Der Stirlingmotor für den dezentralen stationären Energieeinsatz

Inhaltsverzeichnis

1 Prinzip einer Kraftheizung

2 Idealisierte Kreisprozesse und Prinzipien
2.1 Carnot-Kreisprozeß·
2.2 Stirling-Kreisprozeß
2.3 Vergleich der Prozesse von Carnot und Stirling.

3 Wachsendes Interesse am Stirlingmotor

4 Drei Grundtypen nach Collie und eine Erschei- nungsform
4.1 Alpha-Typ
4.1.1 Rinia-Version
4.2 Beta-Typ
4.3 Gamma-Typ

5 Beispiele für 3tirlingmotoren in der Praxis
5.1 Stirlingmotor für ein künstliches Herz
5.2 Stirlingmotoren für Unterwasserenergiesysteme und die Raumfahrt
5.2.1 Stirlingmotoren für Unterwasserenergiesysteme.
5.2.2 Stirlingmotoren für die Raumfahrt

6 Probleme bei der technischen Realisierung
6.1 Arbeitsgase
6.1.1 Thermische Eigenschaf ten
6.1.2 Weitere Eigenschaften
6.2 Dichtigkeit der Motoren
6.3 Materialprobleme verschiedener Bauelemente
6.3.1 Wärmeübergänge
6.3.2 Regenerator
6.3.3 Temperaturdifferenzen
6.4 Bauvolumen.

7 Geringere Anforderungen im dezentralen Einsatz
7 · 1 Bauvolumen
7.2 Gewicht
7.3 Leistungs- und Drehzahlregelung
7.4 Abwärme
7.5 Geringere Dichtungs- und Materialprobleme .

8 Spezielle Anforderungen für den dezentralen Einsatz
8.1 Bauvolumen und Gewicht
8.2 Modulbauweise..
8.3 Geringe Geräuschentwicklung.
8.4 Abgasemissionen
8.5 Wirtschaftlichkeit
8.6 Vielstoffähigkeit
8.7 Normdrehzahl
8.8 Abwärmenutzung
8.9 Lebensdauer
8.10 Zuverlässigkeit und Wartung.
8.11 Unfallgefahren

9 Prinziplösungen für den dezentralen Einsatz
9.1 Gewicht - Material - Geometrie .
9.2 Volumen
9.3 Geräuschminderung
9.3.1 Gleitlager
9.3.2 Ausgleichswellen .
9.3.3 Hinia-Getriebe
9.3.4 Rhombengetriebe
9.4 Abgasemission
9.5 Beeinflussung des Wirkungsgrades
9.5.1 Temperaturdifferenz
9.5.2 Wärmeübergang
9.5·3 Totes Volumen
9.5.4 Regenerator
9·5.5 Reibungsverluste an Dichtungen
9.5.6 Arbe its gas / ^ruck
9.6 Abwärmenutzung.
9.7 Wasserstoffverluste, Explosionsvorbeugung

10 Vorschlag eines Konzepts
10.1 Überwachung durch Mikroprozessor..
10.2 Zylinderkopf und Erhitzer aus Keramik
10.3 Regenerator
10.4 Verdränger
10.5 Magnetlager - Gleitlager
10.6 Rollsockendichtung
10.7 Arbeitsgas Wasserstoff
10.8 Erzeugung der Netzfrequenz·.
10.5.1 Niedrige Normdrehzahl
10.8.2 Phasenrichtige Einspeisung
10.9 Modulbauweise
10.10 Kurbelwelle

11 Zusammenfassung

Vorwort

Soit der ersten Ölkrise im Jahre 1976 versucht die Bun­desrepublik Deutschland ihren Erdölverbrauch drastisch zu verringern. Die tatsächlichen Erfolge bei diesem Vorhaben stellen sich bislang als recht bescheiden her­aus. Ein Grund dafür dürfte wohl in dem ständig wach­senden Energiebedarf liegen, auf dem scheinbar unsere gesamte Wirtschaft aufgebaut ist. Damit sind volkswirt­schaftlicher Erfolg und Beschäftigungslage eng mit dem unklaren Energieangebot verknüpft. Auf einen kurzen Nenner gebracht läßt sich sagem "Je weniger Energie zur Verfügung steht, umso mehr Arbeitslose werden wir zu beklagen haben und umso steiler wird die Inflation anwachs en

