Der Stirlingmotor

Die Funktion des Stirlingmotors

Die Funktionsweise des Stirlingmotor lässt sich in vier Schritten erklären.

1. Der Druck im Inneren des Heizzylinders steigt und die Luft dehnt sich aus. Der Verdrängerkolben bewegt sich wegen seiner Versetzung zum Arbeitskolben um 90° kaum. Deshalb strömt die erhitzte Luft an ihm vorbei in den Kühlzylinder und schiebt den Arbeitskolben nach hinten.

2. Durch die Bewegung des Verdrängerkolben, aufgrund der Drehung des Schwungrades, wird die gerade erhitzte Luft in den Kühlzylinder verdrängt.

Dort gibt sie Energie in Form von Wärme an den Kühlzylinder ab. Ihre Temperatur sinkt von T1 auf T2. Der Arbeitskolben bewegt sich dabei kaum.

3. Fast die gesamte Luft aus dem Heizzylinder ist jetzt im Kühlzylinder.

Durch das Schwungrad schiebt sich der Arbeitskolben nach vorn und komprimiert dabei die Luft.

Diese erwärmt sich dadurch aber nicht sondern gibt weiter Energie an den Kühlzylinder ab. Ihre Temperatur bleibt konstant.

Der Verdrängerkolben bewegt sich kaum.

4. Der Arbeitskolben ist nun an seiner innersten Position. Der Verdrängerkolben bewegt sich wieder zurück wobei er die abgekühlte Luft aus dem Kühlzylinder in den

Heizzylinder verdrängt. Dort wird die Luft von der Temperatur T2 auf T1 erwärmt.

Alle Takte zusammen ergeben die vollständige Bewegung des Stirlingmotor.

Der Stirlingsche Kreisprozess

Den Arbeitszyklus des Stirlingmotor kann man auch anhand eines Arbeitsdiagramms verdeutlichen. Die thermodynamischen Zustandsänderungen fassen sich zusammen in einem Kreisprozess.

I-II (Isotherme Expansion)Die unter Druck stehende heiße Luft im Zylinder dehnt sich aus wobei ihr Volumen zunimmt (Expansion). Die Luft verrichtet so Arbeit, indem sie den Arbeitskolben bewegt. Der Druck sinkt. Die Energie dafür wurde ihr zuvor durch die Heizung zugeführt. Das heißt, das die Luft nur ein Energieumwandler ist, jedoch sich ihre eigene Energie bzw. ihre Temperatur T1 nicht ändern (Isotherme).

II-III (Isochore Abkühlung)

Die verdrängte Luft aus dem Heizzylinder kühlt sich von T1 auf T2 ab (Abkühlung). Der Kühlzylinder nimmt dabei die Wärmeenergie der heißen Luft auf. Weil das Volumen der Luft gleich bleibt (Isochor), bewegt sich der Arbeitskolben nicht und es wird keine Arbeit verrichtet.

III-IV (Isotherme Kompression)

Der Luft wird durch den Kühlzylinder Energie entzogen. Diese, da sie sich schon auf T2 abgekühlt hat, ändert ihre Temperatur nicht mehr (Isotherme), sondern verkleinert ihr Volumen (Kompression).

IV-I (Isochore Erwärmung)

Die Luft hat ihr Volumen zu einem Minima verkleinert und ändert dieses jetzt nicht mehr (Isochor). Durch die Heizung wird die Luft wieder erwärmt (Erwärmung), wobei der Kreisprozess wieder von neuem beginnt.

Die Einzelnen Zustandsänderungen gehen fließend ineinander über und überlagern sich auch soweit, so das sie praktisch nur schwer nachzuvollziehen sind.

Der Wirkungsgrad

Keine Wärme- Energie- Maschine ist in der Lage, mit der gesamten zugeführten Wärme Arbeit zu verrichten. Es tritt stets eine Abwärme auf, die für die eigentliche Nutzung verloren ist. Aufgrund der auftretenden Abwärme spricht man von Energieverlusten, die im Verhältnis mit der zugeführten Wärme den Wirkungsgrad bilden. Der Wirkungsgrad einer Wärme-Kraft-Maschine wird bestimmt durch die Temperaturen T1 und T2 der beiden Wärmespeicher. Je größer diese Temperaturdifferenz gemacht werden kann, desto größer ist der Energieanteil.