4→1 Verschieben des Gases vom heißen zum kalten Raum (Geringe Volumenänderung). (Erklärung Kelvin) Bei der Konstruktion des GT02 wurde Wert auf Transparenz gelegt. Konstruktionsbedingt weisen Frei­kolben-Stirling-Motoren zahlreiche Vorteile gegenüber Maschinen mit kinematischem Getriebe auf. Der Fall der Spaltströmung ist bei der Betrachtung von LamellenWärmeübertragern und der Dimensionierung von Kühlrippen relevant. Finanzierungsmöglichkeit. Mit der allgemeinen Zustandsgleichung 3.3 ergibt sich damit die Gleichung 4.6, in welcher die Konstanten n, Rm sowie To und Tu vor das Integral gezogen werden können. Maschine arbeitet zwischen der hohen Temperatur Tmax und der niedrigen Temperatur Tmin. 1975 gewann der Stirlingmotor an Bedeutung im Zusammenhang mit Holz betriebenen Blockheizkraftwerken (BHKW) und der Kraft-Wärme-Kopplung. #Stirlingmotor #Wärmekraftmaschine #Wärmelehre Was ist ein Stirlingmotor? 1983 erreichte er mit Motor Nr. Stirlingmotoren in BHKW haben jedoch einen weit geringeren Wirkungsgrad als Verbrennungsmotoren. Lediglich die Amplitude ist abhängig von der Dämpfung bzw. Wie die Gasturbine (ein bewegtes Teil) ist der Freikolben-Stirlingmotor-Generator (zwei bewegte Teile) eine Wärmekraftmaschine, die ohne weitere reibungsbehaftete Teile wie Pleuel, Kurbelwelle oder gar Ventilsteuerung auskommt. Der Gamma-Stirling wird nicht näher untersucht, da dieser der Beta-Konfiguration ähnelt und lediglich bei Maschinen mit kinematischem Getriebe das mechanische Problem der durch den Arbeitskolben geführten Verdrängerkolbenstange umgeht. Die Nutzung von Wärme und Abwärme mit einer geringen Temperaturdifferenz ist hingegen mit einer Vielzahl von technischen und vor allem wirtschaftlichen Hemmnissen verbunden. 4.5.1 Nutzungsrandbedingungen der Konzeptidee Die NASA entwickelt lineare Stirling-Konverter mit integriertem Lineargenerator, die ihre Betriebswärme über Heatpipes von einem kleinen Festkörper-Kernspaltungsreaktor zugeführt bekommen, in einem Leistungsbereich von 100W-1kW elektrisch, zur dauerhaften Energieversorgung von Raumsonden, die entfernte Planeten erforschen oder einer menschlichen Basis auf Mond oder Mars über viele Jahre hinweg.[7]. Der Nachlauf des kalten Kolbens beträgt theoretisch 90°, wird aber meist vergrößert, um die erforderlichen Temperaturen am heißen Zylinder reduzieren zu können und um die Kräfte auf die Kurbelwellenlager zu minimieren (siehe Kasten „empfohlene Phasenwinkel“). Eine schnelle Regelung der Motorleistung, wie sie beispielsweise für Kraftfahrzeuge erforderlich ist, erfordert einen aufwändigeren und komplexeren Hybridantrieb. Da die Brennstoffzelle als Konkurrent noch nicht die erfor­derliche Marktreife erlangt hat, bleibt der Stirlingmotor eine interessante Technologie auf dem Gebiet der Blockheizkraftwerke. Für eine konstante Temperatur kann die Wärme unter Berücksichtigung von Glei­chung 3.15 auch auf folgende Weise berechnet werden: Im Sinne einer einheitlichen Darstellung werden im Folgenden, falls nicht anders ange­geben, bevorzugt die spezifischen (bezogenen) Zustands- und Prozessgrößen verwendet. Diese Kraft verursacht bei schnell strömendem Arbeitsgas im Stirlingmotor unerwünschte Strömungswiderstände, welche den Wirkungsgrad negativ beeinflussen. Von Geller (2006) wird die in Gleichung 3.4 angegebene Formulierung verwendet. Bei manchen Bauformen genügt als Antrieb bereits eine geringe Temperaturdifferenz, zum Beispiel die zwischen menschlichem Körper und der Umgebung.[1]. - Der Freikolben-Stirling-Motor kann als selbststartend bezeichnet werden, da er aus dem Stillstand heraus schon kleine Erschütterungen ausreichen, um den Kreisprozess in Ganz zu setzen. Dieser systematische Fehler ließe sich vermeiden, wenn der Regenerator in diesem Schritt eng am Kolben anliegen würde. Vielmehr reduziert die Nutzung der einfachen empirischen Form den Rechenaufwand im Simulationsmodell. Bis zu diesem Wert kann eine laminare Strömung als gesichert angenommen werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Möglichkeiten und Grenzen des Stirling-Motors auf dem Gebiet der Wärme- und Abwärmenutzung zu umreißen. Das