Stirling-Motor

Gliederung:

•Historie•Aufbau/Typen•Funktionsweise•Theorie•Wirkungsgrad•Gegenwärtige u. zukünftige

Einsatzgebiete

•Quellen

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Stirling Motor Physik LK 13.2

Historie

• Erfinder Robert Stirling (schottischer Geistlicher) 1816

• Nach der Dampfmaschine die zweitälteste Wärmekraftmaschine

• Im Laufe des 19. Jh. wurde er zu einer Standardmaschine (vgl. heute Elektromotor) in vielen Haushalten

• 1930 Weiterentwicklung durch Philips -> diente als Generator in Gegenden ohne Strom

• Nach 2. WK Versuche als Schiffs- und Autoantrieb, jedoch kein Erfolg

• Ab ca. 1975 Verwendung in BHKWs

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Aufbau / Typen:•Alpha Typ:

• 2 Kolben in getrennten Zylindern

• Heißer/kalter Kolben

• Hohe Literleistung

• tlw. Temp.-Probleme im „heißen“ Zylinder

• „kalter“ Zylinder läuft 90° hinter dem „heißen“ Zylinder (bauartsabhängig)

• Schwungrad (Kurbelwelle)

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• Beta Typ:

• Verdrängerkolben u. Arbeitskolben

• ein Zylinder• Schwungrad (Kurbelwelle)• Luft oder Wasserkühlung des

„heißen“ Gases• Verdrängerkolben ohne

„Kolbenringe“ -> ermöglicht Gasaustausch

• Gamma Typ:

• sehr ähnlich dem Beta Typ• Verdrängerkolben u.

Arbeitskolben in unterschiedlichen Zylindern

• Schwungrad (Kurbelwelle)• mehrere Kühlmöglichkeiten• verbraucht mehr Platz als Beta

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Funktionsweise:

• Stirlingmotor ist eine periodisch arbeitende Wärmekraftmaschine

• wandelt Wärmeenergie /thermische Energie in mechanische Energie um

• Grundlage: Thermodynamik p · V = n · R · T 1. Hauptsatz der Th.Dy.: dQ = dW + dU• Voraussetzung: Temperaturdifferenz (je höher, desto

besserer Wirkungsgrad)

• Takt 1: isotherme Ausdehnung (Arbeitstakt)• Takt 2: isochore Abkühlung• Takt 3: isotherme Kompression• Takt 4: isochore Erwärmung

• Druck ist die wechselnde Größe bei diesem Prozess

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Theoretische Erklärung:• Takt 1:

• Gas verrichtet Arbeit• isotherme Ausdehnung• Q (zu) = thermische Energie von T1

• Takt 2:

• isochore Abkühlung• durch „kalten“ Kolben und Regenerator

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• Takt 3:

• Arbeit wird verrichtet• isotherme Kompression• Volumenänderungsarbeit = Q(ab)

• Takt 4:

• isochore Erwärmung• tlw. auch durch Regenerator• Temperaturdifferenz

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•schematisch zusammengefasst:

•Grundlage: Temperaturdifferenz

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Wirkungsgrad:• 1. Betrachtung:• Gesamte Umsetzungskette:

chem. Energietherm. Energiemech. Energieelektr. Energie

• Berechnung:

• bei Spiritus: P(zu)= 155 W P(ab)= 0,4 W• ergibt: 0,258 %

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•weitere Betrachtung:

•Verwendung von Regeneratoren, um möglichst nah an den Carnot-Wirkungsgrad heranzukommen

•Nutzung von hohen Temperaturdifferenzen

•Suchen der optimalen Drehzahl d. Motors, auch in Bezug auf Regenerator

•-> ermöglicht einen Wirkungsgrad von ca. 10 %

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Anwendung (Gegenwart/Zukunft)• Kältemaschine/Wärmepumpe

• Umwandlung von Solarenergie in mechanische Energie

• kältemittelfreie Kühlprozesse• Kühlaggregat in Wärmebildkameras• U-Boote, luftunabhängiger Generator• Yachten, Boote• Raumfahrt, NASA Satellit• Miniatur-/Modellbau• Wasserpumpe dritte Welt (Sonnenstrahlung)• Medizin: Blutpumpe

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PRO CONTRA

• muss nicht auf Verbrennung beruhen

• beliebige Brennstoffe• kaum Ölverbrauch

(Schmierung)• kaum Vibrationen -> hohe

Laufruhe• hohes Drehmoment bei

geringer Drehzahl• benötigen tlw. keinen

Starter• geräuscharm

• schlechtes Leistungsgewicht

• keine hohe Maximalleistung

• hohe Drücke -> hohes Gewicht der Bauteile

• große Wärmetauscher -> benötigen viel Platz

• sehr träges Ansprechverhalten -> keine Nutzung im Automobil

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Quellen• http://de.wikipedia.org/wiki/Stirlingmotor,• http://library.thinkquest.org/C006011/german/sites/stirling.php3?

v=2• http://de.wikipedia.org/wiki/Mitteldruck• http://www.stirling-fette.de/howdo.htm• http://www.motorsport-total.com/mehr/news/2011/02/Tokai_Univ

ersity_Mit_brandneuem_KERS_in_Zhuhai_11021402.html• http://www.stirlingmotor.org/• http://techni.tachemie.uni-leipzig.de/stirling/• http://www.heissluft-stirling.de/es_gibt_drei_verschiedene_typen_

.htm• http://www.guette-feinwerktechnik.de/html/funktion.html• Impulse Physik

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