Stirlingmotor


Stirlingmotor

Animation eines Stirling Beta, rechts:Arbeitskolben, links:Verdrängerkolben
Ein kerzenbetriebener Demonstrations-Stirlingmotor

Der Stirlingmotor, auch Heißgasmotor genannt, ist eine Wärmekraftmaschine, in der ein abgeschlossenes Arbeitsgas wie Luft, Helium oder Wasserstoff (Wasserstoff hat die höchste spezifische Gaskonstante, die größte Wärmeleitfähigkeit, die größte Wärmekapazität und die niedrigste Viskosität aller denkbaren Arbeitsgase) von außen an zwei verschiedenen Bereichen erhitzt und gekühlt wird, um mechanische Arbeit zu leisten. Der schottische Geistliche und Konstrukteur Robert Stirling (1790–1878) stellte 1815 erstmals den Entwurf eines solchen Motors vor. Der Stirlingmotor arbeitet nach dem Prinzip eines geschlossenen Kreisprozesses und ist ein Beispiel für die Energieumwandlung von einer schlecht nutzbaren Energieform (thermische Energie) in die besser einsetzbare Energieform mechanischer Energie. Der Stirlingmotor kann mit einer beliebigen äußeren Wärmequelle betrieben werden. Es gibt Modelle, die bereits bei Anfassen durch die Wärme der menschlichen Hand in Gang kommen.[1]

Überblick

Das Arbeitsgas dehnt sich im erwärmten Zylinderraum aus und zieht sich im kalten Zylinder wieder zusammen, wobei nutzbare mechanische Arbeit entsteht. Eine Stirlingmaschine, die von außen angetrieben wird, arbeitet als Kältemaschine oder als Wärmepumpe, je nachdem, ob der heiße oder der kalte Bereich genutzt wird. Stirlingmotoren haben einen permanent erhitzten und einen permanent gekühlten Bereich, zwischen denen das Arbeitsgas hin und her bewegt wird. In Stirlingmotoren gibt üblicherweise das heiße Arbeitsgas einen Teil seiner Wärmeenergie auf dem Weg zum kalten Bereich an einen Speicher, den sogenannten Regenerator ab. Dieser nimmt die Wärme vorübergehend auf und gibt sie wieder an das Gas ab, wenn es vom kalten Bereich zurück in den warmen Bereich geschoben wird. Der Regenerator verbessert den Wirkungsgrad des Stirlingmotors, er speichert bis zu 80 Prozent der pro Zyklus umgesetzten Wärme. Stirlingmotoren werden in der Regel als Hubkolbenmaschinen ausgeführt, es gibt aber auch Flachplatten-, Freikolbenmaschinen und Kreiskolbenmotoren.

Man unterscheidet zwischen drei Hauptbauarten: dem Alpha-, dem Beta- und dem Gamma-Typ.

  • Beim Alpha-Typ sind zwei Kolben (bei der Hubkolbenbauweise) in separaten Zylindern untergebracht und wirken um 90° versetzt auf eine gemeinsame Kurbelwelle. Beide Kolben verrichten also je nach Kurbelwellenposition Arbeit oder sie verdrängen oder verdichten das Gas. Der Regenerator ist unbeweglich und verbindet an der Zylinderkopfseite beide Kolben. Eine verbreitete Bauart ist der doppeltwirkende Vierzylinder-V-Motor, bei dem der Kurbeltrieb vom hohen Druck des Arbeitsgases entlastet wird.
  • Beta-Typ: Beide Kolben laufen in einem Zylinder, wobei der Verdränger bei kleinen Leistungen als Regenerator wirken kann. Der andere Kolben ist der Arbeitskolben; er wandelt 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, anders als z. B. bei Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren, innerhalb des Motors und wird nicht ausgetauscht (sogenannter Heißgas-Motor). Wenn die externe Wärmequelle auch keine Abgase erzeugt, gibt es keine Emissionen.