Arbeitsgas (Luft, Wasserstoff, Helium usw.) Diese Variante ist recht einfach im Aufbau und mit wenigen Bauteilen herstellbar. Mit der Gegenüberstellung in Tabelle 4.1 werden die Vorzüge des Stirling- gegenüber des Verbennungsmotors deutlich. Im p-v-Diagramm ist die vom Graphen umschlossene Fläche (gelb) die von der Maschine verrichtete Arbeit. Der Wärmeübergangskoeffizient a ist unter anderem abhängig von der Geometrie des umströmten Körpers und den Stoffeigenschaften des strömenden Fluides. Die bereits angesprochene Eigenschaft, dass die Prozesswärme nicht zwangsläufig durch Verbrennung zugeführt werden muss, eröffnen dem Stirlingmotor die Möglichkeit, die in Fluidströmen gebundene Wärme in mechanische Energie umzuwandeln. So muss in Abbildung 1 zum Erreichen des Zustandes 2 auf dem gestrichelten Weg mehr Wärme zuge­führt werden, als auf dem durch die schraffierte Fläche angedeuteten Weg. Mit der Gleichung 3.6 kann daher die mit der Umgebung ausgetauschte Wärme angegeben werden. In diesem Zusammenhang liegt ein besonderer Schwerpunkt auf den verschiedenen Freikol­ben-Konfigurationen. Die gelb markierten Flächen stellen die Nutzarbeit des Prozesses dar. Da es sich beim Stirlingprozess um eine hermetisch abgeschlossene Gasmenge der Masse m handelt, gilt der Massenerhaltungssatz. Was geschieht . Im Gegenzug dazu kann der in dieser Arbeit behandelte, wesentlich kompaktere Freikolben-Stirlingmotor gegen die Umgebung abgedichtet und mit einem hohen mittleren Arbeitsdruck beaufschlagt werden. 3→4 Kompression des Gases im kalten Raum bei Wärmeabgabe an das Kaltreservoir Gegenüber den mit Kolben betriebenen Stirlingmotoren bietet die Membranabdichtung eine wesentlich einfachere Abdichtung des Gasraumes (keine Kolbenringe, weniger Reibungsverluste). Trotz der höheren Wirkungsgrade konnte sich der zu Anfang weniger zuverlässige Stirlingmotor nicht gegen die Dampfma­schine behaupten. Bei logarithmi­scher Leistungs-Achse ist ein Trend des Wirkungsgrades in Abhängigkeit der Leistung erkennbar. Der genannte Niedertemperaturmotor besitzt im Verhältnis zu seinen Abmessungen eine auffällig niedrige Leistung. Funktioniert bereits mit Ihrer Handwärme. 7.2 Grenzen der Modellannahmen Tabelle 6.3: Untersuchung der Wirtschaftlichkeit des Freikolben-Stirling-Motors am Beispiel einer Bäckerei, Tabelle 6.4: Untersuchung der Wirtschaftlichkeit des Freikolben-Stirling-Motors im Kraft­fahrzeug, Tabelle 1: Tabellenwerte und Regressionsparameter ausgewählter Stoffwerte von Wasser, Tabelle 2: Dynamische Viskosität in Abhängigkeit von Druck und Temperatur, Tabelle 3: Realgasfaktor in Abhängigkeit von Druck und Temperatur, Tabelle 4: Spezifische Wärmekapazität cp in Abhängigkeit von Druck und Temperatur, Tabelle 5: Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von Druck und Temperatur, Tabelle 6: Kritische Zustandsgrößen und Stoffkonstanten ausgewählter Arbeitsgase nach Pohl (2004), Tabelle 7: Ausbreitungsgeschwindigkeit des Druckanstieges bei der Simulation und Schall­geschwindigkeit ausgewählter Gase bei 300 K, Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Belastung. Die Er ist nach der Dampfmaschine die zweitälteste Wärmekraftmaschine. Somit wird nur während den isothermen Volumenänderungen Wärme mit der Umgebung ausgetauscht. Abbildung 5.27: Integration des Lineargenerators im Arbeitskolben, Abbildung 5.28: Idealisierte vollgesteuerte Zweipuls-Brückenschaltung nach Bernet (2008), Abbildung 6.1: Konstruktionsskizze des doppelt wirkenden Alpha-Freikolben-Stirling- motors mit Lineargenerator. 