Heat 2 Power:
Die Neue Stirlingmotor-Technologie []

Grundlegende Funktionsweise von Stirlingmotoren

Die Neue Stirlingmotor-Technologie ist eine substantielle Weiterentwicklung der hier "klassisch" genannten Stirlingmotore. Zunächst wird hier die allen Stirlingmotoren zugrundeliegende Thermodynamik und die Funktionsweise der klassischen Motore beschrieben.

Ein Stirlingmotor ist eine periodisch arbeitende Wärmekraftmaschine, die Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt ("Heat-To-Power"). Die Funktionsweise des Stirlingmotor basiert auf der abwechselnden Erhitzung und Abkühlung einer eingeschlossenen Gasmenge. Das Arbeitsgas wird in einem kontinuierlich heiss gehaltenen Raum (Zylinder) erwärmt, wodurch es expandiert.

Die Expansion des Gases treibt die Maschine an. In einem anderen Raum (Zylinder) wird das Gas danach gekühlt und komprimiert. Es pendelt zwischen diesen beiden Räumen hin und her. Stirlingmotoren sind meist als Kolbenmotoren ausgelegt, es gibt jedoch auch andere Ausführungen.

Die Maschine kann Arbeit abgeben, weil die zur Kompression zugeführte erforderliche Arbeit bei kalter Temperatur geringer ist, als bei der Expansion bei heisser Temperatur frei wird.

Die Wärme wird von außen der eingeschlossenen Gasmenge zugeführt, somit kann die Maschine mit jeder externen Wärmequelle betrieben werden. Da das Gas nicht ausgetauscht wird, kann ein besonders geeignetes Gas wie Helium oder Wasserstoff verwendet werden.

Übliche Stirlingmotoren ("klassische Maschine") speichern die im Arbeitsgas enthaltene Wärme auf dem Weg vom heißen zum kalten Raum in einem Speicher (Regenerator), um die Effizienz zu verbessern. Der Regenerator gibt die Wärme wieder ab, wenn das Gas vom kalten in den heißen Raum zurückströmt.

"Das allgemeine Wissen und Verständnis über Stirlingmotoren ist jedoch immer noch so gering, dass selbst unter Experten eine große Meinungsverschiedenheit besteht, nicht nur hinsichtlich ihrer grundlegenden Anwendungen oder wünschenswerten Konstruktionsmerkmale, sondern auch hinsichtlich des für sie geeigneten analytischen Ansatzes für ihr Design und ihre Optimierung."
(T. Finkelstein, Vorwort zu Allan J.Organ: "Thermodynamics and Gas Dynamics of the Stirling cycle Machine")

Bauarten von Stirlingmotoren

Es gibt verschiedene Arten von Stirlingmotoren ("Alfa", "Beta" und "Gamma") klassischer Bauart, die nach Art der Anordnung von Arbeits- und Verdrängerkolben voneinander unterschieden werden. Die Neue Stirlingmotor Technolgie, von der wir hier sprechen, ist eine Anlage vom Typ Alfa, basierend auf dem Prinzip, wie es von Alexander Kirk Rider angewandt wurde, daher auch "Rider Motor" genannt. Die anderen Bauarten werden hier nicht behandelt.

Insgesamt besteht ein Stirlingmotor klassischer Bauart vom Typ Alfa im allgemeinem aus einem heissen Arbeitszylinder mit Erhitzer am Zylinderkopf, einem kalten Kompressionszylinder mit Kühler am Zylinderkopf, einem Regenerator und einer Kurbelwelle.

Die Kolben sind in getrennten Zylindern untergebracht und wirken auf die gemeinsame Kurbelwelle. Der Versatz des gekühlten Zylinders von ca. 90°stellt sicher, dass das Gas durch einen Kolben expandiert oder komprimiert werden kann, während sich der andere Kolben nur wenig in der Nähe des oberen oder unteren Totpunkts bewegt. Da beide Zylinder durch ein Rohr und einen Regenerator miteinander verbunden sind, pflanzt sich der Arbeitszyklus (Expandieren und auch Komprimieren) im folgenden Zyklus auf der Oberseite des jeweils anderen Kolbens fort.

