Stirling-Motor.

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1 Stirling-Motor

2 Gliederung: Historie Aufbau/Typen Funktionsweise Theorie Wirkungsgrad
Stirling Motor Physik LK 13.2 Gliederung: Historie Aufbau/Typen Funktionsweise Theorie Wirkungsgrad Gegenwärtige u. zukünftige Einsatzgebiete Quellen

3 Historie Erfinder Robert Stirling (schottischer Geistlicher) 1816
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 Verwendung in BHKWs Stirling lebte von 1790 bis 1878; arbeitete viel mit seinem Bruder James zusammen; Blütezeit Motor von ihm 1843 leistete 34 kW (46,24 PS) und Wirkungsgrad von 18% (Bestwert im 19. Jh.!!!) Im 2. WK Unterbrechung der Entwicklung, Prioritäten wurden auf Benzin u. Dieselmotoren gelegt. BHKW = Blockheizkraftwerken; basiert auf Kraft-Wärme-Kopplung ; auch Fernwärme Nutzung; große Generatoren, bei Stirling Technik, vor allem Verwendung von Pellets

4 Aufbau / Typen: Alpha Typ: 2 Kolben in getrennten Zylindern
Stirling Motor Physik LK 13.2 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) Der a-Typ ist eine 2-Zylinder 2-Kolben Maschine, der für mittlere bis große Leistungen gebaut wird.  Dieser Erhitzer besteht aus vielen dünnen Röhrchen, durch diese strömt die Luft zum Arbeitszylinder und wird dabei erhitzt. Auch hier erfolgt wie beim b Stirlingmotor die Beheizung und die Kühlung gleichzeitig. Wir erkennen, daß es beim a Stirlingmotor keinen "Verdränger" gibt.

5 Beta Typ: Gamma Typ: Verdrängerkolben u. Arbeitskolben ein Zylinder
Stirling Motor Physik LK 13.2 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 Blau-Arbeitskolben ; gelb- Verdrängerkolben Der sogenannte b-Typ Stirlingmotor, ist dadurch gekennzeichnet, dass sein Verdränger und sein Arbeitskolben in einem Raum untergebracht sind. Der b-Typ Motor ist also eine 1-Zylinder Maschine. Der b-Typ Stirlingmotor wird für kleine bis mittlere Leistungen gebaut. Der Gamma-Typ ist durch die Unterbringung von Arbeits- und Verdrängerkolben in verschiedenen Zylindern gekennzeichnet. Bei solchen Maschinen ist die Abdichtung etwas leichter (Verdrängerstange muß nicht durch den Arbeitskolben durchgeführt werden), und es können einfachere Kurbeltriebe zum Einsatz kommen. Allerdings ist der Totraum meist größer und deshalb Wirkungsgrad und Leistungsausbeute geringer als bei Beta-Aggregaten. Wiki-Beta: Stirling Beta [Bearbeiten] 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 Stirlingmotor 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.

6 Stirling Motor Physik LK 13.2
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 Periodisch = Kreisprozess 1. Hauptsatz Energieerhaltung: U= innere Energie des Systems = E=c(spezifische Wärmekapazität)*m*delta T; Q zugeführte Energie; W=Arbeit Auf S. 329 ist Takt 1 oben Takt 4, Takt 2 oben Takt 1, etc.

7 Takt 2 + 4 sind sehr gerundet, eigentlich Nm/° Diagramm treppenförmig
Stirling Motor Physik LK 13.2 Regenerator = Stoff, der für kurze Zeit die Energie aufnimmt und nach einer gewissen Zeit wieder abgibt, z.B. 3 Scheiben Keramik mit Stahl-Alu Wolle gefüllt. Gibt nach ca. 0,015 s die Energie wieder ab, was bei einer Drehzahl von 1000/min fast optimal ist. Regenerator ist wichtig für hohen Wirkungsgrad, da sonst über diese „Verbindung“ Energie verloren geht! p-V-Diagramm ideal mit Kanten/Geraden. Takt 1 beginnt bei 90°. Takte gliedern sich etwa in 90° Schritte. Summe der Gasmassen ist konstant, es geht kein Gas verloren, oder muss hinzugefügt werden (Gas: Helium, oder Luft). Nur unter Ausdehung (Expansion wird Kraft gewonnen (s. Ableitung von Nm/° Diagramm)) Takt sind sehr gerundet, eigentlich Nm/° Diagramm treppenförmig Relativ hohe Drücke, Auto: Mitteldruck: 10bar, Formel 1: Turbos 57 Bar (Honda)