7.1 Zusammenfassung Für die Berechnung zur Auslegung von Maschinen kann es zweckmäßig sein, die Vorstellung des „idealen Gases“ einzuführen. Steimle (2007) verweist diesbezüglich auf die Gleichung. Der Arbeitslauf des Motors kann in 4 Prozesse (Phasen 1 bis 4) unterteilt jedoch war anfangs die Dauerfestigkeit der Dichtung zwischen den beiden Kolbenstangen gering, was aber mit modernen Werkstoffen und Fertigungsverfahren beherrschbar wurde. Dadurch reduziert sich der Dichtungsaufwand erheblich, gleichzeitig werden die Reibungskräfte erheblich verringert. Bei dieser Maschine sind die Kolben (in der Draufsicht) im Quadrat angeordnet. C.3 Modellierung der Schallgeschwindigkeit In diesem Zusammenhang ist es notwendig, verschiedene Bauweisen und Motorkonfi­gurationen im Kontext des geringen Temperaturpotentials zu betrachten. Was geschieht im Stirlingmotor? Eine spezielle Form der Alpha-Konfiguration ist der in Abbildung 4.5 dargestellte doppelt­wirkende Siemens-Stirling-Motor. Bedienungsanleitung - Niedertemperatur-Stirling-Motor, Bausatz - U10061 [1002599] (DE) Artikel-Nr. Ersetzt man den Regenerator durch einen simplen Verdränger, verringert diese Vereinfachung die Temperaturdifferenz und damit die Nutzarbeit. Mit dem Hintergrund endlicher Ressourcen und dem Ziel, frei verfügbare Energiequellen zu erschließen, ist das Potential des Niedertemperatur-Freikol­ben-Stirling-Motors für die Gegenwart und Zukunft zu erläutern. komprimiert wird. Luft oder Helium) in einem ersten Zylinder (Verdrängerzylinder) zwischen einer „Heißen Seite" und einer „Kalten Seite" abwechselnd hin und her bewegt und damit abwechselnd erhitzt und abgekühlt. Wegen der kontinuierlichen äußeren Wärmezufuhr benötigt der Stirlingmotor keinen hochwertigen Treibstoff, er ist prinzipiell ein Vielstoffmotor. Der ideale Stirlingprozess hat isotherme Expansion, in der Praxis wird aufgrund hoher Drehzahlen nur eine adiabate Expansion realisiert. Bei der Auslegung der Maschine für eine bestimmte Energiequelle (Solarenergie, Gasbrenner etc.) B. Sonneneinstrahlung, Warmwasser oder Heissgas) und die Rückwand gekühlt. Eine Freikolben-Wärmekraftmaschine, bei der die Arbeitsmaschine (zum Beispiel Generator) von einem Stirlingmotor angetrieben wird (sie besteht also aus zwei Teilen, dem Generator und dem Stirlingmotor),[6] hat den großen Vorteil, dass nur noch zwei axial belastete Teile vorhanden sind und beim Betrieb keine Radialkräfte auftreten. Für die Herleitung des Widerstandsbeiwertes f der laminaren Rohrströmung wird zunächst unter Verwendung der Gleichung 3.31 die über die Querschnittsfläche gemittelte Strömungsgeschwindigkeit um berechnet. Es ist daher sinnvoll, die Gleichung 3.38 für die turbu­lente Rohrströmung in hydraulisch glatten Rohren im Bereich bis Re~ 100 000 durch die vereinfachte Formel 3.39 nach Blasius zu ersetzen. Entscheidend hierfür sind die Verhältnisse in der Grenzschicht, deren Eigenschaften stark davon abhängen, ob eine laminare oder turbulente Strömung vorliegt. /Steimle (2007)1. Zusammen mit dem niedrigen Verdichtungsverhältnis resul­tiert daraus die enorme Baugröße des Gesamtsystems. 4,3 von 5 Sternen 247. In diesem Takt wird das Schwungrad angetrieben, weil der Druck p des Gases auf die Fläche A des Arbeitskolbens eine Kraft F ausübt. Es muss lediglich die Durchführung der Antriebswelle als einzige dynamische Dichtung gegenüber der Umgebung abgedichtet werden. 5.5.3 Zylinder mit Dreifachkolben: Alpha-Konfiguration Der Entwicklung ressourcenschonender Technologien ist seit geraumer Zeit Gegenstand wissenschaftlicher und ökonomischer Diskussionen. Wird einem System Energie in Form von stofflich gebundener oder ungebun­dener Form zugeführt, bewirkt dies eine zeitliche Änderung der inneren Energie innerhalb des Systems. Durch entsprechende Auslegung ist es möglich, insbesondere den Verdrängerkolben ausschließlich durch eine wartungsfreie Gaslagerung von einer Berührung mit der Zylinderwand abzuhalten. Der Wirkungsgrad der Maschinen wird mit 10 bis 13 Prozent angegeben, 5 Prozent für die ganze Solarpumpe. Somit entfallen sämtliche dynamische Dichtungen. Ein Niedertemperatur-Stirlingmotor, der die solare Strahlung als Energiequelle nutzt, ist einfach aufgebaut, funktionssicher, wartungsarm, leicht regelbar sowie relativ billig. Stirlingmaschinen in Alpha-Kon­figuration weisen zwei Kolben auf, welche beide den mittleren Arbeitsdruck gegenüber der Umgebung abdichten müssen. 7.1.1 TechnischeAusführung Die bis zur Serienreife entwickelte Maschine „STM 4-260“ setzt nach den Angaben von Steimle (2007) Wasserstoff als Arbeitsgas bei einem Druck von 150 Bar ein. Das Volumen des Kompressionsraumes bleibt beim idealen Stirling-Prozess dabei unverändert.