Genau betrachtet haben wir mehr Erdöl und sonstige Energieformen zur "Verfügung” als wir tatsächlich brauch­ten. Diese "verfügbare" Energie ist leider sehr oft des­halb nicht zu gebrauchen, weil sie in Form von Wärme die niedrigste Form der Energie überhaupt darstellt; vor allem dann, wenn sie als Niedertemperaturwärme anfällt, wie z. B. in Wärmekraftwerken

Soll diese Energie genutzt werden, die immerhin 60 bis 70 Prozent der Primärenergie eines Kraftwerdes ausmacht, so sind teuere Fernwärmenetze zu errichten. Da ein einzi­ger Anschluß ohne weiteres DH 20.000,— kosten kann, ist ein solcher Wärmeverbund nur in sehr dicht besiedelten Wohngegenden, am besten mit Hochhäusern, wirtschaftlich zu realisieren. Für Flächensiedlungen scheidet daher die Nutzung der Abwärme aus

Erste Versuche, aus diesem Dilemma herauszukommen, för­dert derzeit das Bundesministerium für Forschung und Technologie. Bei diesen Versuchen handelt es sich um sog

Blockheizkraftwerke von nur einigen hundert Kilowatt elektrischer Leistung, die überwiegend von Dieselmoto­ren oder kleinen- Dampfturbinen angetrieben werden. Der Treibstoff ist in der Regel Erdgas oder leichtes Heiz­öl. Bei diesen kleinen Kraftwerken entspricht der Wir­kungsgrad etwa dem der Großkraftwerke. Die Abwärme kann allerdings besser genutzt werden, weil die Wärmeleitungs· netze wesentlich kürzer und damit billiger sind. Wegen der kleinen Dimensionen kann ein solcher Block mitten in ein Wohngebiet gebaut werden, was zudem die Standortsu­che vereinfacht. Mit dieser Form der Stromerzeugung las­sen sich aber wiederum nur kleine, dichtbesiedelte Wohn­gegenden mit Abwärme beheizen. Ein paar Straßen weiter würden die Wannwasserrohre wieder zu lange und müßten re· lativ große- Wärmeverluste an den Boden abgeben·

Die nächste Stufe der Dezentralisierung von Stromerzeu­gung wird praktisch nicht gefördert. Die Rede ist von Kraft-Wärme-Kopplung oder Kraftheizungen. Hierbei han­delt es sich um kleinste Kraftwerke im zehn-Kilowatt-Be- reich. Mit ihrer Abwärme sind sie immerhin in der Lage, ein schlecht isoliertes Einfamilienhaus gut durch den Winter zu bringen und mit dem gleichen Wirkungsgrad wie Großkraftwerke Strom zu erzeugen. Teuere Fernwärmelei­tungen sind nicht mehr nötig. Der so erzeugte Strom darf nicht in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden, da es in keinem Gesetz vorgesehen ist, weil die Leistun­gen zu gering sind (industrielle Stromerzeuger dürfen einspeisen)· Seit 1.4.80 ist es übrigens erlaubt, sich seinen eigenen Strom selbst zu erzeugen, wenn er nicht eingespeist wird.

Dine solche Kraftheizung kostet derzeit weniger als eine nachträgliche HausIsolierung. Die Gasrechnung würde um ca. 33 Prozent steigen. Könnte der Strom verkauft wer­den (10 kW werden in Wohnhäusern nur selten benötigt), so könnten die 33 Prozent zusätzlichen Gaskosten mit Sicherheit bezahlt werden. Die effektive Ersparnis wäre für diesen Haushalt wohl genauso groß wie auch eine teuere und umständliche HausIsolierung. Für die Allge­meinheit wäre eine solche Anlage ebenfalls sinnvoll, weil der privat erzeugte Strom nicht mehr von den Groß­kraftwerken geliefert werden müßte. D. h. sie müßten weniger Primärenergie einsetzen und der Privathaushalt muß nicht, wie jetzt üblich, zusätzlich noch einmal Feuer für seine Heizung machen. Als Nebeneffekt würde auch die Atmosphäre weniger durch Verbrennungsgase und die Flüsse weniger durch Abwärme belastet.

