Was ist ein Stirlingmotor? Wie funktioniert ein Stirlingmotor?

Was ist ein Stirlingmotor? Wie funktioniert der Stirlingmotor? Wie wurde der Stirlingmotor entdeckt? In welchen Bereichen wird es eingesetzt? Wie wird Wärmeenergie in Bewegungsenergie umgewandelt? Details zu Stirlingmotoren finden Sie in unserem Artikel.

Was ist ein Stirlingmotor?

Ein Stirlingmotor ist eine Maschine, die die durch externe Erwärmung einer geschlossenen Kammer erzeugte Energie in mechanische Energie umwandelt. Auch Heißluftmotor genannt. Wenn sich die erwärmte Luft ausdehnt und komprimiert, beginnt sich der Motor zu bewegen. Es wurde 1816 von dem schottischen Priester Reverent Robert Stirling erfunden. Der Motor wurde von seinem Bruder James Stirling entwickelt. In der Zeit der Erfinder wurden dampfbetriebene Maschinen verwendet und sie waren ziemlich gefährlich. Sie machten sich auf die Suche nach einer zuverlässigeren Alternative. Sie wollten Wärmeenergie direkt in Bewegungsenergie umwandeln.

Was steckt im Stirlingmotor?

• Arbeitskolben (Verdränger): Er dient dazu, das Gas in der geschlossenen Kammer zu bewegen. Es wird im Allgemeinen in Beta-Typ- und Alpha-Typ-Engines verwendet.
• Kolben: Es hilft, Wärmeenergie in mechanische Energie umzuwandeln, indem es sich in den Zylindern im Motor bewegt.
• Schwungrad: Es ist die Struktur, an der die Kolben befestigt sind. Die Aufgabe dieser Struktur besteht darin, die erzeugte mechanische Energie auf die beweglichen Teile zu übertragen.
• Kühler: Es hilft, das Gas in der geschlossenen Kammer zu kühlen. Es hilft, den Motor für längere Zeiträume zu verwenden.
• Heizung: Es ist der wichtigste Teil des Motors. Es wird verwendet, um das Gas in der geschlossenen Kammer zu erhitzen, um die Wärmeenergie in Bewegungsenergie umzuwandeln.

Darüber hinaus kann es bei einigen Motortypen in anderen Komponenten als diesen verwendet werden. Dies liegt ganz im Ermessen der Entwickler.

Arbeitsprinzip des Stirlingmotors

Ein Stirlingmotor arbeitet durch wiederholtes Erhitzen und Abkühlen einer isolierten Menge Arbeitsgas (normalerweise Luft oder Gase wie Helium, Wasserstoff).

Das Gas zeigt ein durch die Gasgesetze definiertes Verhalten (relativ zu Druck, Temperatur und Volumen). Wenn das Gas erhitzt wird, steigt sein Druck an, weil es sich in einem isolierten Raum befindet, und beeinflusst den Kraftkolben, wodurch ein Krafthub erzeugt wird. Beim Abkühlen des Gases sinkt der Druck, wodurch der Kolben einen Teil der bei seinem Rückhub verrichteten Arbeit zur erneuten Verdichtung des Gases aufwendet. Das resultierende Netz erzeugt eine Kraft auf die Spindel. Das Arbeitsgas strömt periodisch zwischen den heißen und kalten Wärmetauschern. Das Arbeitsgas ist innerhalb der Kolbenzylinder eingeschlossen. Hier gibt es also kein Abgas. Im Gegensatz zu anderen Arten von Kolbenmotoren werden keine Ventile benötigt.

Einige Stirlingmotoren verwenden einen Splitterkolben, um das Arbeitsgas zwischen kalten und heißen Tanks hin und her zu bewegen. Das Arbeitsgas bewegt sich, indem es die Zylinder dank der Verbindung der Arbeitskolben der mehreren Zylinder auf unterschiedlichen Temperaturen hält.

Bei echten Stirlingmotoren ist zwischen den Tanks ein Regenerator platziert. Diese Wärme wird vom Regenerator übertragen, wenn ein Gaskreislauf zwischen der heißen und der kalten Seite auftritt. Bei einigen Konstruktionen ist der Trennkolben der Regenerator selbst. Dieser Regenerator trägt zur Effizienz des Stirling-Zyklus bei. Die hier als Regenerator erwähnte Struktur ist eigentlich eine solide Struktur, die nicht verhindert, dass etwas Luft hindurchströmt. Für diese Arbeit können beispielsweise Stahlkugeln verwendet werden. Wenn sich die Luft zwischen einem kalten Raum und einem warmen Raum bewegt, strömt sie durch diesen Regenerator. Bevor die heiße Luft den kalten Teil erreicht, hinterlässt sie etwas Wärmeenergie auf diesen Kugeln. Beim Übergang der kalten Luft auf die warme Seite erwärmt sie sich mit der zuvor freigesetzten Wärmeenergie etwas. Mit anderen Worten, es erhöht die Effizienz des Motors, indem es die Luft vor dem Eintritt in den heißen Teil vorwärmt und vor dem Eintritt in den kalten Teil vorkühlt.

