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  • Publizist und Freier Dozent, von Hause aus Ingenieur sowie gelernter Mechaniker und gelernter Maurer, Querdenker, Naturfreund und -nutzer, technisch interessiert aber auch technikkritisch, glaube nicht alles was mir erzählt wird.
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Andreas Quiring  

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Biohof-Gemeinschaft Baum des Lebens

30. Dezember 2010 4 30 /12 /Dezember /2010 14:59

Eine fast vergessene Technik, die jedoch derzeit im Zusammenhang mit regenerativen Energiequellen an Aktualität gewinnt, ist der Stirling-Motor. Anfang des 19. Jahrhunderts von einem schottischen Pfarrer dieses Namens erfunden, kann er Temperaturgefälle ausnutzen um mechanische Energie zu gewinnen. Da er beim Arbeiten Wärme von der einen Seite zur anderen transportiert, kann er beispielsweise in Kühlsysteme eingeschaltet werden und so Abwärme von irgendwelchen Anlagen nutzen.

Robert Stirling's engine patentZeichnung zu Robert Stirlings Patent auf seinen Motor 

 Die Funktionsweise des Stirling-Motors

     Der Stirling-Motor arbeitet mit Luft oder einem anderen Gas, das sich an der heißen Seite des Motors erwärmt und somit ausdehnt und Arbeit leistet. Anschließend wird es an der kalten Seite abgekühlt, so dass es sich zusammenzieht und dann zur heißen Seite zurück transportiert wird, wo es sich wiederum ausdehnt. Ähnlich wie ein Zweitakt-Ottomotor, den manche als den „Motor mit nur drei beweglichen Teilen“ (Kolben, Pleuel und Kurbelwelle) bezeichnen, ist ein Stirling-Motor mechanisch recht einfach aufgebaut und daher preisgünstig in der Herstellung. 

       Es gibt unterschiedliche Bauweisen des Stirling-Motors, die auf unterschiedliche Weise erreichen, dass Luft oder ein anderes als Arbeitsmedium verwendetes Gas zwischen der warmen und der kalten Seite hin und her gedrückt wird. Die Animation ein Stück weiter unten auf dieser Seite zeigt einen Alpha-Stirling Motor, der zwei Zylinder mit je einem Kolben besitzt, die jeweils als Verdränger- und Arbeitskolben beziehungsweise -zylinder wirken. Man kann hier auch von einem heißen und einem kalten Kolben beziehungsweise Zylinder sprechen.

Der Alpha-Stirling-Motor

   Wie man in der kleinen GIF-Animation hier sieht, dehnt sich die Luft im warmen Zylinder aus und treibt dessen Kolben nach unten, leistet also Arbeit. Der Clou bei der Sache ist, dass die Zylinder um 90° versetzt arbeiten: Während der Kolben im warmen Zylinder hinunter geschoben wird, sitzt er gewissermaßen „am längeren Hebel“, weil der kalte Kolben zu dieser Zeit in der in der Nähe des oberen Totpunktes ist. Das bewirkt, dass der warme Kolben und nicht der im kalten Zylinder nach unten geht. Weil sich dieser ja in der Nähe des oberen Totpunktes befindet, bewegt der kalte Kolben sich auch kaum und daher ändert sich das Volumen des kalten Zylinders auch sehr wenig, so dass die warme Luft dort nicht hin kann. Die Ausdehnung der erwärmten Luft findet daher im warmen Zylinder statt, wo sie dessen Kolben nach unten drückt und dabei eben mechanische Arbeit leistet.

 

Alpha Stirling

So arbeitet ein Alpha-Stirling-Motor (Quelle: Wikimedia, lizensiert nach GNU)

 

   Wenn sich der warme Kolben seinem unteren Totpunkt nähert, ist auch der kalte auf dem Weg zu dem seinen und macht Platz für die Luft die jetzt mehr und mehr aus dem warmen Zylinder durch das Verbindungsrohr herüber kommt. Da sich die Luft dabei abkühlt und zusammenzieht, kann der warme Kolben sie auch vollends in den kalten Zylinder schieben, wenn er seinen unteren Totpunkt überschritten hat und sich wieder dem oberen nähert.

