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Flachplatten-StirlingmotorDer Flachplatten-Stirlingmotor ist eine Bauform des Stirlingmotors, der jedoch mit diskontinuierlicher Steuerung des Verdrängers arbeitet und bereits mit sehr niedriger Temperaturdifferenz arbeitet. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
ÜberblickDiese Variante ist recht einfach im Aufbau und mit wenigen Bauteilen herstellbar. Das Flachplattensystem hat im Verhältnis zum Volumen eine größere Wärmeübertragungsfläche. Die Vorderwand wird beheizt (z.B. Sonneneinstrahlung, Warmwasser oder andere Brennstoffe). Die als Membran ausgeführte Rückseite ist luft- oder auch wassergekühlt. Der Verdränger wirkt gleichzeitig als Regenerator. Durch die diskontinuierliche Steuerung des Plattensystems wird die von der Kurbelwelle herrührende sinusförmige Bewegung in zwei ruckartige Bewegungen vom Verdränger aufgeteilt. Durch die verstellbaren Anschläge ist es regelungstechnisch gelungen, eine Totzeit einzustellen.
Dadurch wird der Kreisprozess in den Ecken besser ausgefahren, die Toträume werden geringer. Toträume (oder auch Schadräume) sind alle mit Arbeitsgas gefüllten Räume, die nicht aktiv am Prozess teilnehmen). Die beiden PV-Diagramme zeigen diesen Sachverhalt auf. Die gelb markierten Flächen stellen die Arbeit des Prozesses dar. Q = Qzu – Qab. Es ergeben sich somit neue Einsatzmöglichkeiten für umgebungsnahe Temperaturbereiche. Mögliche Energiequellen für Niedrig-Temperatur-Anwendungen sind direkte Sonneneinstrahlung, heißes Wasser aus Flachkollektoren, geothermisch erhitztes Wasser und industrielle Restwärme. FunktionsweiseDer Flachplatten-Stirlingmotor nach Prof. Kolin (1985) besteht im wesentlichen aus folgenden Bauteilen:
Der Arbeitslauf des Motors kann in 4 Prozesse (Phasen 1 bis 4) unterteilt werden. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die unten angegebene Bilderfolge. Phase 1 => 2Das Gas (Luft, Helium usw.) im Arbeitsraum wird beim Hereindrücken der Arbeitsplatte (Verdränger) unter Kühlung komprimiert. Der Verdränger verharrt dicht an der heißen Plattenseite liegend. Die Arbeitsplatte ist zugleich die kalte Seite. Phase 2 => 3Im Moment des kleinsten (kühlen) Gasvolumens klappt der Verdränger von der heißen Seite auf die kalte Seite um. Die Luft strömt dabei durch den porösen Verdränger/Regenerator und nimmt die in ihm gespeicherte Wärme auf. Phase 3 => 4Die erwärmte Luft dehnt sich aus und drückt die Arbeitsplatte/Membran geringfügig nach außen. Diese Hubbewegung wird auf das Schwungrad übertragen und ist der Arbeitstakt. Die Luft dehnt sich nun im heißen Arbeitsraum maximal aus. Phase 4 => 1Beim größten (heißen) Gasvolumen klappt der Verdränger von der kalten auf die warme Seite um. Die heiße Luft strömt durch den kühlen porösen Verdränger/Regenerator und gibt Wärme an ihn ab. Nun beginnt der Vorgang wieder bei Phase 1. Theoretische ErklärungDas Arbeitsmedium wird in einem Kreisprozess aus zwei Isothermen und zwei Isochoren periodisch expandiert und komprimiert. Im PV-Diagramm ist die vom Graphen umschlossene Fläche (gelb) die von der Maschine verrichtete Arbeit. Takt 1 ist eine isotherme Ausdehnung, bei der Arbeit vom Gas verrichtet wird und Takt 2 eine isochore Abkühlung. Takt 3 ist eine isotherme Kompression und Takt 4 eine isochore Erwärmung. Das Prinzip dieser Maschine beruht auf dem so genannten Stirlingschen Kreisprozess. Die Maschine arbeitet zwischen der hohen Temperatur Tmax und der niedrigen Temperatur Tmin. Dabei ist die Differenz dieser beiden Temperaturen entscheidend für den Wirkungsgrad, der die Effizienz der Maschine beschreibt. Vorteile
GeschichteSeit 1970 baute Professor Ivo Kolin (Universität Zagreb) 16 Versuchsmotoren. 1983 erreichte er mit Motor Nr. 16 erstmals einen Betriebsbereich mit einer Temperaturdifferenz von 16 Kelvin. 1989 referierte Kolin in San Francisco über seine Entwicklungen auf der 19. Intersociety Energy Conversion Engineering Conference (IECEC). Literatur
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Flachplatten-Stirlingmotor aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |