Stirlingmotor

Der Stirlingmotor ist eine Wärmekraftmaschine, in der ein abgeschlossenes Arbeitsmedium (meistens ein Gas wie Luft oder Helium) von außen an zwei verschiedenen Stellen ständig erhitzt und gekühlt wird, um mechanische Energie zu erzeugen. Der Stirlingmotor arbeitet nach dem Prinzip eines geschlossenen Kreisprozesses und ist ein Beispiel für die Energieumwandlung von einer schlecht nutzbaren Energieform (thermische Energie) in eine für den Menschen besser einsetzbare Energieform, nämlich mechanischer Energie oder, mit nachgeschaltetem Generator, in die universell nutzbare Form der elektrischen Energie. Der Stirlingmotor kann mit einer beliebigen externen Wärmequelle betrieben werden. Es gibt Modelle, die bereits bei Anfassen durch die Wärme der menschlichen Hand in Gang kommen.^[1]  

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Überblick

Das Arbeitsgas wird im heißen Bereich expandiert und im kalten Bereich komprimiert, so dass nutzbare Arbeit abgeführt werden kann. Beide Vorgänge sind kinematisch über die Geometrie des Stirlingmotors gekoppelt, so dass über einen großen Bereich des Arbeitszyklus Nutzarbeit geleistet wird. Da man einen Bereich nicht abwechselnd ständig erhitzen und kühlen kann, haben Stirlingmotoren typischerweise einen permanent heißen (erhitzten) und einen permanent kalten (gekühlten) Bereich, zwischen denen das Arbeitsmedium hin und her bewegt wird. Gängige Stirlingmotoren speichern die im Arbeitsmedium enthaltene Wärme auf dem Weg von einem zum anderen Bereich zwecks Verbesserung des Wirkungsgrades in einem Speicher, dem sogenannten Regenerator. Dieser nimmt abwechselnd die Wärme auf und gibt sie wieder ab. Stirlingmotoren werden in der Regel als Hubkolbenmaschinen ausgeführt, z. B. auch als Flachplatten- oder Freikolbenmaschinen, es sind aber auch Kreiskolbenmotoren denkbar.

Man unterscheidet zwischen drei Hauptbauarten: dem Alpha-, 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.
• Beta-Typ: Beide Kolben laufen in einem Zylinder, wobei der Verdränger bei kleinen Leistungen als Regenerator wirken kann. Der andere Kolben ist der Arbeitskolben, wandelt thermische Energie in Arbeit um und schließt den Arbeitsraum ab.
• Beim Gamma-Typ sind Arbeits- und Verdrängerkolben in verschiedenen miteinander verbundenen Zylindern untergebracht.

Abgrenzung von anderen Motorarten und Besonderheiten

Beim Stirlingmotor bleibt das Gas innerhalb des Motors und wird nicht ausgetauscht. Das bedeutet, dass er, abgesehen von einer ggf. durch Verbrennung betriebenen externen Wärmequelle, ohne die Emission von Abgasen arbeitet.

Darin unterscheidet sich dieser Motor z. B. von Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren, denn bei Dampfmaschinen wird der Wasserdampf außerhalb des Zylinders erhitzt, in den Zylinder geleitet und nach der (ggf. mehrstufigen) Entspannung abgelassen. Bei Verbrennungsmotoren, wie z.B. dem Ottomotor oder dem Dieselmotor, wird das Gas (Kraftstoff-Luft-Gemisch) innerhalb des Zylinders durch Verbrennung erhitzt (innere Wärmequelle) und nach der Entspannung ausgetauscht.

Die äußere Wärmezufuhr und anschließende „aktive“ Kühlung des Gases schafft beim Stirlingmotor erhebliche Probleme hinsichtlich des Wärmedurchgangs durch eine dicke Zylinderwand, wie sie wegen der hohen Drücke erforderlich ist. Bei Stirlingmotoren höherer Leistung umgeht man dieses Problem, indem der Verdrängerkolben das Arbeitsgas durch dünne beheizte Röhrchen drückt. Eine übliche kurzzeitige alternierende Erwärmung und anschließende Kühlung ist kaum möglich. Man löst das Problem, indem die Motoren mit einer stetig heißen Zone und einer stetig kalten Zone ausgestattet werden. Beim unten abgebildeten einzylindrigen Beta-Typ bewegt sich der Arbeitskolben in der fortwährend gekühlten Kaltzone (oben), während sich der Verdrängerkolben immer in der Heißzone befindet. Beim Alpha-Typ besteht der Motor aus zwei getrennten Zylindern, einem heißen Arbeitszylinder und einem kalten Kompressorzylinder. Der problematische Wärmeaustausch wird verbessert, wenn ein innerer Wärmeaustausch über einen Regenerator erfolgt, vergleichbar einer Abwärmerückgewinnung zur Vorwärmung. Die zwischengespeicherte Wärme muss nicht abgeführt und zugeführt werden, wodurch sich die Kühl- bzw. Heizflächen verringern lassen. Beim Beta-Typ kleiner Leistungen kann der Verdrängerkolben zugleich als Regenerator wirken, beim Alpha-Typ sitzt er zwischen den Zylindern. Das Gas wird in stetem Wechsel durch den Regenerator in die Heißzone und dann in die Kaltzone geschoben. Dabei wird es von außen erhitzt, gekühlt und nimmt intern vom Regenerator Wärme auf und gibt an diesen Wärme ab. Die im Regenerator zwischengespeicherte Wärmemenge kann bis zum Vierfachen der zugeführten Wärme betragen. Eine weitere Besonderheit der Stirlingmotoren besteht konstruktionsbedingt in deren hohem Totraumanteil.