Nach den verfügbaren Informationen bietet lediglich die Firma Fiat eine solche Kraftheizung (Totem) zum Verkauf an. Daß es sich dabei aber nur um ein Provisorium han­delt, läßt sich unschwer erkennen, wenn man die techni­schen Daten kennt. Dieses Totem setzt sehr viel Vartungs- arbeiten (Kerzenwechsel, Keilriemenwechsel, Ventil­spiel usw.) voraus, und die Antriebseinheit ist nach ca. 10.000 Betriebsstunden nicht mehr zu gebrauchen. Außerdem sollte aus abgastechnischen Gründen der Motor mit viel Luftüberschuß betrieben werden, was den Wir­kungsgrad herabsetzt. So wird aus der guten Idee ein großes technisches Problem, das sich aber durch den Ein­satz eines Stirlingmotores leicht beherrschen lassen müßte. Dies zu verdeutlichen ist die Aufgabe der fol­genden Ingenieurarbeit·

1 Prinzip einer Kraftheizung

Ständig steigende Preise und die Verknappung der zur Verfügung stehenden Primärenergieträger sowie Fortschrit­te in der Technik stärken den Ruf nach einer besseren Verwertung der Energie, die zur Dezentralisierung von Stromerzeugungsanlagen führt. Zwei Möglichkeiten dies zu realisieren, bietet einerseits die Anwendung der ge­koppelten Wärme-Strom-Erzeugung (Blockheizkraftwerke mit Motor-Generator-Einheiten) und andererseits die Anwen­dung von Kraft-Wärme-Kopplung in Form von Haushalts­Energieerzeugungsanlagen (Energieboxen). Da aber die sog. Blockheizkraftwerke (nur einige hundert Kilowatt) in dünner besiedelten Gebieten wegen relativ großer Wär­meverluste (zu lange Fernleitungen) weniger zu empfeh­len sind, eignen sich Energieboxen (kleinste Kraftwerke um 10 kW elektrisch « 20 kW thermisch) hierfür wesent­lich besser.

Das Grundprinzip einer Energiebox, die wir aufgrund der Themastellung als "Kraftheizung" bezeichnen wollen, ist ein Verbrennungsmotor, der einen Generator antreibt.

Die entstehende Abwärme des Motors soll dabei fiir Hei­zungszwecke genutzt werden. Gleichzeitig mit der Heiz­wärmeerzeugung erfolgt die Stromerzeugung. Ist jedoch nur ein Wärmebedarf vorhanden, so soll der erzeugte Strom gegen eine angemessene Vergütung in das öffentli­che Stromnetz eingespeist werden können.

Außerdem kann eine Kraftheizung mit der technischen Grundkonzeption eines Blockheizkraftwerkes verglichen werden, da jeweils Kraft und Wärme gewonnen wird (Kraft­Wärme-Kopplung). Unterschiede zwischen Blockheizkraft­werken (Einsatz in Wohnblöcken, Hallenbädern u. ä.) und Kraftheizungen (Versorgung von Einzelhaushalten) beste­hen hauptsächlich hinsichtlich der Leistungen und Gene- ratoren (große Leistung - Synchrongeneratoren, kleine Leistung - Asynchrongeneratoren). Der Wärmebedarf zeigt sich also verantwortlich für die Leistung und die Be­triebsart der Anlage. Für einen durchschnittlichen Ein­familienhauehalt würde entsprechend des Wärmebedarfs eine Kräftheizung mit einer elektrischen Leistung von 8 kW bis 12 kW ausreichen.

In den bisher entwickelten KraftheiZungen verwendet man hauptsächlich Dieselmaschinen bzw. Otto-Motoren als An­triebseinheiten, die mit leichtem Heizöl bzw. Gas be­trieben werden. Das bedeutet jedoch die Abhängigkeit von Brennstoffen, die zum größten Teil importiert wer­den. Dieses Problem läßt sich in gewisser Weise durch den Einsatz von Stirlingmotoren (Vielstoffähigkeit) als Antriebseinheiten beseitigen. Außerdem hat der Stirling- motor in diesem Zusammenhang noch weitere Vorzüge wie höherer Wirkungsgrad, geringere Geräuschentwicklung usw. als die bisher verwendeten Verbrennungsmotoren. In den folgenden Abschnitten sollen nun der Stirlingmotor und seine Eigenschaften näher erläutert werden.

2 Idealisierte Kreisprozesse und Prinzipien

Von einem Kreisprozeß sprechen wir, wenn ein Stoff (in diesem Pall das Arbeitsgas) in seinen ursprünglichen Zu­stand zurlickkehrt, obwohl er bestimmte Zustandsanderun­gen durchlaufen hat.

2.1 Carnot-Kreisprozeß

Um die Bedeutung des Stirlingmotors besser hervorheben zu können, betrachten wir zuerst den Arbeitsablauf bei einem Motor, der nach dem Carnot-Prinzip arbeitet. Zur Vereinfachung des Prozesses verwenden wir deshalb einen idealisierten einfachen Motor (Bild 1) mit Kolben und Zylinder.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dabei werden folgende Idealisierungen getroffen: keine Reibungsverluste zwischen Zylinder und Kolben, keine Wärmeverluste, hermetischer Einschluß des Arbeitsgases sowie vollkommene thermische Isolation des Zylinders.

Wie aus dem p-V- und T-S-Diagramm nach Bild 1 (a) er­sichtlich ist, muß sich der Kolben (in diesem Pall) zu Beginn des Prozesses in seinem sog. unteren Totpunkt (Punkt 1) befinden. D. h. das eingeschlossene Gasvolu­men zwischen Kolben und Zylinderwand nimmt seinen ma­ximalen Wert an. Dies bedeutet ferner, daß Druck und Temperatur des Arbeitsgases im Punkt 1 minimal sind.

Wird nun das Gas komprimiert (Kolben bewegt sich in Richtung Zylinderkopf), so läuft eine isotherme Reak­tion (von Punkt 1 nach 2, Bild 1 (a)) bei konstantblei­ bender Temperatur ab. Während der isothermen Kompres­sion ist die verrichtete Arbeit gleich der aus dem Ar­beitsgas gewonnenen Arbeit, d. h. also dem Arbeitsgas wird Wärme entzogen. Bei der adiabatischen Kompression (von Punkt 2 nach 3, Bild 1 (b)) erfolgt jedoch unter idealen Bedingungen, d. h. unter völliger Isolation, kein Wärmeaustausch mehr (Bewegungsriehtung des Kolbens wird beibehalten). Dieser Vorgang führt somit zu einer Verkleinerung des Gasvolumens sowie zu einer Druck- und Temperaturerhöhung des eingeschlossenen Gases. Es wird also nur mechanische Arbeit verrichtet.

Das Arbeitsgas hat nun ein Temperaturmaximum erreicht. Es kommt zu einer isothermen Expansion (von Punkt 3 nach 4, Bild 1 (c)), bei der wieder Wärme zugeführt wird (Umkehr der Bewegungsrichtung des Kolbens). Die folgende adiabatische Expansion (von Punkt 4 nach 1, Bild 1 (d)) schließt den Kreisprozeß. Kolben und Gasvolumen haben ihren Ausgangszustand erreicht.

In der Praxis zeigt sich jedoch, daß Motoren, die nach dem Carnot-Prinzip arbeiten, nicht in akzeptablem Rah­men realisiert werden können. Dies liegt zum größten Teil an den sehr hohen Drücken und sehr großen Kolben­hüben, die benötigt würden, um die geringe Abweichung der isothermen Prozesse von den adiabatischen Pro- zessen zu vergrößern· D. h. um die aus dem Prozeß ge­wonnene Arbeit (seingeschlossene Fläche 1,2,3,4 im p-V- Diagramm, Bild 1 (e)) zu erhöhen. Auch das Fehlen von Materialien im Bezug auf absolute Isolation und Dicht­heit sowie Reib- und Leckverluste zwischen Kolben und Zylinder verhindern den Bau idealer Motoren.

2.2 Stirling-Kreisprozeß

Der Stirlingmotor ist im Gegensatz zu den Verbrennungs­motoren (innere Verbrennung) ein Motor mit äußerer Ver­brennung, d. h. also Arbeitsmedium und Wärmezufuhr sind voneinander getrennt. Der Arbeitsgewinn entsteht jedoch bei beiden Systemen auf die gleiche Weise, nämlich durch Kompression bei möglichst niedrigen Temperaturen und Expansion bei möglichst hohen Temperaturen einer bestimm­ten Gasmenge. Die Erhitzung des Arbeitsgases im Motor erfolgt nicht wie bei Verbrennungsmotoren durch eine schnelle Verbrennung, sondern von außen durch die Zylin­derwand. Da die Zylinderwand mit einer großen Wärmekapa­zität behaftet ist, kann die Erhitzung bzw. Abkühlung des Gases nur durch eine periodische Änderung der Gas­temperatur erzielt werden.

Entsprechend dieser Forderung kann man den Stirlingmo­tor als einen "Zweisystemmotor" betrachten; nämlich Kolbensystem und Verdrängersystem. Das Verdrängersystem (Bild 2) hat die Aufgabe das Arbeitsgas Uber Erhitzer­und Kühlerkanal vom heißen Raum in den kalten Raum (und umgekehrt) zu transportieren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2. Prinzip des Verdrängersystems (nach LV 6, S. 2)

Um dabei die Wärmeverluste in Grenzen zu halten, befin­det sich zwischen Erhitzer- und Kühlerkanal ein Regene­rator. Der Regenerator kann mit einem "thermodynami­schen Schwamm" verglichen werden und hat die Funktion eines Wärmespeichers. In Verbindung mit diesem Verdrän­gersystem (z. B. durch ein Rhombengetriebe) vervollstän­digt das Kolbensystem den prinzipiellen Aufbau eines Stirlingmotors. Verdränger- und Kolbensystem bewegen sich um 90° phasenverschoben· Das Kolbensystem kompri­miert das sich im kalten Raum befindliche Arbeitsgas und erlaubt seine Expansion in den heißen Raum.

Zur Vereinfachung des Prozesses soll der Stirling-Kreis- prozeß ebenfalls an einem idealisierten Modell beschrie­ben werden. Bild 3 (b) zeigt das Grundmodell eines ein­fachen Stirlingmotors, wie ihn schon 1816 der schotti- . sehe Geistliche Robert Stirling im Prinzip erfunden hat­te.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Es besteht hier aus einem Zylinder mit zwei entgegenge­setzt gerichteten Kolben, die durch den Regenerator ge- trennt sind. Hier handelt es sich um einen sog. Alpha­Typ (Abschn. 4.1), der anstelle des Verdrängers mit einem zweiten Kolben arbeitet. Da bei den Stirlingmoto- ren wie bei den Explosionsmotoren die Kompression bei niedriger Temperatur und die Expansion bei sehr hohen Temperaturen erfolgt, bezeichnet man die Räume zwischen Kolben und Regenerator als kalten bzw. heißen Raum. Den Kolben im kalten Raum nennen wir Arbeitskolben, den Kol­ben im heißen Raum "Verdrängerkolben”. Wie beim Carnot­Kreisprozeß werden sämtliche Verluste vernachlässigt, die z. B. durch Reibung der Kolben mit dem Zylinder, durch Leckage, durch die Strömungswiderstände in den Ka­nälen und im Regenerator, durch Wärmeverluste im Regene­rator usw. entstehen können.

Nach Bild 3.I (b) befindet sich der Arbeitskolben in seinem sog. unteren Totpunkt, während der Verdränger­kolben direkt neben dem Regenerator, d. h. in seinem sog. oberen Totpunkt ist. Das bedeutet ferner, daß das gesamte Arbeitsgas im kalten Raum, d. h. ein Maximtim sein muß. Druck und Temperatur nehmen ihre kleinsten Werte an (Punkt 1, Bild 3 (a)). Wird nun das Arbeits­gas im kalten Raum bei konstantbleibendem kompri­ miert (Bild 3.2 (b)), so erhöht sich der Druck des Ar­beitsgases· Die im Arbeitsraum entstehende Wärme wird an die Umgebung abgegeben. Der Verdrängerkolben bleibt in seiner Anfangestellung. Man bezeichnet diesen Vor­gang als isothermische Kompression (von Punkt 1 nach 2, Bild 3 (a)).

Bei dem folgenden Prozeß nach Bild 3.3 (b) verändern Arbeite- und Verdrängerkolben ihre Lage gleichzeitig und drücken dabei das Arbeitsgas über den Regenerator in den heißen Raum. Das Volumen des Arbeitsgases bleibt konstant, während die Temperatur auf T steigt, da das Arbeitsgas beim Durchgang durch den Regenerator die gespeicherte Wärme aufnimmt. Diese Temperaturerhöhung bewirkt eine Druckerhöhung. Es findet somit lediglich ein Wärmeaustausch statt (von Punkt 2 nach 3, Bild 3(a)).

Bei der anschließenden isоthermischen Expansion (von Punkt 3 nach 4, Bild 3 (a)) gelangt der Verdrängerkol­ben zu seinem sog. unteren Totpunkt, während der Ar­beitskolben seine augenblickliche Stellung beibehält. Dieser Vorgang läuft bei konstantbleibendem Тдат ab. Gleichzeitig erfolgt eine Zunahme des Volumens sowie eine Abnahme des Druckes.

Der den Kreislauf abschließende Prozeß von Punkt 4 nach 1 (Bild 3 (a)) ist, ähnlich dem Prozeß von Punkt 2 nach 3, ein Wärmeaustausch bei konstantbleibendem Volumen, nur in entgegengesetzter Richtung. D. h. das Arbeitsgas gibt auf seinem Weg durch den Regenerator in den kalten Raum Wärme an den Regenerator zur Speicherung ab. Druck und Temperatur des Arbeitsgases nehmen wieder ein Mini­mum (Punkt 1) an.

Das in Bild 3 (a) aufgenommene p-V-Diagramm gibt nur die diskontinuierliche Bewegung von Verdränger und Ar­beitskolben beim Stirling-Kreisprozeß wieder, ln der Praxis ist jedoch eine kontinuierliche Bewegung anzu­streben, was z. B. durch einen geeigneten Kurbelvellen­Pleuelstangenmechanismus realisiert werden kann. Das Prinzip des Prozesses (wie vorher beschrieben) sowie der Wirkungsgrad werden dadurch nicht beeinträchtigt (nach LV 6, S. 3).

2.3 Vergleich der Prozesse von Carnot und Stirling

Geschieht beim Stirling-Kreisprozeß der Wärmeaustausch im Regenerator bei konstanter Temperatur verlustfrei, so sind die thermischen Virkungsgrade der beiden Pro­zesse gleich. .

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Trotzdem besitzt der Stirling-Kreisprozeß gegenüber dem Carnot-Prozeß entscheidende Vorteile.

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Bild 4. Vergleich der p-V- und T-S-Diagramme der Prozes­se nach Carnot und Stirling durch Überlagerung (nach LV 15» S. 19).

Vergleicht man die p-V-Diagramme der beiden Prozesse (Bild 4) durch Überlagerung miteinander, so stellt man fest, daß die beim Stirling-Prozeß gewonnene Arbeit (seingeschlossene Fläche 1,2,3»4) größer ist. Dieser "zusätzliche Arbeitsgewinn" (Fläche 5*2,3 und 1,6,4) kommt mit Hilfe der beiden Wärmeaustauschprozesse (Stir­ling) zustande, die anstelle der adiabatischen Prozesse (Carnot) stattfinden. Deshalb erübrigen sich beim Stir- lingmotor so "extrem" hohe Drücke und große Hubräume wie sie beim Carnotmotor notwendig wären. Der Stirlingmotor kann folglich in der Praxis eher realisiert werden. Je­doch treten beim Bau von diesen Motoren ebenfalls Prob­leme technischer Natur (Materialien, Dichtungen usw.) auf.

3 Wachsendes Interesse am 3tirlingmotor

Obgleich der Stirlingmotor einen höheren thermischen Wirkungsgrad, weniger Geräuschentwicklung und - bei ge­eigneter Konstruktion - auch geringere Luftverschmutzung aufweist, konnte er sich nicht gegen konventionelle Ex­plosionsmotoren und die Dampfmaschine durchsetzen. Erst intensive Forschungsarbeiten des Philipslaboratoriums in Eindhoven verhalfen dem Stirlingmotor zum vielleicht entscheidenden Durchbruch, Dies wurde zum Teil jedoch erst durch eine verbesserte Technologie möglich.

Die Entwicklungen am Stirlingmotor gehen jetzt haupt­sächlich in die Richtung, wo eine oder mehrere seiner besonderen Eigenschaften genutzt werden müssen, d. h, wo er den Motoren mit innerer Verbrennung überlegen ist. Im folgenden eine Auswahl dieser Eigenschaften, die das Interesse am Stirlingmotor weckten.

So ist z, B, die äußere Wärmezufuhr ein großer Vorteil gegenüber herkömmlichen Motoren, da dadurch nicht nur fossile Brennstoffe verwendet werden können. Die Ver­wendung von flüssigen und festen Brennstoffen sowie Gasen ist ohne den geringsten Einfluß auf Leistung und Wirkungsgrad möglich.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1. Kombination des Motors mit einem Al203-Wärme- speicher. 1 Gebläse, 2 Wärmetauscher, 3 Brenner, 4 Gesintertes Aluminiumoxid, 5 Stirlingmotor, 6 Hoch-Temperaturgebläse, A Entladen, В Laden (nach LV 6, S, 12).

Auch die Kombination des Motors mit einem Wärmespeicher wurde bereits erfolgreich in einer Versuchsanlage (Bild 1) bei General Motors (Lizenznehmer von Philips für Stirlingmotoren) getestet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2, Vergleich von Energiespeichersystemen bezogen auf die Abgabe von mechanischer oder elektri­scher Energie (nach LV 6, S. 12).

Einen weiteren Vorteil gegenüber Verbrennungsmotoren bringt die niedrigere Kühlertemperatur beim Stirling- motor, sofern er im dezentralen Energieeinsatz für Flächenheizungen Verwendung findet. Die Folge ist eine größere Temperaturdifferenz und somit ein höherer Wir­kungsgrad als zum Beispiel beim Ottomotor.

Auch die zunehmende Umweltbelastung, die u. a. durch Motorabgase und Lärm verursacht wird, kann durch den Einsatz des Stirlingmotors verringert werden. Beson­ders bei fossilen Brennstoffen erhält man relativ ge­sehen, sehr saubere Abgase, da eine kontinuierliche Verbrennung mit frei wählbarem Luftüberschuß und bei Atmosphärendruck (Ν0χ-Verbindungen !) stattfindet. Da­durch kann die Bildung unverbrannter Restgase stark reduziert werden (Bild 3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3. Abgasemission CO, C^Hy und ΝΟχ- von Stirlingmo- tor und Gasturbine mit offenem Kreislauf (nach LV 6, S. 12).

Die kontinuierliche Verbrennung ist zusätzlich mit ein Grund für die Geräuscharmut des Stirlingmotors, da praktisch keine Auspuffgeräusche entstehen. Laufgeräu­sche können durch exakte Lagerungen z. B. durch die Verwendung des Rhombengetriebes oder die Verwendung torsionsweicher Kupplungen eingeschränkt werden (Bild 4)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4. Körperschall und Luftschall eines Vierzylinder- 265-kW (360-PS)-Motors und eines vergleichbaren Dieselmotors (nach LV 6, S. I3).

Durch die Nutzung dieser besonderen Eigenschaften (wie Vielstoffähigkeit, praktisch kein Schmierölverbrauch, Geräuscharmut, Schwingungsfreiheit, saubere Abgase, hö­herer thermischer Wirkungsgrad, lange Lebensdauer usw.) und der vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten des Stir- lingmotors (z. B. für Bojen, U-Boote, stationären als auch mobilen Einsatz sowie in der Medizin für ein künst­liches Herz) ist das Interesse am Stirlingmotor erheb­lich gestiegen. Er kann in vielen Bereichen als echte Alternative für Explosionsmotoren angesehen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4 Drei Grundtypen nach. Q&Ílie und eine Erscheinungsform

Die Konstruktion eines Stirlingmotors richtet sich zum größten Teil nach den an ihn gestellten Forderungen z. Б. Art der äußeren Wärmequellen usw. Aus der dadurch entstandenen Vielfalt an Stirlingmotoren lassen sich jedoch drei Grundtypen und eine Erscheinungsform her­auskristallisieren.

4.1 Alpha-Typ

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1. Alpha-Typ (nach LV 3, 3. 12).

Beim Alpha-Typ (Bild 1) befinden sich die beiden Kolben in zwei verschiedenen Zylindern. Er arbeitet ohne Ver­dränger d. h. nur mit zwei Arbeitskolben. Regenerator, Erhitzer und Kühler sind in Reihe mit dem warmen und kalten Raum angeordnet. Die beiden Arbeitskolben bewe­gen sich um 90° phasenverschoben. Erst dadurch kann der Transport des Arbeitsgases vom kalten zum heißen Raum - und zurück - erfolgen.

4.1.1 Rinia-Version

Eine Weiterentwicklung des Alpha-Typs ist das sog. dop­peltwirkende System (Entlastung des Kurbelgehäuses). Bei dieser einfachen Konstruktion kann das Stirlingsy- stem wegen der erforderlichen Phasenverschiebung nur mit Hilfe mehrerer Zylinder realisiert werden. Anwen­dung findet das doppeltwirkende System in der Rinia- Version (Bild 2), dem Taumelscheibenmotor von Siemens.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2. Prinzip des doppeltwirkenden Systems in der Ri- nia-Version (nach LV 5, S. 9).

Dabei handelt es sich im Prinzip um eine Kombination von vier Alpha-Motoren. Da jeder Kolben eine Doppelfunk­tion erfüllen muß, werden "nur" vier Zylinder mit je einem Kolben benötigt. In jedem Zylinder befindet sich demnach ein heißer und ein kalter Raum. Der heiße Raum ist über einen Erhitzer, Regenerator und Kühler mit dem kalten Raum des folgenden Zylinders verbunden. Wegen der unsymmetrischen Anordnung treten hier hauptsächlich aerodynamische Probleme (gleichmäßige Durchströmung von Kühler, Regenerator und Erhitzer) auf.

