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Thermodynamische Maschinen

Stirling-Motor

Der Stirling-Motor wurde 1816 von dem schottischen Pfarrer Robert Stirling erfunden, mehr als 60 Jahre vor dem Diesel- und dem Otto-Motor.

Das Arbeitsmedium ist Luft oder auch Helium. In dieser Heißluftmaschine werden isotherme und isochore Änderungen vorgenommen. In der einfachsten Ausführung besteht der Motor aus einem Verdränger- und einem Arbeitszylinder, die durch ein Rohr miteinander verbunden sind. Der Verdränger wird 90° phasenverschoben bewegt und transportiert das Arbeitsmedium abwechselnd zum heißen und kalten Teil des Zylinders. Er dient gleichzeitig als Arbeitsspeicher.

Stirling-Prozess

Die Einzelschritte des Stirling-Prozesses kann man in der nachfolgenden Animation sehen.

Im 1. Schritt wird aus der Luft Wärme aufgenommen und der Kolben bewegt sich nach rechts. Dabei wird Energie aus dem warmen Behälter entnommen, es findet also eine isotherme Expansion statt und mechanische Arbeit wird nach außen abgegeben.

Im Schritt 2 bewegt sich der Verdränger nach links und schafft die Luft in den kalten Behälter. Unterwegs kühlt sich die Luft ab. Der Verdränger fungiert hier als idealer Wärmeaustauscher, der die Wärme des Arbeitsgases aufnimmt und dabei eine hohe Temperatur erreicht. Das Volumen des Arbeitsgases ändert sich hierbei nicht.

In Schritt 3 bewegt sich der Kolben wieder nach links und das Gas wird isotherm komprimiert. Ein Teil der zuvor gewonnenen Arbeit muss dazu wieder eingebracht werden, dabei wird Wärme abgegeben.

Schließlich wird in Schritt 4 die verdichtete Luft nach Erwärmung in den heißen Zylinderteil zurück transportiert, der Kolben bewegt sich nach rechts. Der Verdrängerkolben fungiert auch bei dieser isochoren Änderung als Wärmetauscher und gibt Wärme an die Luft ab.

Im idealen Prozess werden die Wärmebäder nur während der isothermen Änderungen in Anspruch genommen. Längs der Isochoren dient der Verdränger als Wärmeaustauscher.

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