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Funktionsweise des Stirlingmotors

28.06.2007 (Jürgen Blumenkamp). Wie funktioniert eigentlich ein Stirlingmotor, bzw. was ist das eigentlich? Der Stirlingmotor ist nach der Dampfmaschine die zweitälteste Wämekraftmaschine. Der Stirlingmotor hat generell einen höheren Wirkungsgrad als die Dampfmaschine, auch als ein Benzin- oder Dieselmotor. Beim Stirlingmotor wird Wämeenergie in mechanische Arbeit umgesetzt, wobei hochinteressant ist, daß diese Wämeenergie von außen an den Motor herangeführt werden muß. Der Stirlingmotor benötigt also keine "innere" Verbrennung eines Kraftstoffes, sondern kann mit beliebigen Wärmequellen arbeiten - und genau dies macht den Stirlingmotor so hochinteressant. Denn nun können wir z.B. mit Solar Energie, mit Wärme aus der Verbrennung von Deponiegas, einfach nur durch zuführen von Wärme einen Motor, nämlich den Stirlingmotor betreiben.

Bild oben; der Philips Stirlingmotor von ca. 1950.

Wirklich wahr :-)

Also noch einmal; ein Motor braucht normalerweise einen Treibstoff, wie Benzin, oder Diesel, oder elektrischen Strom bei einem E-Motor. Der Stirlingmotor jedoch benötigt einfach nur Wärme. Das ist alles, das ist der Treibstoff. Und genau das ist so phantastisch. Der Stirlingmotor ist also eine Wärmekraftmaschine, in der ein hermetisch abgeschlossenes Arbeitsmedium (meistens ein Gas wie Luft oder Helium, Wasserstoff, Kohlendioxid) durch drastische Temperaturänderungen in regelmäßigen Zyklen von außen erwärmt und wieder abgekühlt wird, um mechanische Energie zu erzeugen. Es handelt sich somit um einen geschlossenen Kreisprozess, der mit einer beliebigen externen Wärmequelle betrieben werden kann. Und genau deswegen ist der Stirlingmotor auch so extrem umweltfreundlich. Es benötigt nur Wärme. Es findet keine Verbrennung statt.

Weiter mit der Funktionsweise

Stellen Sie sich ein (feuerfestes) Glas vor, nur gefüllt mit "ganz normaler Umgebungsluft". Dieses Glas überziehen wir oben an der Öffnung mit einer Gummihaut, welche dicht ist. Ein Luftballon (eine Wandung) ist dafür sehr gut geeignet. Wir haben also nun die Luft in dem Glas von der Luft der "Aussenwelt" abgeschlossen. Die Luft im Glas hat momentan also die gleiche Temperatur und auch den gleichen Luftdruck wie die Luft der "Aussenwelt". Wird nun aber Wärme zugeführt, z.B. durch eine Kerzenflamme unterhalb des Glases, so steigt die Temperatur der Luft im Glas. Diese wird sich physikalisch bedingt nun aber ausdehnen wollen. Also Folge stellen wir tatsächlich ein "aufblasen" der Gummihaut nach oben hin fest.

Würde man das Glas nun wieder abkühlen lassen, also die Flamme entfernen, wird sich der Druck wieder vermindern, die Gummihaut also wieder eben sein. Würde man nun die Luft noch weiter abkühlen, z.B. durch Wärmeentzug, beispielsweise indem das Glas in den Kühlschrank, oder gar die Kühltruhe gestellt wird, so wird sich die Gummihaut nach unten ziehen, also in das Glas hinein, denn der Druck der Luft wird bei Kälte weniger, also wird die Umgebungsluft von aussen auf die Gummihaut drücken, diese also hineindrücken in das Glas. Wir sehen also nicht die Veränderung des Luftdruckes, sehr wohl aber seine Wirkung - die Gummihaut zeigt es uns.

Dies ist also die prinzipielle Funktionsweise. Wir haben nun lediglich (noch) das Problem (bei unserem Experiment) das diese Vorgänge noch recht langsam gehen, und wir ja auch immer wieder die Wärme zuführen und entfernen müssten. Das ist doch zu kompliziert. Hinzu kommt, das wir ja das ausdehnen der Gummihaut noch nicht nutzen können, weil wir ja keine Umwandlungsmechanik verwenden, die eine "hin und her" Bewegung in eine "Drehbewegung" umwandelt kann. Wir müssen also nur noch diese beiden "Probleme" lösen, und haben einen richtigen Motor. Und eine Lösung kommt nun;

Dies ist freilich nur die prinzipielle Funktionsweise. Für einen funktionierenden Stirlingmotor sind noch div. weitere Details erforderlich, die wir hier aber zunächst einmal nicht weiter erläutern wollen, einfach weil das recht umfangreich und auch kompliziert ist.

Zusammenfassung

In einem abgedichteten, an seiner Unterseite beheizten Zylinder schiebt ein Kolben den man "Verdrängerkolben" nennt, die eingeschlossene Luft zwischen der heißen und der kalten Seite hin und her. Die Luft dehnt sich dabei jedes Mal aus und zieht sich wieder zusammen, und das wird über einen "Arbeitskolben" und eine Kurbelwelle in eine Drehbewegung umgesetzt.

Bei höherwertigeren Stirlingmotoren wird als "Arbeitsgas" natürlich nicht einfach nur Luft verwendet, sondern ein anderes Gas, wie z.B. Kohlendioxid, oder auch andere Gase.

Als Energiequelle dient jede beliebige Wärme- oder Kältequelle, mit der sich eine Temperaturdifferenz erzeugen lässt, vom offenen Feuer über Solarenergie bis zu sonst ungenutzter Wärme oder Kälte. Je nach dem, ob die Temperaturdifferenz negativ oder positiv ist, läuft der Stirlingmotor in die jeweils andere Drehrichtung.

Ergänzende Links