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Der Stirlingmotor - Реферат

Реферат на тему:

Der Stirlingmotor

Stirlingmotoren sind Wrmekraftmaschinen, d.h. sie wandeln Wrme hoher Temperatur in mechanische Energie um. Ein im Motor eingeschlossenes Arbeitsgas wird dazu erwrmt. Im Heizteil wird die Wrme hher.

Temperatur in den Motor gebracht und durch den Arbeitsteil in mechanische Energie umgewandelt. Diese mechanische Energie wird an einem Schwungrad frei und lsst sich vielfltig 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 mssen selbst sechsjhrige Kinder in den Kohlebergwerken arbeiten. Sie Er erhlt als 26-jhriger 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 spter noch entscheidend weiterentwickelt. So wurde noch ein zweites Schwungrad hinzugefgt und das Arbeitsgas verndert bzw. dessen Druck erhht.

Am Anfang des 20. Jahrhunderts waren weltweit ca. 250.000 Stirlingmotoren im Einsatz, als Tisch-Ventilatoren, Wasserpumpen und Antriebe fr Kleingerte. Sie versorgten Privathaushalte und kleine Handwerksbetriebe mit mechanischer Energie. Als sich Otto-, Diesel- und Elektromotoren immer weiter verbreiteten, wurden die Stirlingmotoren zunehmend vom Markt verdrngt.

Der Bau des Stirlingmotors

1. Der Khlzylinder, wie der Name sagt, khlt die erwrmte Luft wieder ab.

2. Der Heizzylinder erwrmt durch die ihm von auen zugefhrte Energie die Luft in seinem Inneren.

3. Der Verdrngerkolben hat die Aufgabe mglichst viel heie Luft aus dem Heizzylinder zu verdrngen. Das ist nur mglich, weil er nicht dicht an der Innenwand der Zylinder anliegt.

4. Der Arbeitskolben liegt dicht an der Innenwand des Khlzylinders an, und bildet somit die abgeschlossene Luftmenge des Motors.

5. Die Pleuelstangen verbinden den Arbeits- bzw. Verdrngerkolben 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 zurck in ihre Ausgangslage.

7. Die Wrmequelle, die den Heizzylinder und somit die Luft erwrmt, liegt auerhalb des Motors. Sie ist deshalb frei whlbar, soweit die Energiezufuhr ausreichend ist.

Die beschriebenen Bauteile sind die wesentlichen Elemente eines Stirlingmotors. Zustze, wie ein zweites Schwungrad oder ein bestimmtes Arbeitsgas, knnen die Leistung des Motors erhhen. Auch eine unterschiedliche Anordnung der Bauteile ist mglich. So kann anstatt der Versetzung der Pleuelstangen auch die Zylinder um 90° versetzt werden.

Die Funktion des Stirlingmotors

Die Funktionsweise des Stirlingmotor lsst sich in vier Schritten erklren.

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

2. Durch die Bewegung des Verdrngerkolben, aufgrund der Drehung des Schwungrades, wird die gerade erhitzte Luft in den Khlzylinder verdrngt. Dort gibt sie Energie in Form von Wrme an den Khlzylinder 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 Khlzylinder. Durch das Schwungrad schiebt sich der Arbeitskolben nach vorn und komprimiert dabei die Luft. Diese erwrmt sich dadurch aber nicht sondern gibt weiter Energie an den Khlzylinder ab. Ihre Temperatur bleibt konstant. Der Verdrngerkolben bewegt sich kaum.

4. Der Arbeitskolben ist nun an seiner innersten Position. Der Verdrngerkolben bewegt sich wieder zurck wobei er die abgekhlte Luft aus dem Khlzylinder in den Heizzylinder verdrngt. Dort wird die Luft von der Temperatur T2 auf T1 erwrmt.

Alle Takte zusammen ergeben die vollstndige Bewegung des Stirlingmotor.

Der Stirlingsche Kreisprozess

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

I-II (Isotherme Expansion)

Die unter Druck stehende heie 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 dafr wurde ihr zuvor durch die Heizung zugefhrt. Das heit, das die Luft nur ein Energieumwandler ist, jedoch sich ihre eigene Energie bzw. ihre Temperatur T1 nicht ndern (Isotherme).

II-III (Isochore Abkhlung)

Die verdrngte Luft aus dem Heizzylinder khlt sich von T1 auf T2 ab (Abkhlung). Der Khlzylinder nimmt dabei die Wrmeenergie der heien 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 Khlzylinder Energie entzogen. Diese, da sie sich schon auf T2 abgekhlt hat, ndert ihre Temperatur nicht mehr (Isotherme), sondern verkleinert ihr Volumen (Kompression).

