Stirlingmotor
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| Grundlagen:
Wenn man sich mit Wärmekraftmaschinen beschäftigt stößt
man unweigerlich auf den Stirlingmotor. Diese schon 1816 von Robert Stirling erfundene
Maschine kann zur Umwandlung von thermischer in mechanische Energie wie auch umgekehrt
zur Erzeugung von Temperaturdifferenzen mit mechanischer Energie verwendet werden.
Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren kann der Stirlingmotor mit beliebigen Wärmequellen
arbeiten und benötigt keine speziellen Kraftstoffe.
Kleine Demonstrationsmodelle
sind recht einfach zu bauen und ein beliebtes technisches Spielzeug. |
| Aufbau:
ein einfacher Stirlingmotor besitzt zwei Zylinder und zwei Kolben die auf einer
gemeinsamen Kurbelwelle sitzen. Eine Zylinder-Kolben-Kombination leistet die eigentliche
Arbeit die andere, der sogenannte Verdrängerkolben dient zur Ablaufsteuerung.Dieser
Kolben hat viel Spiel im Zylinder sodass das Arbeitsgas zwischen Kolben und Zylinder
durchströmen kann. Durch den Aufbau der Kurbelwelle und die Anordnung der
Zylinder ist Bewegung beider Kolben um 90° phasenverschoben. |
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| Der Verdrängerkolben ist oben, das Arbeitsgas an der
heißen Fläche, dehnt sich aus und schiebt den Arbeitskolben nach links | Der
Verdränger geht nach unten, das Arbeitsgas strömt nach oben, der Arbeitskolben
geht auf Grund des Schwungrads weiter nach links. | Der Verdränger
ist ganz unten, das Arbeitsgas an der kalten Fläche, zieht sich zusammen
und zieht den Arbeitskolben nach rechts. | Der Verdränger bewegt sich
nach oben, das Arbeitsgas strömt wieder nach unten zur heißen Fläche,
der Arbeitskolben bewegt sich weiter nach rechts. | | |
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 | Zur
Erhöhung des Wirkungsgrades des Motor wird oft ein Regenerator eingebaut.Ein
Regenerator ist nicht anderes als ein Wärmespeicher, ein Gefäss
meist mit Metallgewebe (z.B. Stahlwolle) oder ähnlichen Materialien gefüllt.Um
den Generator wirksam werden zu lassen muß der Verdrängerkolben in
den
Zylinder eingepasst werden sodass das Arbeitsgas durch den Regenerator
fliesen muss.Das warme Gas gibt auf seinem Weg zur kalten Fläche an den Regenerator
ab. Fliesst das kalte Gas zurück zur heißen Fläche wird es auf
seinem Weg durch den Regenerator vorgewärmt.Die Temperaturerhöhung muß
nun nicht mehr von der heißen Fläche aufgebracht werden > der Wirkungsgrad
steigt. | |
| Die
meisten von Bastlern ausgeführten Stirlingmotoren arbeiten nach dem LTD-Prinzip.
LTD (low temperature difference) Motore arbeiten mit besonders niedrigen Temperaturunterschieden
zwischen der heißen und der kalten Fläche. Werte um die 100 °C
sind leicht erreichbar und besonders sorgfältig ausgeführte Modelle
arbeiten schon mit Temperaturunterschieden von weniger als 10°C, sodass schon
die Wärme einer Hand oder eine Tasse mit heißem Wasser ausreichen den
Motor in Bewegung zu setzen. Je geringer die Reibungsverluste sind um so niedriger
ist die Temperaturdifferenz die zum Betrieb des Motors notwendig ist. |  |
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Der Verdrängerkolben ist aus Hartschaum und der Verdrängerzylinder
aus einem Plexiglasrohr das oben und unten mit einer Aluplatte verschlossen, und
mit Flachringen aus Silikongummi gedichtet wird.Die Verdrängerstange läuft
in einer Sinterbuchse die auch für Abdichtung der Stange sorgt. Der Arbeitszylinder
und der Kolben sind aus einer Injektionsspritze. Da das Schwungrad zu schwer war
wurde es mit vielen Löchern versehen, genauso gut könnte man ein dünneres
Blech für das Rad verwenden.Die Achse und die Pleuelstangen laufen in Kugellagern.
Der Motor kann mit einem Teelicht zum Laufen gebracht werden, so richtig auf Touren
kommt er durch vorsichtiges Erhitzung mit einem Champinggas-Brenner und läuft
dann für fünf Minuten weiter auch wenn die Flamme erloschen ist. |
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 | Ein
weiterer Motor zeigte schon deutlich bessere Laufeigenschaften, d.h.er läuft
schon bei einer niedrigeren Temperaturdiffrenz, nun läuft der Motor mit auch
auf einer Tasse mit heißem Wasser.
Im Gegensatz zum ersten Motor wird
statt dem schweren Arbeitskolben eine Gummimembran die über die Zylinderöffnung
gestülpt wird, verwendet.
Auch das Aspektverhältniss des Verdränger
wurde geändert. Bei gleichem Durchmesser beträgt der Hub des Verdrängerkolbens
aus Styropor nur noch 10 mm. zudem ist das Schwungrad aus Plexiglas deutlich leichter
als das erste aus Aluminium. |
| | Motor 1 | Motor
2 | | Verdränger Durchmesser | 95
mm | 95 mm | | Verdrängerkolben
Höhe | 20 mm | 10 mm | | Verdrängerkolben
Hub | 20 mm | 10 mm | | Arbeitskolben
Durchmesser | 12 mm | 40 mm |
| Arbeitskolben Hub | 14 mm | 10
mm | | Schwungrad Gewicht | 110 g | 27
g |
Probelauf auf Tasse mit heißem Wasser |
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