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Der Stirlingmotor - Реферат


Реферат на тему:
Der Stirlingmotor
Stirlingmotoren sind W?rmekraftmaschinen, d.h. sie wandeln W?rme hoher Temperatur in mechanische Energie um. Ein im Motor eingeschlossenes Arbeitsgas wird dazu erw?rmt. Im Heizteil wird die W?rme h?her.
Temperatur in den Motor gebracht und durch den Arbeitsteil in mechanische Energie umgewandelt. Diese mechanische Energie wird an einem Schwungrad frei und l?sst sich vielf?ltig nutzen, zum Beispiel zur Erzeugung von elektrischer Energie.
Die Geschichte des Stirlingmotors
Schottland zu Beginn des 19. Jahrhunderts: In der Gemeinde des Pfarrers Robert Stirling m?ssen selbst sechsj?hrige Kinder in den Kohlebergwerken arbeiten. Sie Er erh?lt als 26-j?hriger ein Patent auf ein neues Verfahren zum Antrieb von Maschinen.
Der Stirlingmotor ist geboren.
Der erste Motor, der mit Robert Stirlings Prinzip arbeitete, war sehr einfach konstruiert. Er wurde sp?ter noch entscheidend weiterentwickelt. So wurde noch ein zweites Schwungrad hinzugef?gt und das Arbeitsgas ver?ndert bzw. dessen Druck erh?ht.
Am Anfang des 20. Jahrhunderts waren weltweit ca. 250.000 Stirlingmotoren im Einsatz, als Tisch-Ventilatoren, Wasserpumpen und Antriebe f?r Kleinger?te. Sie versorgten Privathaushalte und kleine Handwerksbetriebe mit mechanischer Energie. Als sich Otto-, Diesel- und Elektromotoren immer weiter verbreiteten, wurden die Stirlingmotoren zunehmend vom Markt verdr?ngt.
Der Bau des Stirlingmotors
1. Der K?hlzylinder, wie der Name sagt, k?hlt die erw?rmte Luft wieder ab.
2. Der Heizzylinder erw?rmt durch die ihm von au?en zugef?hrte Energie die Luft in
seinem Inneren.
3. Der Verdr?ngerkolben hat die Aufgabe m?glichst viel hei?e Luft aus dem Heizzylinder
zu verdr?ngen. Das ist nur m?glich, weil er nicht dicht an der Innenwand der
Zylinder anliegt.
4. Der Arbeitskolben liegt dicht an der Innenwand des K?hlzylinders an, und bildet
somit die abgeschlossene Luftmenge des Motors.
5. Die Pleuelstangen verbinden den Arbeits- bzw. Verdr?ngerkolben mit dem Schwungrad.
Die Stangen die am Schwungrad um 90° versetzt angebracht sind, lassen somit auch die Kolben versetzt arbeiten.
6. Das Schwungrad dient der Abnahme der erzeugten Energie.
Weiterhin bewegt es durch seinen Schwung die Kolben wieder zur?ck in ihre Ausgangslage.
7. Die W?rmequelle, die den Heizzylinder und somit die Luft erw?rmt, liegt au?erhalb des Motors.
Sie ist deshalb frei w?hlbar, soweit die Energiezufuhr ausreichend ist.
Die beschriebenen Bauteile sind die wesentlichen Elemente eines Stirlingmotors. Zus?tze, wie ein zweites Schwungrad oder ein bestimmtes Arbeitsgas, k?nnen die Leistung des Motors erh?hen. Auch eine unterschiedliche Anordnung der Bauteile ist m?glich. So kann anstatt der Versetzung der Pleuelstangen auch die Zylinder um 90° versetzt werden.
Die Funktion des Stirlingmotors
Die Funktionsweise des Stirlingmotor l?sst sich in vier Schritten erkl?ren.