Der Zyklus eines Alfa-Stirlingmotors

Der Stirling-Prozess besteht aus 4 Schritten. Die folgenden Abbildungen zeigen diese Zyklen bei einer Maschine vom Typ Alfa.

isotherme Expansion im Alfa-Stirling Motor — 1: isotherme Expansion

isochore Kühlung im Alfa-Stirling Motor — 2: isochore Kühlung

isotherme Kompression im Alfa-Stirlingmotor — 3: isotherme Kompression

isochore Erwärmung im Alfa-Stirlingmotor — 4: isochore Erwärmung

Thermodynamischer Prozess

isotherme Expansion des Stirling-Prozesses — 1-2: isotherme Expansion

isochore Kühlung des Stirling-Prozesses — 2-3: isochore Kühlung

isotherme Kompression des Stirling-Prozesses — 3-4: isotherme Kompression

isochore Erwärmung des Stirling-Prozesses — 4-1: isochore Erwärmung

Die thermodynamischen Zyklen im Detail

➀ ➁

Isotherme Expansion im heißen Zylinder

T=const. während der Expansion es Gases.
Die zur Aufrechterhaltung der Temperatur zugeführte Wärme Q entspricht der geleisteten Arbeit W.

➁ ➂

Isochore Kühlung im Regenerator

Bei konstantem Volumen nehmen Temperatur und Druck des Gases ab. Die abgeführte Wärme wird im Regenerator gespeichert und im Schritt ➃ ➀ dem Gas wieder zugeführt.

➂ ➃

Isotherme Kompression im kalten Zylinder

T = const. während der Gaskompression.
Die Volumenänderungsarbeit W entspricht der Wärmemenge Q, die abgeführt werden soll.

➃ ➀

Isochore Erwärmung im Regenerator

Die während des Schrittes ➁ ➂ entnommene Wärme wird dem Gas wieder zugeführt. Bei konstantem Volumen steigen Temperatur und Druck des Gases an.

So baut man den perfekten Stirlingmotor

Die besten Ingenieure haben jahrzehntelang darum gekämpft, den Stirlingmotor zu verbessern. Jeder, der sich mit den Stirlingmotoren beschäftigt, erkennt sofort, daß noch mehr zu gewinnen ist. Da muß einfach noch mehr drin sein! Sie konnten jedoch den gordischen Knoten nicht lösen. So geht's:

Es ist notwendig, einen hohen Temperaturunterschied zwischen Arbeits- und Kompressionszylinder zu erhalten.
Große Menge an Wärme, die vom Regenerator zurückgewonnen wird. Jedes durch interne Rückgewinnung eingesparte Joule muss nicht durch Verbrennung von Treibstoff zugeführt werden.
Man muss die Temperaturverluste an der Heizung und am Kühler gering halten.
Minimierung der Verluste durch Reibung und Lücken
Wenige Verluste aufgrund der Wärmeableitung durch das Material von warmen zu kalten Bereichen des Systems.
Die Mechanik und die Strömungswege müssen so ausgelegt sein, dass sich der thermodynamische Zyklus bestmöglich den theoretischen vier Zyklen annähert, ohne sich zu überlappen.
Hohes Verdichtungsverhältnis der Kolben ohne Entweichen von Arbeitsgas in Toträume (Rohrleitungen, Regenerator).
Der Zielkonflikt zwischen der Maximierung der Wärmeaustauschoberfläche des Regenerators und der Minimierung des Totvolumens muss gelöst werden.

"In der Mitte der Probleme liegen die Möglichkeiten" (A. Einstein)

Die Zukunft

Die hier vorgestellte Neue Stirlingmotor-Technologie erfüllt alle oben genannten Anforderungen, löst die Probleme der klassischen Maschinen und könnte somit den langersehnten Durchbruch der Stirlingmotor-Technologie bedeuten.

Zuvor entworfene und hergestellte Motoren der "klassischen Technologie" liefern nur kleine Leistungen, haben einen kleinen Wirkungsgrad und dadurch nur einen eingeschränkten Einsatzbereich.

Sie haben nur noch das Grundprinzip mit der auf den nächsten Seiten vorgestellten Maschine der Neuen Stirlingmotor-Technologie gemeinsam. Nach deren aufmerksamer Lektüre wird deutlich, dass der Stirlingmotor in der Realität eher dazu prädestiniert ist, eine hohe Leistung zu liefern, stationäre oder schiffsbasierte Stromerzeugungssysteme zu ersetzen und zuvor nicht genutzte Abfallenergie zu nutzen. Er konkurriert daher nicht mit vorhandenen Stirlingmotoren der klassischen Bauweise, sondern mit Gasmotoren, Mikroturbinen, Gasturbinen und grossen Dieselmaschinen, wie sie auf Schiffen verwendet werden.