Was ist ein Heißluftmotor / Stirlingmotor

Der Heißluft-Motor ist eine periodisch arbeitende Wärmekraftmaschine, die Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt. Es gibt drei verschiedene Typen von Stirlingmotoren alpha, beta und gamma -Typen. Im Bild unten sehen Sie den beta - Typ Stirlingmotor. Er besteht aus einem Zylinder, in dem sich ein Arbeitskolben und ein Verdrängungskolben mit einer Phasenverschiebung von 90° bewegen.

Im oberen Teil des Zylinders wird das Arbeitsgas Luft erhitzt, im unteren abgekühlt.

Der Verdrängungskolben hat die Aufgabe, die eingeschlossene Luft vom oberen in den unteren bzw. vom unteren in den oberen Teil des Zylindes zu verschieben. Das geschieht hier durch ein Loch im Verdrängerkolben. Dieses Loch ist mit Kupferwolle ausgefüllt. Beim "Luftverdrängen" strömt die Luft durch das Loch mit der Kupferwolle, die dabei Wärmeenergie von der Luft aufnehmen oder später wieder an sie abgeben kann. Wegen dieser Eigenschaft wird die Kupferwolle Regenerator genannt.

Bei einem idealen Stirlingprozeß gibt es 4 nacheinander ablaufende Zustandsänderungen:

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1 .

Die Luft expandiert isotherm (also bei konstanter Temperatur)

2 .

Sie wird nach der Expansion isochor (d.h. bei konstantem Volumen) im    
Regenerator abgekühlt

3 .

Danach wird sie isotherm komprimiert

4 .

Sie wird wieder isochor im Regenerator aufgeheizt auf die Anfangstemperatur

Die vier nacheinander ablaufenden Takte betreffen den idealen Stirlingprozeß.
Leider kann ein idealer Stirlingprozeß nicht realisiert werden, da man keine kontinuierlich laufende Maschine konstruieren kann, in der isochore Zustandsänderungen ablaufen können.

Mit dem in der Animation gezeigten Motor, mit einem kontinuierlich laufendem Kurbeltrieb, kann man den idealen Prozeß annähern durch den Phasenversatz bei der Bewegung des Arbeitskolbens und des Verdrängers. Dabei überlappen sich jedoch die 4 Takte: So findet bei der Expansion auch gleichzeitig schon ein Gaswechsel von heiß nach kalt statt, und während der Kompression ist noch nicht alle Luft im kalten Teil des Motors.

Der reale Stirlingprozeß wird durch die oval aussehende Kurve im P-V Diagramm repräsentiert

Der Motor funktioniert nur bei ausreichender Temperaturdifferenz zwischen heißer und kalter Seite. Diese Differenz wird in Kelvin (K) (Erklärung Kelvin) ausgedrückt. 1990 wurde durch Dr. Senft von der Universität Wisconsin und von Professor Kolin die bisher praktische untere Grenze für den Betrieb von Stirlingmotoren gesetzt. Diese Differenz liegt bei nur 0,5 Kelvin und ist bis jetzt Weltrekord.

Die entstehende mechanische Energie ist gleich der Differenz zwischen zugeführter Wärmeenergie und der an den Kühlmantel abgegebenen Energie. Des weiteren sind natürlich auch die Reibungsverluste der Maschine zu berücksichtigen.

Weitergehende Informationen zum Thema “Funktion von Stirlingmotoren” finden sie hier