1. Der Druck im Inneren des Heizzylinders steigt und die Luft dehnt sich aus. Der Verdr?ngerkolben bewegt sich wegen seiner Versetzung zum Arbeitskolben um 90° kaum. Deshalb str?mt die erhitzte Luft an ihm vorbei in den K?hlzylinder und schiebt den Arbeitskolben nach hinten.
2. Durch die Bewegung des Verdr?ngerkolben, aufgrund der Drehung des Schwungrades, wird die gerade erhitzte Luft in den K?hlzylinder verdr?ngt.
Dort gibt sie Energie in Form von W?rme an den K?hlzylinder 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 K?hlzylinder.
Durch das Schwungrad schiebt sich der Arbeitskolben nach vorn und komprimiert dabei die Luft.
Diese erw?rmt sich dadurch aber nicht sondern gibt weiter Energie an den K?hlzylinder ab. Ihre Temperatur bleibt konstant.
Der Verdr?ngerkolben bewegt sich kaum.
4. Der Arbeitskolben ist nun an seiner innersten Position. Der Verdr?ngerkolben bewegt sich wieder zur?ck wobei er die abgek?hlte Luft aus dem K?hlzylinder in den
Heizzylinder verdr?ngt. Dort wird die Luft von der Temperatur T2 auf T1 erw?rmt.
Alle Takte zusammen ergeben die vollst?ndige Bewegung des Stirlingmotor.
Der Stirlingsche Kreisprozess
Den Arbeitszyklus des Stirlingmotor kann man auch anhand eines Arbeitsdiagramms verdeutlichen. Die thermodynamischen Zustands?nderungen fassen sich zusammen in einem Kreisprozess.
I-II (Isotherme Expansion)
Die unter Druck stehende hei?e 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 daf?r wurde ihr zuvor durch die Heizung zugef?hrt. Das hei?t, das die Luft nur ein Energieumwandler ist, jedoch sich ihre eigene Energie bzw. ihre Temperatur T1 nicht ?ndern (Isotherme).
II-III (Isochore Abk?hlung)
Die verdr?ngte Luft aus dem Heizzylinder k?hlt sich von T1 auf T2 ab (Abk?hlung). Der K?hlzylinder nimmt dabei die W?rmeenergie der hei?en 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 K?hlzylinder Energie entzogen. Diese, da sie sich schon auf T2 abgek?hlt hat, ?ndert ihre Temperatur nicht mehr (Isotherme), sondern verkleinert ihr Volumen (Kompression).
IV-I (Isochore Erw?rmung)
Die Luft hat ihr Volumen zu einem Minima verkleinert und ?ndert dieses jetzt nicht mehr (Isochor). Durch die Heizung wird die Luft wieder erw?rmt (Erw?rmung), wobei der Kreisprozess wieder von neuem beginnt.
Die Einzelnen Zustands?nderungen gehen flie?end ineinander ?ber und ?berlagern sich auch soweit, so das sie praktisch nur schwer nachzuvollziehen sind.
Der Wirkungsgrad
Keine W?rme- Energie- Maschine ist in der Lage, mit der gesamten zugef?hrten W?rme Arbeit zu verrichten. Es tritt stets eine Abw?rme auf, die f?r die eigentliche Nutzung verloren ist. Aufgrund der auftretenden Abw?rme spricht man von Energieverlusten, die im Verh?ltnis mit der zugef?hrten W?rme den Wirkungsgrad bilden. Der Wirkungsgrad einer W?rme-Kraft-Maschine wird bestimmt durch die Temperaturen T1 und T2 der beiden W?rmespeicher. Je gr??er diese Temperaturdifferenz gemacht werden kann, desto gr??er ist der Energieanteil.
Wirkungsgrad= (genutzte Energie): (zugef?hrte Energie)
Die genutzte Energie setzt sich aus der Differenz von der zugef?hrten Energie Q1 und der abgegebenen Energie Q2 zusammen. Die abgegebene Energie ist hierbei die Abw?rme oder Energieverlust. Der Wirkungsgrad des Stirlingmotors setzt sich jedoch aus dem Quotienten von (T1- T2) und T1 zusammen.