Beim Stirlingmotor ist es unerheblich, woher die Wärme stammt. Er benötigt im Gegensatz zum Ottomotor auch keinen besonderen Treibstoff, weil der Zylinderkopf von außen befeuert wird. Diesen kann man z. B. in den Brennpunkt eines Parabolspiegels setzen. So kann als Wärmequelle beispielsweise Sonnenenergie oder auch thermisch nutzbare Abwärme verwendet werden. Der Stirlingmotor ist außerdem gegen den Vakuummotor abzugrenzen.

Funktionsweise

Der Stirlingmotor ist ein sogenannter Heißgas-Motor. Im abgeschlossenen Gasraum bewegen sich bei der sogenannten Beta-Konfiguration zwei Kolben: der sogenannte Verdrängerkolben und der Arbeitskolben. Beide Kolben arbeiten mit um 90 Grad versetzten Kurbeltrieben auf ein Schwungrad. Die nutzbare Arbeit wird alleine vom Arbeitskolben aufgebracht, der Verdrängerkolben wird bewegt, um das Gas zu verschieben. Der Arbeitsablauf des Stirlingmotors kann in die folgenden vier Takte unterteilt werden:  

Bild 1→2: Das Gas wird im Inneren des Stirlingmotors im heißen Bereich erhitzt, indem von außen Wärme zugeführt wird. Durch die Erwärmung dehnt sich das Gas aus. Dadurch wird der Arbeitskolben fortgeschoben. Durch die Bewegung des Arbeitskolbens wird auch der Verdrängerkolben bewegt. Der Arbeitskolben und der Verdrängerkolben bewegen sich um 90° phasenverschoben. Dadurch wird im ersten Takt der Verdrängerkolben kaum bewegt (Sinusfunktion). In diesem Takt verrichtet der Arbeitskolben am Schwungrad Arbeit.

Bild 2→3: Das Schwungrad dreht sich aufgrund seiner Massenträgheit weiter. Der Verdrängerkolben schiebt nun das Gas vom heißen in den kalten Bereich, wo es abkühlt. Meistens übernimmt der Verdrängerkolben auch gleichzeitig die Aufgabe eines Wärmespeichers (Regenerator genannt): er nimmt einen Teil der Wärme des heißen, zur kalten Seite strömenden Gases auf. Im kalten Bereich wird das Gas durch Kühlrippen (Luftkühlung) oder z.B. durch einen wassergekühlten Mantel abgekühlt. Die Position des Arbeitskolbens ändert sich dabei kaum. Der Druck im Gasraum fällt aufgrund der Abkühlung ab.

Bild 3→4: Hier erfolgt bei Stirlingmotoren mit hohem Innendruck eine Kompression – nur bei geringem Innendruck kann auch bei diesem Takt Arbeit verrichtet werden, indem die Außenluft von außen auf den Arbeitskolben drückt. Andernfalls muss Arbeit zugeführt werden. Diese Arbeit wird durch die Schwungmasse aufgebracht. Die Position des Verdrängerkolbens ändert sich bei diesem Takt kaum.

Bild 4→1: Das Schwungrad dreht sich und dadurch wird der Verdrängerkolben nach oben bewegt. Dies hat zur Folge, dass das Gas aus dem oberen kühlen Bereich in den heißen Bereich verschoben wird (Erwärmung). Der Regenerator gibt dabei die im zweiten Takt gespeicherte Wärme an das Gas ab und wärmt es so vor. Der Zyklus beginnt von vorne.