Ein idealer Stirling-Motorzyklus hat den gleichen theoretischen Wirkungsgrad wie eine Carnot-Wärmemaschine für die gleichen Einlass- und Auslasstemperaturen. Sein thermodynamischer Wirkungsgrad ist höher als bei Dampfmaschinen. (oder einige einfache Verbrennungsmotoren und Dieselmotoren)

Jede Wärmequelle kann den Stirlingmotor antreiben. Verbrennungsmotor, der Ausdruck Verbrennung wird oft missverstanden. Die Wärmequelle kann durch Verbrennung erzeugt werden, kann aber auch Solarenergie, Geothermie oder Kernenergie sein. Ebenso können die zur Erzeugung einer Temperaturdifferenz verwendeten Kältequelle unterschiedliche Materialien unterhalb der Umgebungstemperatur sein. Die Kühlung kann durch die Verwendung von kaltem Wasser oder einem Kühlmittel erreicht werden. Da jedoch die von der Kältequelle zu erhaltende Temperaturdifferenz gering sein wird, muss mit größeren Massen gearbeitet werden, und der Leistungsverlust, der beim Pumpen auftritt, verringert die Effizienz des Zyklus.Verbrennungsprodukte kommen nicht in Kontakt mit den Innenteilen des Motors. Die Schmieröllebensdauer in Stirlingmotoren ist länger als in Verbrennungsmotoren.

Stirling-Motortypen

Es gibt 3 Haupttypen von Stirlingmotoren. Andere Motortypen sind verbesserte Versionen von 3 Motoren.

• Alpha-Stirlingmotor:

Es besteht aus zwei Kolben, einem Schwungrad, einem geschlossenen Gasraum mit den Kolben, Wärmetauschern, einem Wärmegenerator und einem Schwungrad. Ziel ist es, das darin enthaltene Gas zu aktivieren, indem der oben platzierte Bereich des Kolbens mit einer Wärmequelle erhitzt wird. Das erhitzte Gas beginnt, den Kolben hin und her zu schieben, der andere verbundene Kolben beginnt sich zu bewegen, so dass das heiße und kalte Gas in der Kammer verdrängt werden. Die erzeugte Energie wird mit Hilfe des Schwungrads übertragen, mit dem diese beiden Kolben verbunden sind.

• Beta-Stirlingmotor:

Es sind 2 Kolben auf der gleichen Welle. Diese beiden Kolben sind miteinander verbunden. Durch Erhitzen der Kammer mit dem Kolben unten wird das Gas in der geschlossenen Kammer erhitzt und aktiviert. Auf diese Weise beginnt der Kolben mit seiner Aufwärtsbewegung. Der andere verbundene Kolben unterstützt auch die Bewegung des kalten Gases in der Kammer. Das Schwungrad, an dem die Kolben befestigt sind, überträgt die erzeugte Energie.

• Gamma-Stirlingmotor:

Es gibt zwei getrennte Kolben. Die Kammer mit dem größeren Kolben wird erhitzt und das Gas darin aktiviert. Dadurch setzen sich die mit dem Schwungrad verbundenen Kolben in Bewegung.

Vorteile von Stirlingmotoren

• Da die Wärme extern zugeführt wird, können wir das Kraftstoff-Luft-Gemisch genau steuern.
• Da eine kontinuierliche Wärmequelle verwendet wird, um Wärme bereitzustellen, ist die Menge an unverbranntem Brennstoff sehr gering.
• Dieser Motortyp erfordert weniger Wartung und Schmierung als Motortypen auf ihrem Leistungsniveau.
• Sie sind im Vergleich zu Verbrennungsmotoren recht einfach aufgebaut.
• Sie können auch bei niedrigem Druck arbeiten, sie sind sicherer als Dampfquellenmaschinen.
• Niedriger Druck ermöglicht die Verwendung von leichteren und langlebigeren Zylindern.

Nachteile von Stirlingmotoren

• Die Kosten sind im Hinblick auf die Kraftstoffeinsparung hoch, da die notwendige Wärme beim ersten Start des Motors benötigt wird.
• Es ist ziemlich schwierig, seine Macht auf eine andere Ebene zu bringen.
• Einige Stirlingmotoren können nicht schnell starten. Sie brauchen ausreichend Wärme.
• Im Allgemeinen wird Wasserstoffgas in einer geschlossenen Kammer verwendet. Wenn die Moleküle dieses Gases jedoch ziemlich klein sind, ist es schwierig, es in der Kammer zu halten. Daher entstehen uns zusätzliche Kosten.
• Der kühlere Teil muss genügend Wärme aufnehmen. Wenn zu viel Wärme verloren geht, sinkt die Effizienz des Motors.

Anwendungsgebiete von Stirlingmotoren

Stirlingmotoren werden in Flugzeugmotoren mit geringer Leistung, Schiffsmotoren, Wärmepumpen und Blockheizkraftwerken eingesetzt. Heute wird es hauptsächlich zur Stromerzeugung in Solarfeldern verwendet.