IV-I (Isochore Erwrmung)

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

Die Einzelnen Zustandsnderungen gehen flieend ineinander ber und berlagern sich auch soweit, so das sie praktisch nur schwer nachzuvollziehen sind.

Der Wirkungsgrad

Keine Wrme- Energie- Maschine ist in der Lage, mit der gesamten zugefhrten Wrme Arbeit zu verrichten. Es tritt stets eine Abwrme auf, die fr die eigentliche Nutzung verloren ist. Aufgrund der auftretenden Abwrme spricht man von Energieverlusten, die im Verhltnis mit der zugefhrten Wrme den Wirkungsgrad bilden. Der Wirkungsgrad einer Wrme-Kraft-Maschine wird bestimmt durch die Temperaturen T1 und T2 der beiden Wrmespeicher. Je grer diese Temperaturdifferenz gemacht werden kann, desto grer ist der Energieanteil.Wirkungsgrad= (genutzte Energie): (zugefhrte Energie)Die genutzte Energie setzt sich aus der Differenz von der zugefhrten Energie Q1 und der abgegebenen Energie Q2 zusammen. Die abgegebene Energie ist hierbei die Abwrme oder Energieverlust. Der Wirkungsgrad des Stirlingmotors setzt sich jedoch aus dem Quotienten von (T1- T2) und T1 zusammen.

Die Vorteile des Stirlingmotors

Vielseitige Heizmglichkeiten:Durch die Art der Wrmezufuhr kann jede Wrmequelle benutzt werden, um den Motor anzutreiben. Deshalb sind alle Formen von Wrmestrahlung geeignet, deren Temperatur hoch genug ist. Erzeugt werden kann diese durch Verbrennung von gasfrmigen, flssigen und festen Brennstoffen oder durch Konzentrierung von Sonnenlicht.

Abgasarmut:Bei der Verwendung von Brennstoffen knnen durch die stndige Verbrennung auerhalb 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 Abwrme oder unter Verwendung von Sonnenlicht als Antriebsenergie entstehen keine Abgase.

Geruscharmut:Da keinerlei explosionsartige Vorgnge im Inneren des Motors ablaufen und auch keine Ventile vorhanden sind, entstehen nur wenig Lrm und Erschtterungen.

Langlebigkeit:Da keine Fremdstoffe in den Motor gelangen und die Einzelteile relativ wenig belastet werden, kann man lngere Laufzeiten erwarten als bei Otto- und Dieselmotoren. Auch wird das Getriebel nicht verbraucht oder verschmutzt.

Sparsamer Verbrauch:Der Stirlingmotor, soweit er korrekt konstruiert und gebaut ist, hat einen Wirkungsgrad der gleich oder hher als bei den besten Dieselmotoren ist. In Zukunft kann der Stirlingmotor mit neuen Werkstoffen wie Keramik eine noch bessere Leistung und einen hheren Wirkungsgrad erzielen.

Praktische Anwendung der Stirlingtechnologie

Der Stirlingmotor wird wird fr diverse Antriebsmotoren, fr U-Bootantriebe und fr den Modellbau verwendet.

Ein Ausblick auf die Zukunft

Aufgrund von Klima- und Gesundheitsschden sowie der begrenzten Lagersttten von Erdgas, Erdl, Kohle und Uran wird in Zukunft, neben Energiesparen und der Verwendung von erneuerbarer Energie, die umweltschonende Umwandlung von Primrenergie in Energieformen, die wir tagtglich brauchen eine immer grere Rolle spielen. Stirlingmaschinen sind wie kein anderer Energiewandler in der Lage, Solarenergie und nachwachsende Brennstoffe emissionsarm und klimaneutral fr unsere Zwecke umzuwandeln. Dabei werden sie sich zuerst dort durchsetzen, wo sie mit herkmmlichen Otto- und Dieselmotoren nicht in Konkurrenz stehen.Diese Anwendungsbereiche sind:- kleine und mittelgroe Blockheizkraftwerke mit gnstigen Betriebskosten, Brennstoff z.B. Holzhackschnitzel.- kleine und mittelgroe Wrmepumpen, direkt mit Primrenergie kostengnstig befeuert.- Stirling - Kltemaschinen fr Computer mit supraleitender Elektronik, Infrarotsensoren, Wasserstoff- und Erdgasverflssigung, Khl- und Gefriergerte. -Klimatisierung von Brokomplexen und fr industrielle Verfahrensprozesse.

Diese Technik wird mithelfen, das Weltklima zu schonen, neue Arbeitspltze 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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