Der Regenerator (bei Bauformen ohne Verdrängerkolben auch Diaphragma genannt) nimmt im Betrieb eine mittlere Temperatur an, die zwischen denjenigen der heißen und der kalten Seite liegt. Er wirkt aufgrund seiner Wärmekapazität und speichert die Wärme zwischen den Gaswechsel-Takten und sorgt im Idealfall dafür, dass das Gas mit dieser mittleren Temperatur in den heißen bzw. kalten Bereich gelangt und nicht mit den höheren bzw. niedrigeren Temperaturen der jeweiligen Bereiche. Genau dieses Prinzip führt zu einem Wirkungsgrad von 50% des Carnotwirkungsgrades

Theoretische Erklärung

Zustandsänderungen

  Das Arbeitsmedium wird in einem Kreisprozess aus zwei Isothermen und zwei Isochoren periodisch expandiert und komprimiert. Für die Zustandsänderungen gilt unter Verwendung folgender Abkürzungen:

Q,W = Wärmemenge , Arbeit in J
n = Stoffmenge des Arbeitsgases in mol
C_v = Molare Wärmekapazität bei v=konst. in J/mol
R = Universelle Gaskonstante in J mol^-1 K^-1
T_o,T_u = obere, untere Prozesstemperatur in K
V₂,V₃ = Volumen in oberem Totpunkt in m³
V₁,V₄ = Volumen in unterem Totpunkt in m³

Takt 1→2 ist eine isotherme Ausdehnung, bei der vom Gas Arbeit verrichtet wird. Die zugeführte Wärme Q_zu entspricht der verrichteten Arbeit W_ab nach der Formel:

Takt 2→3 ist eine isochore Abkühlung, bei der das Gas durch Wärmeabfuhr an den Regenerator wieder in den Ausgangszustand gebracht wird; die abzuführende Wärmemenge beträgt:

Takt 3→4 ist eine isotherme Kompression, deren zugeführte Volumenänderungsarbeit gleich der abzuführenden Wärmemenge Q_ab ist:

Takt 4→1 ist eine isochore Erwärmung, deren Wärmemenge vom Regenerator an das Gas abgegeben wird; diese beträgt:

Nutzarbeit

  Im oben dargestellten pV-Diagramm ist die vom Graphen umschlossene Fläche die von der Maschine verrichtete Arbeit, im T-s-Diagramm wird sie in diesem Fall als Differenz der zugeführten und abgeführten Wärme dargestellt und ergibt die schraffierte Fläche. Ermittelt wird die Nutzarbeit W_t aus der Energiebilanz entsprechend der linken Skizze:

zugeführte Energien = abgeführte Energien

Q_zu = Q_ab + W_t

W_t = Q_zu − | Q_ab |

mit obigen Beziehungen für Q_zu und Q_abwird

;mit

und man erhält die Nutzarbeit zu:

Wirkungsgrad

  Der Wirkungsgrad ist die Schwachstelle des Stirlingmotors.

Stirlingmotoren können prinzipiell keinen hohen Carnot-Wirkungsgrad erreichen, da die maximale Arbeitstemperatur durch die Temperaturfestigkeit des Erhitzers begrenzt ist. In der Praxis kann das Arbeitsgas kaum über 800 Kelvin erwärmt werden. Bei diesen niedrigen Temperaturdifferenzen beträgt der Carnot-Wirkungsgrad nur ungefähr 66% und liegt damit deutlich unter dem von herkömmlichen Verbrennungsmotoren. Diesen Nachteil haben auch Dampfturbinen. Allerdings erreichen Dampfturbinen rund 66% ihres Carnot-Wirkungsgrades und damit einen effektiven Wirkungsgrad von > 40%. Stirlingmotoren erreichen nur 50% ihres Carnot-Wirkungsgrades, der effektive Wirkungsgrad liegt entsprechend niedriger.

Merkmale

• 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 1989).
• Wenn die Wärmeerzeugung durch Verbrennung geschieht, sind beliebige Brennstoffe möglich. Außerdem kann die Verbrennung kontinuierlich und von außen erfolgen und erlaubt so günstige Abgaswerte.
• Fehlende Explosions- und Abgasgeräusche machen einen Stirlingmotor sehr leise.
• Der Verbrauch von Schmieröl ist gering.
• Die Leistungsänderung durch Steuerung des Wärmestromes ist sehr langsam und deshalb für Kraftfahrzeuge nicht geeignet. Andere Methoden der Leistungsregelung sind möglich, jedoch in der Regel aufwendiger. So kann die Leistung eines Stirlingmotors über den mittleren Betriebsdruck (Abblasen oder Zupumpen von Arbeitsgas) oder über Phasenverschiebung der Kolben geregelt werden.
• Stirlingmotoren arbeiten mit hohen Drücken, benötigen große Wärmeübertrager und sind deshalb schwer.
• Der Stirlingmotor kann schon als Einzylindermotor völlig frei von Massenkräften laufen
• Es gibt sehr viele verschiedene Bauformen, was vielseitige Anwendbarkeit und Weiterentwickelbarkeit ermöglicht.
• Stirlingmotoren erzeugen hohe Drehmomente vor allem bei niedrigen Drehzahlen.
• Bestimmte Bauformen können selbständig unter Last anlaufen.

Mögliche Anwendungen

Der Stirlingmotor kann als Kühler oder als Wärmepumpe eingesetzt werden. Dabei wird der Stirlingmotor mechanisch angetrieben und transportiert Wärme vom kalten in den heißen Bereich. Es handelt sich in diesem Fall um einen linksläufigen Kreisprozess.

Immer wieder wird Stirlingmotoren nachgesagt, sie seien die Motoren der Zukunft. Bisher haben sie sich aber nicht auf breiter Front durchgesetzt. Eine bereits bestehende Anwendung ist beispielsweise als Kühlaggregat in Wärmebildkameras.

Mögliche Anwendungsbereiche sind:

• Kältemittelfreie Kühlprozesse
• Kleine, dezentrale Blockheizkraftwerke zur Erzeugung von Elektrizität und Heizwärme, beispielsweise in der Geothermie
• Antrieb von Yachten und Booten bei großer Laufruhe.
• Direkte Umwandlung von Solarenergie in mechanische Energie

Darüber hinaus wird daran gearbeitet, Stirlingmotoren als Wasserpumpen in der dritten Welt einzusetzen. Hierbei wird als Wärmequelle die Sonneneinstrahlung verwendet. Der große Vorteil gegenüber Dieselmotoren ist der wesentlich geringere Wartungsaufwand, was die Investition in einen solchen Motor als Wasserpumpe nachhaltiger macht, da er auch weiterbetrieben werden kann, wenn keine Entwicklungsgelder mehr investiert werden können, beispielsweise für Wartung und Instandhaltung. Weitere Informationen finden sich unter Weblinks mit Details zur Anwendung als Wasserpumpe.

Eine technische Besonderheit des Stirlingmotors ist die Möglichkeit der extremen Miniaturisierung. Dies macht ihn besonders geeignet für den Einsatz als Wärmepumpe in Satelliten und Raumschiffen.

In der Medizintechnik wird zur Zeit 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.

Bei U-Booten wird der Stirlingmotor als luftunabhängiger Antrieb eingesetzt, z. B. bei der Gotland-Klasse der schwedischen Marine.

Geschichte

Hauptartikel: Geschichte des Stirlingmotors

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 Einzel-Energiequelle in den Privathaushalten des aufkommenden Bürgertums. Er war für damalige Verhältnisse in kleinen Ausführungen ein Massenprodukt 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 dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts durch die niederländische Firma Philips. Das Unternehmen baute in diesem Zeitraum große Mengen Radios für den Export und suchte nach einer leicht zu bedienenden und transportablen Kraftmaschine für die Stromerzeugung der energieintensiven Elektronenröhren in Gegenden ohne Stromversorgung. 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 lief völlig ohne Unwucht und ließ sich beinahe beliebig verkleinern, hatte jedoch das Problem der Dauerfestigkeit der Dichtung zwischen den beiden Kolbenstangen.

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.

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

Einzelnachweise

1. ↑ Dieter Viebach: Der Stirlingmotor: einfach erklärt und leicht gebaut, ökobuch-Verlag, ISBN 3-922964-70-2 (1. Aufl. 1998), Seite 82.

Literatur

• Martin Werdich, Kuno Kübler: Stirling-Maschinen. Grundlagen - Technik - Anwendung, ökobuch-Verlag, ISBN 3922964966 (10. Aufl. 2005) – hervorragende Einführung ins Thema mit Beschreibung vieler Bauformen und Anwendungen
• Fritz Steimle, Jürgen Lamprichs, Peter Beck: Stirling-Maschinen-Technik, C. F. Müller-Verlag, ISBN 3788077735 (2. Aufl. 2007) - Grundlagen, Konzepte, Entwicklungen, Anwendungen

• Eine gute, aber ausschließlich wärmetechnische Erklärung mit Animationen
• Stirling-Kältemaschine – Eine energieeffiziente Alternative
• Java-animierte Motorfunktion mit Carnot-Prozess-Diagramm
• Vortrag der Thermodynamik zum Stirlingmotor (PDF-Datei)
• Der Stirlingmotor Geschichte und Gegenwart
• Stirlingmotor als Wasserpumpe in der Dritten Welt
• Bauanleitung und Erklärung zu Stirlingmotor mit Bierdosen "Stirling" danach auf "Eigenbau"
• Internationales Stirling Forum 2008, 23.-24. September 2008, Osnabrück (PDF-Datei)