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Stirling-KreisprozessDer Stirling-Kreisprozess besteht aus 2 Isothermen und 2 Isochoren und wird üblicherweise mit dem PV-und TS-Diagramm dargestellt. Der Stirling-Kreisprozess wird verwirklicht durch eine Maschine mit zwei Kolben bestehend aus einem Verdränger- und Arbeitskolben. Das folgenden Schema zeigt einen Stirlingmotor mit axialer Kolbenanordnung im Zylinder (Philips-Stirlingmotor). Die mit (1,2,3,4) gekennzeichneten Kolbenstellungen sind die Diagrammeckpunkte des Stirling-Vergleichsprozesses im pV- und im Ts-Diagramm. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
Stirlingprozess (ideal)Der Idealprozess der Stirlingmaschine lässt sich durch vier Zustandsänderungen beschreiben und im folgenden pV-Diagramm darstellen. Das Arbeitsmedium wird in einem Kreisprozess aus zwei Isothermen und zwei Isochoren periodisch expandiert und komprimiert. Im pV-Diagramm ist die vom Graphen umschlossene Fläche die von der Maschine im ideal Fall verrichtete Arbeit. Die folgenden Prozessbeschreibung ist nur gültig für den unaufgeladenen Stirlingmotor. Beim aufgeladenen Prozess pendeln die Drücke um einen Mitteldruck, der höher als der Atmosphärendruck ist. In der nachfolgenden Abb. 5 ist der Prozessablauf I - IV näherungsweise dargestellt.
Zu den verwendeten Abkürzungen siehe Begriffserklärung. ZusammenfassungWarum kann der Stirling-Motor Arbeit abgeben? Antwort in einem Satz: Man braucht nur ein Wärmegefälle
In der Phase I. der isothermen Expansion bei der hohen Temperatur (TH) nimmt das Gas im geschlossenen Zylinder Wärme auf und wandelt sie vollständig in Arbeit um. Der Druck (p) des Gases erzeugt auf die Fläche (A) des Arbeitskolben (AK) eine Kraft (F = p*A). Bewegt sich dieser Kolben nun in der Zeit (Δs) nach oben, so beträgt die dabei abgegebene Arbeit:
Im pV-Diagramm des idealen Stirlingprozesses (Abb. 4) erkennt man anschaulich als (rot) dargestellt die Fläche 1256 unter der Isothermen TH wieder. Während der Phase III. der isothermen Kompression bei niedriger Temperatur (TK) muss weniger Arbeit zugeführt werden, die Fläche 4356 unter der Isothermen (TK) ist kleiner. Bei einer Umdrehung des Motors ist daher die vom Kreislauf umschlossene Fläche 1234 gerade die Arbeit Wpv, die insgesamt abgegeben wird. Je besser der Wirkungsgrad, um so größer ist die dargestellte Fläche, desto mehr Arbeit kann der Motor abgeben. Stirlingprozess (real)Der ideale Stirlingprozess ist, wie auch alle anderen ideale Kreisprozesse, nicht genau zu realisieren. Das nachstehende Diagramm (Abb. 5) zeigt mit der Fläche (gelb) die reale Leistung die zur Nutzung verbleibt im Vergleich zum vorstehenden idealen Prozess-Diagramm. Die folgenden Auflistung der Gründe dafür ist gleichzeitig auch eine Einführung in die Problematik des Stirlingmotors. Gründe für Wirkungsgradverluste(Einige) Gründe, warum der reale Prozess vom idealen abweicht:
Um den Wirkungsgrad zu verbessern (der Prozess wird in den Ecken besser ausgefahren) und Totraum so klein wie möglich zu halten, ist eine diskontinuierliche Kolbensteuerung sinnvoll. Der Nachteil ist höherer Verschleiß durch mechanische Belastung und die Geräuschentwicklung.
Im Idealfall befindet sich das gesamte Arbeitsmedium (Gas) im Expansions- und Kompressionsraum. Noch bis 1999 realisierte Motoren beträgt der Totraum ca. 30 bis 50 % des Gesamtvolumens. Meistens befinden sich in diesen Toträumen (auch Schadräumen genannt) die Wärmetauscheraggregate wie Erhitzer, Regeneratoren, Kühler. Dadurch geänderte Volumenverhältnisse bringen auch veränderte Druckverhältnisse mit sich, die sich sehr negativ auf den Gesamtwirkungsgrad auswirken.
Dieser Wärmeverlust entsteht durch den Wärmestrom entlang des Zylinders nach außen in Richtung Temperaturgefälle.
Dieser Verlust tritt bei Stirlingmaschinen mit einer Nenndrehzahl von mehr als 200 U/min verstärkt auf. Die Kompression und Expansion laufen dabei so schnell ab, dass der Wärmefluss, die für eine Isothermie nötig wäre, nicht mehr Schritt halten kann. Ergebnis ist der Druckanstieg bei der Kompression bzw. ein steiler Druckabfall bei der Expansion. Kategorien: Stirlingmotor | Thermodynamischer Kreisprozess |
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Stirling-Kreisprozess aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |