Der Stirlingmotor ist ein geschlossener Hubkolben-Außenwärmemotor, der Wärme in nützliche mechanische Arbeit umwandelt. Er wurde ursprünglich erfunden, um mit der Dampfmaschine zu konkurrieren, aber aufgrund seiner verschiedenen Einschränkungen hat der Stirlingmotor auch nach vielen Jahren keine Akzeptanz auf dem Massenmarkt und wird nur in wenigen spezialisierten Anwendungen verwendet.
Das Gas im Inneren eines Stirling-Motors verlässt niemals den Motor. Sie werden immer wieder erhitzt und abgekühlt, so dass sie nie in Form eines explosiven Abgases freigesetzt werden. Dieser regenerative Motor hat die Fähigkeit, dasselbe Gas wiederholt zu verwenden, um Strom zu erzeugen; daher kann sich ein Stirling-Motor als viel effizienter erweisen als der Verbrennungsmotor, der in modernen Fahrzeugen verwendet wird. Denn es finden keine Explosionen statt, Stirling-Motoren sind sehr leise. Es gibt auch keine Verbrennung, da die Der Stirling-Zyklus verwendet eine externe Wärmequelle, die Sonnenenergie oder sogar Wärme sein kann, die vonverfallende Pflanzen.
Geschichte des Stirlingmotors
Robert Stirling hat ein Patent für den Stirling-Motor im Jahr 1816. Seine Patentanmeldung trug den Titel: Verbesserungen zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und insbesondere ein Motor, der nach einem völlig neuen Prinzip auf die Bewegung von Maschinen angewendet werden kann.
Stirlings Patentanmeldung erläuterte den Aufbau und die Verwendung eines Regenerators den er als „Economiser“ bezeichnete. Das Patent beinhaltete auch die allererste Beschreibung eines geschlossenen Heißluftmotors. Darüber hinaus beschrieb Stirling, wie sein Motordesign das könntefür Anwendungen wie den Antrieb von Eisenschmelzen und Glasöfen verwendet werden.
Für seine bemerkenswerte Erfindung wird Robert Stirling als Vater des Stirling-Motors bezeichnet.
Im Jahr 1827 wurde ein zweites Patent für einen Stirling-Motor von Robert Stirling und seinem Bruder James Stirling eingereicht. Dieses Patent schlug ein umgekehrtes Design des ursprünglichen Patents von 1816 vor, das eine Druckluftpumpe enthielt, die den internen Luftdruck erhöhen konntefür höhere Effizienz.
Das dritte Patent, das 1840 eingereicht wurde, führte zur Erfindung des berühmten Dundee-Motors, der später von der Dundee Foundry Company verwendet wurde. In einer Präsentation zum dritten Patent im Jahr 1845 an der Institution of Civil Engineers betonte James Stirling diesdie Stirling-Motorentechnik sollte nicht nur Kraftstoff sparen, sondern auch als sicherere Alternative zur Dampfmaschine dienen.Er erinnerte die anwesenden Ingenieure daran, dass die Kessel in Dampfmaschinen oft explodieren und zahlreiche Tote und Verletzte verursachen und diese verhindert werden könntendurch die Verwendung von Stirling-Motoren stattdessen.
Die Behauptungen von James Stirling konnten jedoch die häufigen Ausfälle des Motors bei höheren Temperaturen nicht ausgleichen. Sogar die Dundee Foundry Company ersetzte später ihre Stirling-Motoren durch Dampfmaschinen, nachdem sie in den folgenden Jahren wiederholte Zylinderausfälle hatteseine Installation.
Obwohl Stirling-Motoren bis 1922 hergestellt wurden und zum Pumpen von Wasser auf Farmen und zur Stromerzeugung verwendet wurden, waren Versuche, den Stirling-Motor für eine weit verbreitete kommerzielle Nutzung zu entwickeln, weitgehend erfolglos.
Das Konzept des Stirling-Motors geriet für viele Jahre fast in Vergessenheit. Vor allem die Firma Philips zeigte jedoch großes Interesse am Design des Stirling-Motors und lizenzierte von 1938 bis in die 1950er Jahre zahlreiche Patente auf der Grundlage derselben Technologie.
Bis 1952 hatte Philips einen Stromgenerator mit einem Stirling-Motor als Antrieb entwickelt. Obwohl dieser nie in Massenproduktion ging, tDie von Philips durchgeführten Forschungsarbeiten führten später zur Entwicklung von kryogenen Kühlsystemen, die ein Reverse-Stirling-Motorkonzept verwenden.
Wie funktioniert ein Stirling-Motor?
Ein Stirling-Motor erzeugt mechanische Energie aus Wärmeenergie durch die Bewegung von zwei oder mehr Kolben in Zylindern. Eine bestimmte Gasmenge ist im Zylinder vorhanden und die Druckänderung des Gases wird durch verursacht der Stirling-Zyklus ermöglicht einem Stirling-Motor, Arbeit zu verrichten.
Bei einem Zweizylinder-Stirlingmotor wird ein Zylinder durch eine externe Wärmequelle erwärmt und der andere durch eine externe Kühlquelle gekühlt. Die Gaskammern der beiden Zylinder sind verbunden und die Kolben sind mechanisch miteinander verbunden.
Der Stirling-Zyklus besteht aus den folgenden Schritten:
1. Isotherme Expansion
Energie von einer externen Wärmequelle erhöht die Innentemperatur, was den Gasdruck im Zylinder weiter erhöht. Der steigende Gasdruck zwingt den Kolben, sich nach unten zu bewegen und Arbeit zu liefern.
2. Isochore Wärmeabfuhr
Der Kolben drückt das erhitzte Gas in den zweiten Zylinder oder Regenerator, wo das Gas gekühlt wird, und senkt seinen Druck, so dass es leicht weiter komprimiert werden kann. Die in diesem Schritt vom Regenerator aufgenommene Wärme wird im letzten Schritt verwendetdes Zyklus.
