Wissenswertes

Funktionsweise

Funktionsweise des Stirlingmotors

Das Prinzip hinter dem Stirlingmotor ist sehr alt … und sehr einfach! In Ägypten nutzte man schon vor über 2000 Jahren die Ausdehnung sich erwärmender Luft, um Tempeltore in Bewegung zu setzen. Auf dem gleichen Prinzip beruht der Heißluftmotor, den Robert Stirling 1816 zum Patent anmeldete: Ein mit Spiritus gefüllter Brenner erhitzt die Luft im Inneren eines Zylinders und liefert so Energie für den Motor, der durch Andrehen des Schwungrades aktiviert wird.

Trotz ihres einfachen Aufbaus sind Stirlingmotoren beeindruckende Maschinen!

Die Luft im geschlossenen Arbeitszylinder wird durch die Flamme erhitzt und strömt aufgrund der Ausdehnung am Verdrängerkolben vorbei zur anderen Seite des Zylinders, wo sie den Arbeitskolben nach außen drückt. Weil der Verdrängerkolben mit dem nun rotierenden Schwungrad verbunden ist, bewegt er sich wieder zurück, sodass die Luft hinter dem Verdrängerkolben abkühlt und ein Vakuum erzeugt.

 Dieses Vakuum sorgt dafür, dass der Arbeitskolben wieder zurückgesaugt wird. Der Prozess beginnt von vorne, die Maschine läuft!

Funktionsweise des Vakuummotors

Der Vakuummotor, für den sich Henry Wood 1758 ein Patent erteilen ließ, wird landläufig auch Flammenfresser genannt und zählt wie der Stirlingmotor zu den Heißluftmotoren.
Ähnlich wie beim ersten Ottomotor leistet der atmosphärische Druck die meiste Arbeit.

Durch ein Ventil saugt der Kolben die frontal aufgestellte Flamme in den Zylinder hinein (das charakteristische Laufgeräusch, das dabei entsteht, erinnert an einen Lanz-Traktor). Die Flamme erhitzt die Luft im Zylinder, wodurch der Kolben nach hinten gedrückt wird. Daraufhin schließt sich das mit dem Schwungrad verbundene Ventil, sodass die Luft

im Zylinder wieder abkühlt.
Aufgrund des atmosphärischen Drucks bewegt sich der Kolben wieder zum Ausgangspunkt zurück. Wenn der Kolben seinen vorderen Totpunkt erreicht, öffnet sich das Ventil wieder, und das Spiel beginnt von Neuem. Das Schwungrad unterstützt die Überwindung der beiden Totpunkte.

Funktionsfähige Modelle von Vakuummotoren werden häufig als Stationärmotor in liegender oder stehender Ausführung mit einem oder mehreren Zylindern gebaut. Auch in historischen Modellen von Traktoren und Schienenfahrzeugen kommen Vakuummotoren zum Einsatz.

Geschichte

Bereits vor 2000 Jahren wurden Heißluftmaschinen als einfache Maschinen eingesetzt, z.B. zum Öffnen von Toren in Tempelbezirken. Es gibt sogar Dokumente, in denen berühmte Menschen, wie Leonardo da Vinci, sich mit Heißluftmaschinen auseinandergesetzt haben. Ob diese aber wirklich gebaut wurden, ist nicht bekannt.
Und vor ca. 200 Jahren suchte man mobile Kälte- und Kraftmaschinen. Das war dann auch die Blütezeit der Heißluftmaschinen.
Im Jahre 1816 wurde dann der erste Stirlingmotor, von Robert Stirling, zum Patent angemeldet. Dabei wurde die erste Maschine, als kohlebefeuerte Wasserpumpe, zur Entwässerung eines Steinbruchs eingesetzt.
Auch der Schwede John Ericsson, der viele technisch unterschiedliche Maschinen für den Einsatz von Schiffsmaschinen baute, eng mit den Heißluftmotoren verbunden.
Es gibt noch viele Hersteller und Erfinder (so z.B. Lehmann, Buchbaum,...) von Heißluftmaschinen, die heute nicht ganz erforscht sind.
Der Stirlingmotor wurde entwickelt, weil er:

•    ohne Unwucht läuft
•    sicherer als Verbrennungsmotoren war
•    verkleinerbar ist
•    Verschleiß- und reibungsarm ist
•    geringen Brennstoffverbrauch, gegenüber herkömmlichen Dampfmaschinen, hatte
•    sich durch leisen Lauf auszeichnet
•    eine geringe Wärmeabstrahlung besitzt
•    Langlebig und Robust ist

Anfang des 20. Jahrhunderts waren bereits etwa 250.000 Stirlingmotoren, in kleinen Handwerksbetrieben, oder Privathaushalten, im Einsatz, z.B. als:

•    Antrieb für Kleingeräte (etwa als Nähmaschinen,...)
•    Wasserpumpen
•    Ventilatoren
•    Kältemaschinen
•    Radios
•    Einzelenergiequellen
•    und vieles mehr

Elektro-, Diesel- und Ottomotoren, die nach und nach entwickelt wurden, verdrängten zunehmend den Stirlingmotor, der sich bis jetzt in der Autoindustrie nicht durchsetzen konnte.
Nur die Militärs behielten weiterhin Interesse an den Stirlingmotoren, die sie z.B. als kleine Stromaggregate (in den USA), oder als U-Boot Antriebe (in Schweden) einsetzten.

1850 entwickelte und baute John Ericsson sonnenbetriebene Heissluftmotoren.

Um 1900 waren sie als Spielzeugmotoren der Blechspielzeugindustrie (z.B. bei Plank, Märklin,...) im zivilem Einsatz.