Die gesamte Wärmeenergie muss beim Stirlingmotor durch Wärmeleitung quer durch die dicke Zylinderwand, wie sie entsprechend dem hohen Innendruck erforderlich ist, zu- und abgeführt werden. Das schafft erhebliche Probleme, weil die Wärmedurchgangskoeffizienten aller Metalle zumindest im Verhältnis zur direkten Wärmezufuhr bei einer inneren Verbrennung wie in einem Otto- oder Dieselmotor ungünstiger sind bzw. bei hohen Temperaturen im Brennpunkt eines auf die Sonne gerichteten Hohlspiegels die Gefahr besteht, den Erweichungspunkt der Legierung des Wärmetauschers zu überschreiten, wodurch das als Kreislaufmedium verwendete Gas wie Helium oder Wasserstoff entweichen kann. Bei Stirlingmotoren höherer Leistung umgeht man dieses Problem, indem der Verdrängerkolben das Arbeitsgas durch dünne beheizte Röhrchen drückt. Das hat den Nachteil, dass das „Totvolumen“ VUT recht groß ist und die erreichbare Leistungsdichte (erzielbare Leistung im Verhältnis zur Masse des Aggregats in W/kg) verringert wird. Stirlingmotoren mit hoher Leistung haben deshalb einen sehr hohen mittleren Betriebsdruck.

Die für die Funktion erforderliche heiße Zone und kalte Zone kann unterschiedlich gestaltet sein:

  • Beim Alpha-Typ besteht der Motor aus zwei getrennten Zylindern, einem heißen Arbeitszylinder und einem kalten Kompressorzylinder. Diese sind durch einen Kanal verbunden.
  • Beim Beta-Typ nutzen beide Kolben einen gemeinsamen Zylinder. Der Arbeitskolben bewegt sich in der fortwährend gekühlten Kaltzone, während sich der Verdrängerkolben immer in der Heißzone befindet.
  • Der Gamma-Typ hat einen großen Verdrängerzylinder mit einer heißen und einer kalten Seite sowie einen kleinen Arbeitszylinder, der an der heißen oder der kalten Seite angeschlossen sein kann („hot end connected Gamma“ bzw. „cold end connected Gamma“).

Der problematische Wärmeaustausch wird vereinfacht, wenn ein Regenerator als Zwischenspeicher für Wärmeenergie verwendet wird. Die zwischengespeicherte Wärme muss nicht abgeführt und zugeführt werden, was verkleinerte Kühl- bzw. Heizflächen erlaubt. 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.

Der große Vorteil des Stirlingmotors besteht darin, dass er mit einer kontinuierlichen Wärmezufuhr betrieben wird. Die kontinuierliche Verbrennung lässt sich schadstoffarm gestalten oder alternativ durch eine emissionsfreie Strahlungsquelle, wie z. B.

  • die Sonne,
  • radioaktive Zerfallswärme oder
  • heißes Wasser oder Dampf aus der Geothermie

ersetzen. Während ein hoher technologischer Aufwand zu betreiben ist, um bei einem Otto- oder Dieselmotor die innere diskontinuierliche Verbrennung sowohl effizient als auch schadstoffarm zu betreiben, kann beim Stirlingmotor der äußere energieliefernde Prozess einfacher umgesetzt werden. Wegen der kontinuierlichen Wärmezufuhr benötigt der Stirlingmotor im Gegensatz zum Ottomotor oder Dieselmotor keinen besonderen Treibstoff, er ist prinzipiell leicht als Vielstoffmotor auslegbar, sogar Feststoffe sind als Wärmequelle denkbar. Auch kann, wie schon erwähnt, Sonnenlicht im Brennpunkt eines Parabolspiegels als Wärmequelle dienen. Das heiße Wasser einer Geothermiebohrung eignet sich ebenfalls als Antriebswärmequelle.