   Schließlich überschreitet 90° Kurbelwellendrehung nach dem warmen Kolben auch der kalte seinen unteren Totpunkt und beginnt, die zwischenzeitlich abgekühlte Luft in den warmen Zylinder zurückzuschieben. Das klappt auch, weil sie sich ja beim Abkühlen zusammengezogen hat. Wenn der kalte Kolben schließlich in die Nähe seines oberen Totpunktes gelangt, hat der warme den seinen aufgrund der 90° Voreilung bereits überschritten und kann von der Luft, die sich nun im warmen Zylinder wiederum erwärmt, erneut nach unten gedrückt werden, so das ein neues Arbeitsspiel beginnt.

Der Beta-Stirling-Motor

   Auch beim Beta-Stirling-Motor wird Luft (oder ein anderes Gas) von einer warmen auf eine kalte Seite transportiert und umgekehrt. Es gibt hier eine Arbeitskolben, dessen Außenfläche dicht mit der Zylinderwarndung abschließt und einen Verdrängerkolben, zwischen dessen Außenfläche und der Zylinderwand Platz ist, so das die Luft ihn umströmen kann. Bewegt sich dieser Kolben in seinem Zylinder, schiebt er die Luft zwischen den beiden Enden dieses Zylinders hin und her. Da dessen eines Ende warm und das andere kalt ist, wird die Luft daher abwechselnd erwärmt und abgekühlt. Wenn sich die Luft erwärmt, dehnt sie sich aus und drängt damit aus dem Verdrängerzylinder hinaus, so das sie in einem Arbeitszylinder einen Kolben hinunterdrücken kann. Wenn dieser seinen Totpunkt überschritten hat und wieder nach oben geht, drückt er die Luft wieder zurück in den Verdrängerzylinder, dessen Kolben mittlerweile seine kalte Seite freigegeben hat, so dass die Luft sich dort abkühlt und deswegen Platz findet.

Beta stirling animation

Arbeitsweise eines Beta-Stirling-Motors (Bildquelle: Wikimedia Commons, lizensiert nach GNU)

 

   Da sich der Verdrängerkolben jedoch weiterbewegt, wird die kalte Luft auch wieder auf die warme Seite des Verdrängerzylinders geschoben, wo sie sich wiederum ausdehnt und aus dem Zylinder hinaus drückt. Mittlerweile hat aber auch schon der Arbeitskolben seinen oberen Totpunkt überschritten, so dass die heiße Luft ihn wiederum nach unten drücken kann, womit ein weiteres Arbeitsspiel beginnt.

     Beim Beta-Stirling-Motor können Arbeits- und Verdrängerkolben hintereinander in einem Zylindern angeordnet sein, so wie das bei der Abbildung oben der Fall ist. Sie können aber auch in getrennten Zylindern laufen, wie man das meist bei einfachen Stirling-Motoren sieht, die mit Bastlermitteln gebaut wurden. Das liegt wohl vor allem daran, dass es zwar elegant, aber auch technisch aufwendig ist, die Kolbenstange des Verdrängerkolbens durch den Arbeitskolben zu führen.

Wärmegefälle mit Stirling-Motoren nutzen

   Im Prinzip kann man mit Stirling-Motoren jedes Wärmegefälle nutzen. Es gibt sogar kleine Modelle, die man sich auf die Handfläche stellt und die dann mit dem Temperaturunterschied zwischen Hautoberfläche und Umgebungsluft arbeiten.

   Natürlich ist, wie bei allen Wärmekraftmaschinen, auch beim Stirling-Motor der Unterschied zwischen der Temperatur des Arbeitsgases am Anfang des Arbeitshubes und der an dessen Ende der entscheidende Faktor für die erzeugbare mechanische Leistung: Je höher das Temperaturgefälle, desto größer die mögliche Leistung im Verhältnis zur Menge des Arbeitsgases. Stirling-Motoren für sehr kleine Temperaturgefälle müssen daher sehr groß im Verhältnis zur abgegebenen Leistung sein. Der Vorteil jedoch ist, dass man auch Wärme, die sonst allenfalls zu Heizzwecken verwenden könnte, noch in mechanische Arbeit verwandeln kann.

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Kommentare

Arni 09/16/2011 20:48


Es ist so viel Zeit vorbeigegangen und hat keine geschafft was anderes auszudenken nur weiter entwickelt.


Laufende Kosten zu hoch?

Zu hohe Stromrechnung? Gas zu teuer? Internetkosten inakzeptabel?

 

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