Die Vorteile des Stirlingmotors
Vielseitige Heizm?glichkeiten:
Durch die Art der W?rmezufuhr kann jede W?rmequelle benutzt werden, um denMotor anzutreiben. Deshalb sind alle Formen von W?rmestrahlung geeignet, deren Temperatur hoch genug ist. Erzeugt werden kann diese durch Verbrennung von gasf?rmigen, fl?ssigen und festen Brennstoffen oder durch Konzentrierung von Sonnenlicht.
Abgasarmut:
Bei der Verwendung von Brennstoffen k?nnen durch die st?ndige Verbrennung au?erhalb des Motors die besten Abgaswerte im Vergleich zu Motoren mit innerer Verbrennung erreicht werden. So wird auch durch effektivere Verbrennung weniger Brennstoff verbraucht, also auch weniger Abgase produziert. Heizt man den Stirlingmotor mit Abw?rme oder unter Verwendung von Sonnenlicht als Antriebsenergie entstehen keine Abgase.
Ger?uscharmut:
Da keinerlei explosionsartige Vorg?nge im Inneren des Motors ablaufen und auch keine Ventile vorhanden sind, entstehen nur wenig L?rm und Ersch?tterungen.
Langlebigkeit:
Da keine Fremdstoffe in den Motor gelangen und die Einzelteile relativ wenig belastet werden, kann man l?ngere Laufzeiten erwarten als bei Otto- und Dieselmotoren. Auch wird das Getriebe?l nicht verbraucht oder verschmutzt.
Sparsamer Verbrauch:
Der Stirlingmotor, soweit er korrekt konstruiert und gebaut ist, hat einen Wirkungsgrad der gleich oder h?her als bei den besten Dieselmotoren ist. In Zukunft kann der Stirlingmotor mit neuen Werkstoffen wie Keramik eine noch bessere Leistung und einen h?heren Wirkungsgrad erzielen.
Praktische Anwendung der Stirlingtechnologie
Der Stirlingmotor wird wird f?r diverse Antriebsmotoren, f?r U-Bootantriebe und f?r den Modellbau verwendet.
Ein Ausblick auf die Zukunft
Aufgrund von Klima- und Gesundheitssch?den sowie der begrenzten Lagerst?tten von Erdgas, Erd?l, Kohle und Uran wird in Zukunft, neben Energiesparen und der Verwendung von erneuerbarer Energie, die umweltschonende Umwandlung von Prim?renergie in Energieformen, die wir tagt?glich brauchen eine immer gr??ere Rolle spielen. Stirlingmaschinen sind wie kein anderer Energiewandler in der Lage, Solarenergie und nachwachsende Brennstoffe emissionsarm und klimaneutral f?r unsere Zwecke umzuwandeln. Dabei werden sie sich zuerst dort durchsetzen, wo sie mit herk?mmlichen Otto- und Dieselmotoren nicht in Konkurrenz stehen.
Diese Anwendungsbereiche sind:
- kleine und mittelgro?e Blockheizkraftwerke mit g?nstigen Betriebskosten, Brennstoff z.B. Holzhackschnitzel.
- kleine und mittelgro?e W?rmepumpen, direkt mit Prim?renergie kosteng?nstig befeuert.
- Stirling - K?ltemaschinen f?r Computer mit supraleitender Elektronik, Infrarotsensoren, Wasserstoff- und Erdgasverfl?ssigung, K?hl- und Gefrierger?te. -Klimatisierung von B?rokomplexen und f?r industrielle Verfahrensprozesse.
Diese Technik wird mithelfen, das Weltklima zu schonen, neue Arbeitspl?tze schaffen und die volkswirtschaftlichen Kosten des Energiesektors verringern.
Immer mehr Menschen lassen sich von Stirlingmotoren begeistern. Wir wollen hoffen, dass dies auch in so manchen Vorstandsetagen der Fall sein wird.
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