Ein weiterer Vorteil ist, dass das Arbeitsgas in einem geschlossenen System geführt wird und daher der Eintrag von Verschmutzungen von außen vermieden werden kann. Das Arbeitsgas und der Schmierstoff werden insofern nur durch den reibungsbedingten Abrieb belastet, der bei der Bewegung der Teile entsteht. Ferner kann durch die Kapselung die Einwirkung von Sauerstoff auf die inneren Teile des Motors und die Schmierstoffe minimiert werden. Geeignete moderne Schmierstoffe können auf minimierte Verharzung ausgelegt werden, so dass ein sorgfältig gefertigter Stirlingmotor eine hohe Lebensdauer aufweisen kann.

Wichtig ist es, die aus Werkstoffgründen maximal im Wärmetauscher mögliche Temperatur zu erreichen, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen.

Stirlingmotor, Alpha-Konfiguration

Ein Alpha-Stirling besteht aus zwei Kolben in getrennten Zylindern. Ein Kolben ist heiß, der andere kalt. Der heiße Zylinder ist in einem Hochtemperatur-Wärmetauscher eingebettet, der kalte in einem Niedertemperatur-Wärmetauscher. Dieser Motortyp hat eine hohe Literleistung. Allerdings kann es durch die hohen Temperaturen im heißen Zylinder zu Problemen mit den Dichtungen kommen.[2]

Die folgenden Diagramme zeigen keine für die Krafterzeugung notwendigen internen Wärmetauscher im Kompressions- und Ausdehnungsbereich. Ein Regenerator würde zum Beispiel im Rohr zwischen den zwei Zylindern angebracht werden. Auch die Kurbelwelle wurde weggelassen.

Alpha Stirling frame 12.png
1. Der Großteil des Gases ist aufgeheizt im heißen Zylinder, und die folgende Ausdehnung hat den heißen Kolben an den linken Rand des Zylinders gedrückt. Die Expansion setzt sich im kalten Zylinder fort. Dieser ist 90° hinter dem heißen Zylinder und entzieht dem heißen Gas weitere Energie.
Alpha Stirling frame 16.png
2. Das Gas hat seine größtmögliche Ausdehnung erreicht. Der heiße Kolben drückt das meiste Gas in den kalten Zylinder, wo das Gas abkühlt und der Druck sinkt.
Alpha Stirling frame 4.png
3. Das meiste Gas ist nun im kalten Zylinder und kühlt sich weiter ab. Angetrieben von Trägheitskräften oder anderen Kolbenpaaren auf derselben Welle komprimiert der kalte Kolben das restliche Gas.
Alpha Stirling frame 8.png
4. Der Arbeitstakt. Das Gas erreicht seine kleinste Ausdehnung. Es dehnt sich in dem heißen Zylinder aus, wird von den heißen Zylinderwänden erhitzt, und treibt den heißen Kolben.


Alphatyp-Stirling (animierte Version)

Stirling Beta

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

Stirling-Kreisprozess

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

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

Im Regenerator (bei Bauformen ohne Verdrängerkolben auch Diaphragma genannt) bildet sich im Betrieb ein Temperaturverlauf von der heißen zur kalten Seite aus. Er speichert aufgrund seiner Wärmekapazität die Wärme zwischen den Gaswechseltakten und sorgt im Idealfall dafür, dass heißes Gas nach Durchlauf des Regenerators auf der anderen Seite kalt herauskommt bzw. kaltes Gas in der Gegenrichtung am anderen Ende heiß ankommt, analog einem Gegenstrom-Wärmeübertrager. Der Wirkungsgrad des idealen Stirlingmotors ist bei einem idealen Regenerator gleich dem Carnotwirkungsgrad.