8 Theoretische Erklärung:
Stirling Motor Physik LK 13.2 Takt 1: Gas verrichtet Arbeit isotherme Ausdehnung Q (zu) = thermische Energie von T1 Takt 2: isochore Abkühlung durch „kalten“ Kolben und Regenerator n= m/M bzw. M=Molmasse= m/n = Stoffmenge in g / Stoffmenge in mol T0 = konst. V1 bzw. V2 sind die Volumen zu den unterschiedlichen Zeitpunkten Höhere Arbeitsleistung durch Gas mit großer Konstante R oder niedrige Molmasse M ln(delta V) ist so, Herleitung zu komplex Cv = molare Wärmekapazität bei V= konst. Größe in J/mol Vot= oberer Totpunkt Vut= unterer Totpunkt

9 Arbeit wird verrichtet isotherme Kompression Volumenänderungsarbeit =
Stirling Motor Physik LK 13.2 Takt 3: Arbeit wird verrichtet isotherme Kompression Volumenänderungsarbeit = Q(ab) Takt 4: isochore Erwärmung tlw. auch durch Regenerator Temperaturdifferenz Q (ab) = abzuführende Wärmemenge Tu = untere Prozesstemperatur s. Flash =konst.

10 schematisch zusammengefasst: Grundlage: Temperaturdifferenz
Stirling Motor Physik LK 13.2 schematisch zusammengefasst: Grundlage: Temperaturdifferenz

11 Wirkungsgrad: 1. Betrachtung: Gesamte Umsetzungskette: chem. Energie
Stirling Motor Physik LK 13.2 Wirkungsgrad: 1. Betrachtung: Gesamte Umsetzungskette: chem. Energie therm. Energie mech. Energie elektr. Energie Berechnung: bei Spiritus: P(zu)= 155 W P(ab)= 0,4 W ergibt: 0,258 %

12 Nutzung von hohen Temperaturdifferenzen
Stirling Motor Physik LK 13.2 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 % Der Carnot-Wirkungsgrad, auch Carnot-Faktor genannt, ist der höchste theoretisch mögliche Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische oder elektrische Energie. Sein Name leitet sich ab vom Carnot-Prozess, einem vom französischen Physiker Nicolas Léonard Sadi Carnot erdachten idealen Kreisprozess, dessen Wirkungsgrad er beschreibt. S. 329 B3 Leistung zur Drehzahl, sehr ähnlich mit Verbrennungsmotoren. Es gibt eine optimale Drehzahl, je höher, desto mehr Schleppmoment, Reibung Motor, Trägheit, etc. Verluste durch Reibung, Verwendung von Gas über 800 Kelvin problematisch, da Bauteile, etc. zu heiß werden, viel Energie wird gar nicht aufgenommen vom Motor, Luft um den Motor wird erhitzt

13 Anwendung (Gegenwart/Zukunft)
Stirling Motor Physik LK 13.2 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 Kältemaschine -> umgekehrter Prozess U Boote- Gotland Klasse 90er Jahre schwedische Marine; sehr hohe Laufruhe des Motors, kaum zu orten; alternative zu Atom U Booten, dieselelektrisch Satellit: Verwendung von Plutonium 238, hoher Wirkungsgrad und wenig Platz! Wasserpumpe 10-13% Wirkungsgrad Blutpumpe: thermischer Energiespeicher, aufladen alle 8 Stunden , Leistung von 3,3 Watt Amis auch in Kernkraft Forschung dran Nachteile: Keine sehr große Leistung möglich Schlechtes Leistungsgewicht -> nicht in Autos Flugzeugen, etc. Braucht viel Platz Jedoch: Nutzung von reiner thermischen Energie: Bisher immer nur in großem Maßstab (KKW, Kohlekraftwerk, etc.) „Miniaturbau“ für Abgase (Auto) -> Tokio University Le Mans LMP2 Energiezurückgewinnung von Abgasen

14 muss nicht auf Verbrennung beruhen beliebige Brennstoffe
Stirling Motor Physik LK 13.2 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

15 Quellen http://de.wikipedia.org/wiki/Stirlingmotor,
Stirling Motor Physik LK 13.2 Quellen total.com/mehr/news/2011/02/Tokai_University_Mit_brandneuem_KER S_in_Zhuhai_ html Impulse Physik