Seit der ersten Ölkrise im Jahr 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 sagen: ,,Je weniger Energie zur Verfügung steht, umso mehr Arbeitslose werden wir zu beklagen haben und umso steiler wird die Inflation anwachsen."
Genau betrachtet haben wir mehr Erdöl und sonstige Energieformen zur ,,Verfügung" als wir tatsächlich bräuchten. 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 Kraftwerks ausmacht, so sind teure Fernwärmenetze zu errichten. Da ein einziger Anschluß ohne weiteres DM 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 Wärmeleitungsnetze 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 Warmwasserrohre wieder zu lange und müßten relativ große Wärmeverluste an den Boden abgeben.
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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.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
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).
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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)
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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.
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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) .
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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
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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.
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Bild 1« Querschnitt eines Philips-Stirlingmotors für ein künstliches Herz (nach LV 15, S. 421).
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