Theoretische Erklärung

Zustandsänderungen

p-V-Diagramm des Stirling-Prozesses

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
$ m $ = Stoffmenge des Arbeitsgases in g
$ M=\frac{m}{n} $ = Molmasse des Arbeitsgases in g/mol
$ C_v $ = Molare Wärmekapazität bei v=konst. in J mol-1 K-1
$ R $ = Universelle Gaskonstante in J mol-1 K-1
$ T_o,T_u $ = obere, untere Prozesstemperatur in K
$ V_2,V_3 $ = Volumen im unteren Totpunkt in m³
$ V_1, V_4 $ = Volumen im oberen Totpunkt in m³

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

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

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

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:

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

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

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

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

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

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


Nutzarbeit

Datei:Bilanz.PNG
Energiebilanz

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

$ Q_{zu}= Q_{ab} + W_{st} $
$ W_{st} = Q_{zu} - |Q_{ab}| $

Mit obigen Beziehungen für Qzu und Qab wird

$ W_{st} = n\cdot R\cdot T_0 \cdot \ln \left(\frac{V_2}{V_1}\right) - n\cdot R\cdot T_u \cdot \ln \left( \frac{V_3}{V_4} \right) \ $.

Setzt man für die Volumenverhältnisse

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

erhält man für die Nutzarbeit:

$ W_{st}=n\cdot R \cdot (T_0 -T_U) \cdot \ln \left( \frac{V_{UT}}{V_{OT}} \right) $

Abschätzung der Leistung

Für eine grobe Einschätzung in der Praxis haben sich verschiedene ungefähre Formeln bewährt:

  • Kolin verwendet $ P [\text{kW}] = 0{,}5 \cdot 10^{-8}\cdot V [\text{dm}^3]\cdot \left(\Delta T [\text{K}]\right)^3 $ , gibt aber an, dass bei Flachplattenmaschinen die gemessenen Werte etwa der Hälfte davon entsprechen.
  • Beale beschreibt die Leistung mit $ P [\text{W}] = 0{,}015 \cdot f [\text{Hz}] \cdot V [\text{cm}^3] \cdot p [\text{bar}] $ für durchschnittliche Maschinen.
  • Senft verfeinert das mit $ P = F \cdot f \cdot V \cdot p \cdot \frac{T_O - T_U}{T_O + T_U} $. Dabei ist $ F $ ein Faktor zwischen 0.25 und 0.35, $ f [\text{Hz}] $ die Frequenz, $ V [\text{m}^3] $ das Arbeitsvolumen (Hubraum), $ p [\text{Pa}] $ der Druck, $ T_O [\text{K}] $ die höhere und $ T_U [\text{K}] $ die niedrigere Temperatur.

Wirkungsgrad

Carnot-Wirkungsgrade für verschiedene Temperaturen $ T K $ des kälteren Wärmereservoirs

Der Wirkungsgrad des Stirlingmotors kann theoretisch den Carnot-Wirkungsgrad erreichen:

$ \eta=1-\frac{T_U}{T_O} $

In Wirklichkeit entstehen aber Reibungsverluste, zudem entspricht der tatsächliche Kreisprozess nicht unbedingt dem optimalen Carnot-Prozess. In der Praxis kann das Arbeitsgas kaum über 800 Kelvin erwärmt werden, was einem Carnot-Wirkungsgrad von ungefähr 66 % entspricht. Bei Stirlingmotoren, die befeuert werden, ist der Wirkungsgrad des Gesamtsystems jedoch niedriger, da ein Teil der Wärme im Abgas entweicht. Dieser Anteil wird durch Vorwärmung der Verbrennungsluft mit einem Abgas-Wärmetauscher möglichst niedrig gehalten. Bei Niedertemperaturmaschinen, die z.B. direkt von der (nicht oder wenig konzentrierten) Sonne erhitzt werden, ist der Carnot-Wirkungsgrad entsprechend klein (z.B. 10 %), jedoch können die Verluste gegenüber der Carnot-Bedingung gering gehalten werden.