1937 - 1978 suchte die holländische Firma Philips nach wärmebetriebenen Antriebsaggregaten, um sie z.B. als Rundfunkgeräte einsetzen zu können.
- Forschungsprojekt lief bis 1978

Fast die meisten der heutigen Stirlingmodelle haben sich aus dieser Zeit entwickelt.

Nach 1978 wurden dann die Lizenzen (z.B. an Ford, MAN,...) verkauft.

Ab ca. 1990 werden Solar-Stirlingmotoren aufgebaut, die in sonnenreichen Ländern Solarstrom erzeugen.

Auch entwickelt und baut seit 1990 Böhm Stirling Technik GmbH seine hochwertigen Spielzeugmodelle, basierend auf der Stirlingtechnik.

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Allgemeine Infos zum Stirlingmotor:

Wobei normalerweise die Stirlingmotoren mit warmer Luft betrieben werden, arbeiten die modernen Maschinen mit Wasserstoff, oder Helium
- enorme Leistungssteigerung

Die Arbeitsmedien können Metall, oder Wasser, als auch flüssige, oder gasförmige Kolben sein.
Der Arbeitskolben schiebt die Luft (in einem geschlossenen Raum) hin und her - Luft wird rasch erwärmt + abgekühlt. dabei wird der Verdrängerkolben angetrieben. Arbeits- und Verdrängerkolben sind dabei um ca. 90° versetzt.

Durch die Wärmezuführung von aussen, können alle Arten von Brennstoffen/Wärmequellen (z.B. durch menschlichen Körper) eingesetzt werden, also auch Sonnenstrahlung.
Neben dem Stirlingmotor gibt es noch 3 weitere Arten von Heißluftmaschinen, den Roper-, Vaccum- und den Ericssonmotor.

Der Stirlingmotor ist leicht aufladbar und hat den größten thermischen Wirkungsgrad und wenn die externe Wärmequelle keine Abgase erzeugt, kommt es auch zu keiner materiellen Emission (also FCKW frei).
Ein weiterer großer Vorteil des Stirlingmotores ist, daß er bei einer kontinuierlichen Wärmezufuhr betrieben, wenig Lärm erzeugt, schadstoffarm sein kann und auch mit radioaktiver Zerfallswärme, mit Sonne, oder heißem Wasser/Dampf betrieben werden kann.
Mit dem Stirlingprinzip kann gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt werden.

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Zukunft:

Innovativ sind nun "stromerzeugende Heizungen", den Microgen-Stirlingmotoren (http://www.bhkw-infothek.de/nachrichten/19050/2013-06-03-eksh-fordert-nano-bhkw-mit-stirlingmotoren), auf dem Markt. Sie können in Ein- und Zweifamilienhäusern, als Alternative für herkömmliche Heizungen, eingesetzt werden.

Auch als KWK (Kraft-Wärme-Kopplung), Sonnenmotor Cyrocooler (https://en.wikipedia.org/wiki/Cryocooler) und FCKW-freie Kältemaschinen wird der Stirlingmotor heute eingesetzt.
Jährlich stattfindende nationale und internationale Stirlingkonferenzen zeigen, wie einfach die Modellmaschinen zu bauen sind und für was sie eingesetzt werden können. Der Kreativität und Phantasie sind dabei keine Grenzen gesetzt.

In Wohnhäusern können die Stirlingmotoren eingesetzt werden, um Strom und Wärme zu erzeugen. Wird der Stirlingmotor dabei mit nachwachsenden Rohstoffen (wie Pellets) befeuert, ist der CO2 Ausstoß gleich der CO2 Aufnahme beim Wachstum -> CO2 Neutral

Auch zum Antrieb von U-Booten ist der Stirlingmotor einzusetzen (weil der Stirlingmotor ist ein luftunabhängiger Antrieb ist, für den man nur Wärme braucht).

Im Weltraum können Solarpaddel (Freikolben Stirlingmotor) eingesetzt werden.
Bereits seit 1967 wurde der Stirling zum Antrieb von künstlichen Herzen eingesetzt und wird auch im medizintechnischen Einsatz weiter erforscht und entwickelt.

Sowohl in der Supraleit-Technik kommen Stirling Cryocooler zum Einsatz, als auch für FCKW freie Kühlanlagen.

Obwohl den Stirlingmotoren nachgesagt wird, daß sie die Motoren der Zukunft sind, haben sie sich noch nicht auf breiter Front durchgesetzt.

Sie werden momentan in verschiedenen Anwendungen eingesetzt:
•    Solarstirling (Solarenergie wird in mechanische Energie umgewandelt)
•    Blockheizkraftwerke (Erzeugung von Heizwärme, Elektrizität)
•    U-Boote (Antrieb)
•    Raumfahrtprojekte (Generatoren werden von der NASA entwickelt)
•    usw.

Und was ist sonst noch in der Entwicklung?
•    Stirlingmotoren als Wasserpumpen in der dritten Welt
•    In der Medizintechnik, als Pumpe -> Antrieb einer Blutpumpe, die das Herzunterstützungssystem
     antreibt
•    Auch wird die Forschung, Stirlingmotoren in der Autoindustrie einzusetzen, noch nicht vollständig
     aufgegeben
•    Die Sunmachine (http://www.bhkw-prinz.de/sunmachine-pellet-bhkw-mit-stirlingmotor/141#Unternehmen) beschäftigt sich intensiv mit der Stirlingtechnologie. Dabei sind hocheffiziente Aggregate im Focus

Die Heißluftmaschinen begeistern und sind schön!

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