird unter anderem von der NASA ein Generator mit radioaktiven Wärmequellen (zum Beispiel 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.
- Derzeit arbeitet die NASA am KRUSTY-Kernspaltung-Reaktor (Kilopower Reactor Using Stirling Technology), dessen Abwärme aus der Spaltung von hoch angereichertem Uran-235 durch Heatpipes mehreren Stirling-Konvertern mit eingebautem Lineargenerator zugeführt wird, die daraus eine elektrische Leistung von zusammen bis zu 10 kW erzeugen sollen, und zwar für mehrere Jahrzehnte Missionsdauer mit einem deutlich höheren Wirkungsgrad als derzeitige Radioisotopengeneratoren. Anfang 2018 wurde ein 1KW-Prototyp erfolgreich getestet. ⓘ
Der Stirlingmotor eignet sich als Antrieb für Wasserpumpen mit konzentrierter Sonneneinstrahlung als Wärmequelle. Der Wirkungsgrad der Maschinen wird mit 10 bis 13 Prozent angegeben, 5 Prozent für die ganze Solarpumpe. ⓘ
In der Medizintechnik wird derzeit ein Stirlingmotor entwickelt, der als Pumpe für eine Hydraulikflüssigkeit arbeitet, die wiederum die Blutpumpe von Herzunterstützungssystemen antreibt. Genutzt wird dazu ein Freikolbenmotor mit einem thermischen Energiespeicher, der Energie für acht Stunden Betrieb speichern kann 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. ⓘ
Seit dem Jahr 2010 werden gasbetriebene Stirlingmotoren auch für die Verwertung von Deponiegas eingesetzt. Der Vorteil liegt insbesondere darin, dass die beweglichen Teile des Motors keinen direkten Kontakt mit dem Deponiegas oder seinen Verbrennungsprodukten haben, wie zum Beispiel festes Siliciumdioxid (Sand), das bei der Oxidation von Siloxanen entsteht. ⓘ
Galerie
Animation zum Gamma-Stirlingmotor
Animation zum Rhombengetriebe
Solar-Stirling
Dieses Modell läuft mit der Wärme der Hand
816 PS starker 12 Zylinder V-Stirling-Diesel-Motor in der Wehrtechnischen Studiensammlung Koblenz ⓘ
_(42437712845).jpg)