Gegenwärtig werden Stirlingmotoren oft zum Antrieb kleiner Blockheizkraftwerken (BHKW) angeboten, da besonders in Wohngebäuden der Geräuschpegel von Verbrennungsmotoren stört. BHKW mit Stirlingmotoren haben jedoch auch hier einen weit geringeren Wirkungsgrad bezüglich Strom (el.)./. Abwärmeproduktion (th.)- nur ca. 1:6 [3], während BHKW mit Explosionsmotoren 1:2,5 erreichen [4]. Deshalb sind heutige BHKW mit Stirlingmotor nur geeignet, wenn mit deren "schlechtem" Wirkungsgrad hauptsächlich Raumwärme erzeugt werden soll (bei gleichzeitig geringeren Wartungskosten und etwas geringerem Verlust von Abgaskraftleistung).

Merkmale

Datei:RHOMB MOTOR3.PNG
Stirlingmotor mit Rhombengetriebe
  • Die Wärmeerzeugung muss nicht notwendigerweise auf Verbrennung beruhen, sondern es kann jede Wärmequelle (Solarenergie beim Solar-Stirling, Erdwärme o. ä.) genutzt werden.
  • Es gibt Stirlingmotoren, die nur wenige Kelvin Temperaturdifferenz benötigen, z. B. der Flachplatten-Stirlingmotor von Prof. Ivo Kolin (Universität Zagreb 1982).
  • Wenn die Wärmeerzeugung durch Verbrennung geschieht, sind beliebige Brennstoffe möglich. Außerdem kann die Verbrennung kontinuierlich und von außen erfolgen und erlaubt so günstige Abgaswerte.
  • Stirlingmotoren haben eine geringe Geräuschentwicklung, da sie weder Explosions- noch Auspuffgeräusche produzieren.
  • Der Verbrauch an 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 aufwändiger. So kann die Leistung eines Stirlingmotors über den mittleren Betriebsdruck (Abblasen oder Zupumpen von Arbeitsgas) oder über die Phasenverschiebung der Kolben geregelt werden.
  • Stirlingmotoren arbeiten mit hohen Drücken, benötigen große Wärmeübertrager und sind deshalb schwer.
  • Der Stirlingmotor kann schon als Einzylindermotor ohne zusätzliche Ausgleichswellen 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.

Anwendungen

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

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

Anwendungsbereiche sind:

  • Direkte Umwandlung von Solarenergie in mechanische Energie (Solar-Stirling).
  • Kühlaggregat in Wärmebildkameras;
  • Kleine, dezentrale Blockheizkraftwerke zur nachhaltigen Erzeugung von Elektrizität und Heizwärme, beispielsweise in der Geothermie und mit Sonnenenergie. Erhältliche Produkte erzeugen aus Holzpellets 20 % elektrischen Strom und 70 % Wärme.
  • Bei U-Booten wird der Stirlingmotor als luftunabhängiger Antrieb eingesetzt, zum Beispiel bei der Gotland-Klasse der schwedischen Marine.

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

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

Darüber hinaus wird daran gearbeitet, Stirlingmotoren als Wasserpumpen in der Dritten Welt einzusetzen. Dabei wird als Wärmequelle nicht oder wenig konzentrierte Sonneneinstrahlung verwendet. Eckhart Weber hat verschiedene Modelle gebaut und patentieren lassen[7], ebenfalls Jürgen Kleinwächter von der damaligen Firma Bominsolar.[8] Der Wirkungsgrad der Maschinen wird mit 10-13 % angegeben, 5 % für die ganze Solarpumpe. Der große Vorteil gegenüber Dieselmotoren ist der wesentlich geringere Unterhalts- und Wartungsaufwand.

In der Medizintechnik wird derzeit ein Stirlingmotor entwickelt, der als Pumpe für eine Hydraulikflüssigkeit arbeitet, die wiederum die Blutpumpe von Herzunterstützungssystemen antreibt. Zum Einsatz kommt ein Freikolbenmotor mit einem thermischen Energiespeicher, der eine Speicherkapazität von acht Stunden aufweist und in einer Stunde wieder zu laden ist. Das System hat eine thermische Leistung von 21 Watt bei einer Leistungsabgabe von 3,3 Watt und wird derzeit an Tieren erprobt.

