ENERGIEFORMEN-INFO: Geräte: STIRLINGMOTOR

Spiritusbetriebener Stirlingmotor: BildQuelle

Der Stirlingmotor oder auch Heißluftmotor wurde 1816 von Robert Stirling entwickelt und ist eine periodisch arbeitende Wärmekraftmaschine, die Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt. Man unterscheidet zwischen Beta-Typ-, Alpha-Typ- und Gamma-Typ-Motor. 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 die Druckamplituden in kinetische Energie um und schließt den Arbeitsraum ab. Der Arbeitskolben bewegt sich meist in der fortwährend gekühlten Kaltzone, während sich der Verdrängerkolben immer zwischen der Heißzone und der Kaltzone befindet. Beim Gamma-Typ sind Arbeits- und Verdrängerkolben in verschiedenen miteinander verbundenen Zylindern untergebracht.

Animation eines Alpha-Typ-Motors
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Animation eines Stirling-Beta-Typ-Motors
Arbeitskolben re., Verdrängungskolben li.
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Der große Vorteil des Stirlingmotors besteht darin, dass er mit einer kontinuierlichen Wärmezufuhr betrieben wird und deshalb wenig Lärm erzeugt. Die kontinuierliche Verbrennung lässt sich schadstoffarm gestalten oder alternativ durch eine emissionsfreie Strahlungsquelle, wie z. B. der Sonne, radioaktive Zerfallswärme oder heißes Wasser oder Dampf aus der Geothermie ersetzen.

Bei einem idealen Stirlingprozeß gibt es 4 nacheinander ablaufende Zustandsänderungen:

Die Luft expandiert isotherm (also bei konstanter Temperatur), sie wird nach der Expansion isochor (das heißt bei konstantem Volumen) im Regenerator abgekühlt, danach wird sie isotherm komprimiert und wieder isochor im Regenerator aufgeheizt auf die Anfangstemperatur. Danach beginnt der Kreislauf wieder von vorn.

1.Takt: Expansionsphase: Im oberen Teil des Zylinders wird die Luft erhitzt, der dabei entstehende Druck bewegt den Arbeitskolben nach unten.

2.Takt: Der um eine Viertelperiode vorauseilende Verdrängungskolben bewegt sich nach oben, die Luft strömt durch die Kupferwolle des Regenerators in den unteren Teil des Zylinders, gibt dabei ihre Wärmeenergie an die Kupferwolle ab, sie kühlt sich dadurch ab.

3.Takt: Kompressionsphase: Der Arbeitskolben bewegt sich nach oben und komprimiert dabei die Luft. Die bei der Kompression entstehende Wärme wird sofort an den Kühlmantel abgegeben.

4.Takt: Der Verdrängungskolben drückt die Luft in den oberen Zylinderteil, wobei sie von der Kupferwolle im Regenerator Wärmeenergie aufnimmt.

Erklärungsvideo