SUPERENGINE® | Was macht ein Stirlingmotor?
                             von Karl Obermoser

SUPERENGINE ®  | Stirlingmotor Arbeitsweise

Er komprimiert eine Gasmasse auf ein kleineres Volumen. Die damit verbundene Aufheizung des Gases wird durch gleichzeitige Wärmeabfuhr in den Regenerator verhindert.


Dann heizt er das Gas auf, indem er es bei konstantem Volumen durch die durchströmbare Kühler-Regenerator-Erhitzer-Anordnung schiebt (verdrängt).

Dann expandiert er das Gas auf das Ausgangsvolumen. Die damit verbundene Abkühlung des Gases wird durch gleichzeitige Wärmezufuhr aus dem Regenerator verhindert.

Dann kühlt er das Gas bei konstantem Volumen wieder ab, indem er es in Gegenrichtung durch die oben genannte Anordnung schiebt.


SUPERENGINE ®  | Stirlingmotor Querschnitt

Da die zur Kompression nötige bzw. bei der Expansion frei werdende Arbeit proportional zur absoluten Temperatur des Gases ist, ist die Differenz aus beiden die Nutzarbeit. Der theoretische Wirkungsgrad des Stirlingmotors kann somit von keiner anderen Wärme-Kraftmaschine übertroffen werden.


Der Wirkungsgrad, der von Stirlingmotoren in der Praxis erreicht wird, ist allerdings ebenso unbefriedigend, wie der maschinenbauliche Aufwand, der bis heute zur Realisierung seines idealen und natürlichen Kreisprozesses betrieben wird.


...und was kann er eigentlich leisten?

Die Leistung eines Stirlingmotors wird bei Vernachlässigung sämtlicher Verlustfaktoren im Wesentlichen durch das verdrängte Volumen (das ist beim ß-Stirling der Hubraum des Verdrängers), durch das Kompressionsverhältnis (das ist beim ß-Stirling das Verhältnis von Hubraum des Arbeitskolbens zum mittleren Arbeitsvolumen), durch den mittleren Arbeitsdruck und durch die Arbeitsfrequenz bzw. Drehzahl bestimmt.

Sie berechnet sich wie folgt:


es seien

Va = Hubraum des Arbeitskolbens / m³

Vv = Hubraum des Verdrängers / m³

Vm = mittleres Arbeitsvolumen / m³

pm = mittlerer Arbeitsdruck / pascal

Te = Expansionstemperatur / Kelvin

SUPERENGINE ®  | mathematisches Symbol T = Temperaturdifferenz / Kelvin

f = Arbeitsfrequenz / (1/sec)

K = Adiabetenexponent des Arbeitsmediums

Pt sei die aufgenommene thermische Leistung / Watt und Pm die gewonnene mechanische Leistung / Watt


dann gilt für Pt:

SUPERENGINE ®  | Formel Stirlingmotor thermische Leistung

und für Pm:

SUPERENGINE ®  | Formel Stirlingmotor mechanische Leistung


Kurz zum Stand der Technik

Stirlingmotoren gibt es in unzähligen Varianten. Fast ebenso viele Möglichkeiten gibt es, sie zu klassifizieren.


Alle Stirlingmotoren haben (mindestens) zwei Kolben. Es gibt Versionen, bei denen die beiden Kolbenbewegungen über einen gemeinsamen Kurbeltrieb unterschiedlicher Komplexität koordiniert werden, es gibt solche, bei denen ein Kolben oder alle beide frei schwingen, und es gibt solche mit flüssigen oder gasförmigen Kolben.

Die fundamentalste und allgemeinste Unterscheidung ist hierbei die Unterscheidung anhand der Kolbenfunktionen.

Hier gibt es genau zwei grundverschiedene Kategorien:


1. Motoren mit einem Arbeitskolben zur Kompression und Expansion und einem Verdränger zur Verschiebung des Arbeitsgases zwischen Erhitzer und Kühler (genannt beta-Stirling, unteres Bild). Diese gibt es in allen oben genannten Varianten, und man unterscheidet hier auch noch nach Proportionen. Ist der Querschnitt von Kolben und Verdränger groß gegenüber ihrer Ausdehnung in Hubrichtung, sind sie also scheiben- oder plattenförmig, so spricht man von Flachplatten-Stirlingmotoren. Diese flächige Bauform hat den Vorteil, dass bei geringen Wärmeflüssen aufwändige Erhitzer und Kühler entfallen können, da die Gehäuseflächen groß genug sind, diese Aufgabe zu übernehmen. Ein extremer Nachteil ist die bauartbedingte mangelnde Druckfestigkeit. Deshalb kann dieses Konzept bisher nur in Spielzeuggröße mit vertretbarem Aufwand realisiert werden.


2. Motoren mit einem Expansionskolben und einem Kompressionskolben, wobei die Funktion des Verdrängers von beiden gemeinsam wahrgenommen wird (genannt alpha-Stirling, oberes Bild). Diese sind bisher hauptsächlich als Versionen mit Kurbeltrieb bekannt.


Stirlingprozesse können auch ohne jedes technische Zutun entstehen: wenn eine Schallwelle in ein feinporiges Material eindringt, dann wirkt bereits ein Stirling-Kreisprozess und pumpt Wärme in Richtung der Schallquelle. Dieser Zusammenhang ist schon mindestens seit Peter H. Ceperley bekannt, nur gab es bisher keine Umsetzung dieser Erkenntnis in ein befriedigendes maschinenbauliches Konzept.



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