Geschichte

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

Der Stirlingmotor wurde 1816 vom damals 26-jährigen schottischen Geistlichen Robert Stirling erfunden. Es ist nach der Dampfmaschine die zweitälteste Wärmekraftmaschine. Stirling wollte mit seinem Motor eine Alternative zu den damals aufkommenden Hochdruckdampfmaschinen bieten, die zahlreiche Opfer durch Kesselexplosionen forderten.

Eine erste Blüte erlebte der Stirlingmotor am Ende des 19. Jahrhunderts als Einzelenergiequelle in den Privathaushalten des aufkommenden Bürgertums. In für damalige Verhältnisse kleinen Ausführungen war er ein Massenprodukt des Fabrikanten Louis Heinrici und stellte ungefähr das Pendant zu unseren heutigen Elektromotoren dar. Er wurde beispielsweise für den Antrieb von Ventilatoren verwendet.

Eine Weiterentwicklung erlebte der Stirlingmotor in den 1930er Jahren durch die niederländische Firma Philips. Das Unternehmen baute in dieser Zeit große Mengen Radios für den Export und suchte nach einer leicht zu bedienenden transportablen Kraftmaschine für die Stromversorgung der energieintensiven Elektronenröhren in Gegenden ohne Versorgung mit elektrischer Energie. In diesem Zusammenhang entwickelte man den Philips-Stirlingmotor, einen Motor mit einem Zylinder und zwei Kolben auf einer gemeinsamen Kurbelwelle. Während der Arbeitskolben direkt auf die Kurbelwelle wirkte, wurde der Verdrängerkolben über einen Winkelhebel und ein elastisches Pleuel angetrieben. Er hatte eine Phasenverschiebung von 90°. Später verwendete man ein Rhombengetriebe, bei dem beide Kolben miteinander verbunden waren; die Kolbenstange des inneren Kolbens wirkte dabei durch die hohlgebohrte Kolbenstange des äußeren Kolbens.

Diese Bauart

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

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

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.

In Verbindung mit dem Kraft-Wärme-Kopplung-Gesetz (KWK-Gesetz) sind jüngst wieder Vorhaben bekannt geworden, den Stirlingmotor einer breiteren Anwendung zuzuführen:

  • Viessmann
  • Baxi (August Brötje) und
  • Remeha als Freikolben-Stirlingmotor.

Eine Freikolben-Wärmekraftmaschine, bei der die Arbeitsmaschine (z. B. Generator) von einem Stirlingmotor angetrieben wird (sie besteht also aus zwei Teilen, dem Generator und dem Stirlingmotor),[9] hat den großen Vorteil, dass nur noch zwei axial belastete Teile vorhanden sind und beim Betrieb keine Radialkräfte auftreten, deren zusätzliche Reibungsverluste nur durch eine aufwändige Schmierung minimiert, aber nicht ganz vermieden werden können:

  • der freischwingende Arbeitskolben im Generator und
  • der ebenfalls freischwingende Verdrängerkolben im Stirlingmotor.[10]

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

Literatur

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

Weblinks

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

Einzelnachweise

  1. Dieter Viebach: Der Stirlingmotor: einfach erklärt und leicht gebaut, ökobuch-Verlag, ISBN 3-922964-70-2 (1. Aufl. 1998), S. 82.
  2. Animation: keveney.com: Zwei Zylinder Stirlingmotor
  3. http://www.senertec.de/de/derdachs/dachs-stirling.html
  4. http://www.vaillant.de/Produkte/Kraft-Waerme-Kopplung/Blockheizkraftwerke/produkt_vaillant/mikro-BHKW_ecoPOWER_1.0.html
  5. Development of Advanced Stirling Radioisotope Generator for Space Exploration NASA-Dokument, Englisch
  6. MSL-Verschiebung und neue Energiequellen, www.raumfahrer.net, 9. Januar 2009
  7. http://www.freepatentsonline.com/EP0570731.pdf
  8. http://www.bsrsolar.com/
  9. Generator und dem Stirlingmotor
  10. PDF bei www.tga-praxis.de