4.2 Beta-Typ

Der Beta-Typ (Bild 3) entspricht dem Aufbau des Verdrän­germotors (Kombination von Verdrängersystem und Kolben­system) .

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3. Beta-Typ (nach LV 3, S. 12).

Die beiden Kolben - Verdränger und Arbeitskolben - sind parallel in einem Zylinder angeordnet und bewirken so eine stärkere Trennung der Funktionen. D. h. "der Ver­drängerkolben bildet eine Trennung zwischen hohen und niedrigen Temperaturen bei praktisch gleichem Druck, der Arbeitskolben eine Trennung zwischen verschiedenen Drlik- ken bei niedrigen Umgebungstemperaturen.1,1 ^ Durch den rotationssymraetrischen Aufbau ergeben sich außerdem beim Beta-Typ gegenüber der Rinia-Version weniger aerodynami­sche Probleme.

Das Problem einer exakten Führung zwischen Verdränger und Kolben konnte 1953 durch die Erfindung des Rhomben­getriebes gelöst werden. Lineare Bewegung ohne Quer­kräfte und der vollständige Ausgleich der im Beta-Typ auftretenden Unwuchten führen nun zu einem ungewöhnlich ruhigen und leisen Lauf. Der Beta-Typ ist der am häufig­sten in der Praxis vorkoraraende Stirlingmotor.

4.3 Gamma-Typ

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4. Gamma-Typ (nach LV 3» S. 12).

Wie beim Beta-Typ arbeitet der Gamma-Typ (Bild 4) mit Verdränger und Kolben, die Jedoch in getrennten Zylin­dern untergebracht sind. Diese Anordnung ist besonders im Hinblick auf die Dichtungen von Vorteil, da sie nur in kalten Bereichen laufen müssen. Außerdem kann der Weg des Verdrängers möglichst klein sein, auch wenn ein gro­ßer Kolbenhub gefordert ist oder umgekehrt. Kurze Hübe verlängern die Lebensdauer von Dichtungen erheblich. Das Vorhandensein zweier Zylinder vermindert zudem die Gefahr, daß überflüssiges Schmiermittel in den heißen Bereich ge­langt .

Daß die Gamma-Version so selten zu finden ist, liegt wohl in der Hauptsache an dem sehr großen toten Volumen, an größeren Strömungsverlusten und an dem schlechteren Wirkungsgrad (weniger Präzision) im Vergleich zu Alpha- und Beta-Typ.

5. Beispiele für Stirlingmotoren in der Praxis

Die Stirlingmotoren finden aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften in vielen Bereichen Anwendung. Im Grunde genommen könnte man sogar die gewöhnlichen Motoren bis mindestens 294 kW (400 PS) pro Zylinder durch Stirling­motoren ersetzen. Ob dies jedoch von Vorteil ist, hängt von Fall zu Fall von den jeweiligen Forderungen an den Motor ab. Im folgenden einige Beispiele für Stirlingmo­toren in der Praxis, von denen die meisten nur in be­grenzter Stückzahl als Prototypen gefertigt werden.

5.1 Stirlingmotor für ein künstliches Herz

Die Entwicklung des Stirlingmotors für ein künstliches Herz begann 1964 durch das National Heart Institute (Department of Health, Education and Welfare). Dieser Motor hatte die Aufgabe, das natürliche Herz in seiner Funktion zu unterstützen oder vollständig zu ersetzen. Das Grundprinzip des Motors ist, Wärmeenergie in mecha­nische Energie umzuwandeln, um damit eine Blutpumpe an­treiben zu können. Die äußere Wärmezufuhr kann dabei auf zwei Arten erfolgen, nämlich durch Radioisotope (Pluto­nium 238) oder durch elektrische Wärme. Die Kühlerfunk­tion übernimmt dabei das Blut. Trotz umfangreicher For­schungen auf diesem Gebiet werden in der Hauptsache nur Prototypen entwickelt. Bild 1 zeigt den Querschnitt eines Philips-Stirlingmotors für ein künstliches Herz.

Es ist ein Kolben-Verdrängermotor mit Rhombengetriebe und arbeitet nach dem Westinghouse/Philips-System (sie­he LV 15» S. 418). Einige der Erkenntnisse, die aus diesem Motor gewonnen wurden, finden Anwendung in grö­ßeren Stirlingmotoren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1« Querschnitt eines Philips-Stirlingmotors für ein künstliches Herz (nach LV 15, S. 421).

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