3. Isotherme Kompression
Das Gas wird in einem Raum komprimiert, der auf einer konstant niedrigen Temperatur gehalten wird, wodurch das Gas leicht isotherm verdichtet werden kann. Während der Verdichtung gibt das Gas Wärme an die Kühlsenke ab.
4. Isochore Wärmezufuhr
Der zweite Kolben bewegt sich nach oben und zwingt das komprimierte Gas in den beheizten Zylinder, wo es sich schnell wieder erwärmt. Der Druck im Zylinder baut sich auf, erfährt eine isotherme Expansion, zwingt den Kolben, sich zu bewegen, und der Stirling-Zyklus wird fortgesetzt.
Das Vorhandensein eines regenerativen Wärmetauschers Regenerator im Stirlingmotor macht ihn viel effizienter als andere frühere Heißluftmotoren, die diese Komponente nicht hatten. Der Wirkungsgrad eines Stirlingmotors ist auch direkt proportional zur Temperaturdifferenz zwischen den betweenWärmequelle Schritt eins und die Kühlquelle Schritt 2.
Warum wird der Stirling-Motor nicht in Autos verwendet?
Es ist wahr, dass ein Stirling-Motor Ihnen das lästige Nachfüllen des Tanks von Zeit zu Zeit ersparen kann, aber mit dieser Motortechnologie sind einige ernsthafte Einschränkungen verbunden, die es den Autoherstellern verbieten, sie zu verwenden.
Stirling-Motoren haben keine explosiven Abgase, wie sie in herkömmlichen Verbrennungsmotoren vorkommen, daher sind sie sehr leise und verursachen keine Lärmbelästigung. Allerdings wird eine externe Wärmequelle benötigt, um den Motor zum Laufen zu bringen, und die benötigte Zeitdurch die Wärme, die von der Quelle zum inneren Zylinder transportiert wird, reagiert der Stirling-Motor weniger reaktionsschnell als Benzinmotoren. Dies macht es auch für tder Motor, um seine Leistung schnell zu ändern.
Jede erneuerbare thermische Energiequelle wie Solar-, Erdwärme- oder Kernenergie kann verwendet werden, um einen Stirlingmotor zu betreiben, was ihn potenziell zu einer umweltfreundlichen Alternative macht. Darüber hinaus erfordert er nicht viel Wartung und isteinen höheren Wirkungsgrad als alle modernen Verbrennungsmotoren bieten.Trotz dieser Vorzüge hindern die höheren Anfangsinvestitionskosten und die geringe spezifische Leistung Automobilunternehmen daran, Stirling-Motoren-Technologie in ihren Autos einzusetzen, denn um auch nur einen geringen Arbeitsaufwand zu erzeugen, sehr groß und schwere Stirling-Motoren sind erforderlich, die in Pkw gar nicht umsetzbar sind.
Allerdings wurden in den späten 1970er Jahren modifizierte Autos auf Stirling-Motorbasis von der NASA als Teil ihrer entwickelt.Automotive Stirling Engine Programm. Die Testprojekte im Rahmen dieses Programms wurden MOD I und MOD II genannt, und die Motoren für diese Testprojekte wurden von Philips und der American Motors Corporation AMC entwickelt.
MOD II lieferte außergewöhnliche Ergebnisse in Form eines supereffizienten Automotors, der einen thermischen Wirkungsgrad von 38,5% erreichte. Im Rahmen des Stirling-Motorenprogramms demonstrierte die NASA die Möglichkeit hocheffizienter Autos auf Stirling-Motorbasis, aber bald war die Finanzierunggekürzt und die Autohersteller verlieren das Interesse an dem Programm, sodass die Projekte nie das Stadium der kommerziellen Produktion erreichen können.
Anwendungen des Stirling-Motors
Ein Stirling-Motor hat das Potenzial, über einen langen Zeitraum mit minimalen schädlichen Emissionen und minimalem Aufwand nahezu unbegrenzt Energie zu liefern. Daher könnten viele groß angelegte Anwendungen, die eine kontinuierliche Leistung erfordern, die Stirling-Motorentechnologie nutzen, um ihren Energiebedarf zu decken.
- Atomkraft
Geschlossene regenerative Motoren scheinen eine vielversprechende Alternative zu den in Kernreaktoren verwendeten Dampfturbinen zu sein. In einem solchen Fall könnte flüssiges Natrium als Kühlmittel verwendet werden und Wasser kann möglicherweise überhaupt nicht benötigt werden, Stirling-Motoren können auch die Leistung erhöhen increaseeines Kernreaktors und Verringerung der Menge an radioaktiven Abfällen, die von diesem erzeugt werden.
Im Mai 2020 enthüllte die NASA, dass Kernreaktoren mit Stirling-Motoren verwendet werden könnten, um den Strombedarf von zu decken.menschliche Kolonien im Weltraum.
- U-Boote
U-Boote mit Stirling-Motoren können länger unter Wasser bleiben und sind leiser als herkömmliche U-Boote. Kocksums Shipyard, ein schwedischer U-Boot-Hersteller, verwendete zum ersten Mal Stirling-Motoren in seinen U-Booten der Gotland-Klasse, die jetzt von der schwedischen Marine eingesetzt werden.
- Solarenergie
Bei Platzierung in der Mitte eines Parabolspiegels erweisen sich Stirling-Motoren als effizienter in Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie, im Vergleich zu Photovoltaikzellen.
Laut einer Studie aus dem Jahr 2016 Papier, das sich auf die Rolle von Stirling-Motoren für die solarthermische Stromerzeugung konzentrierte, kann die Heißluftmotortechnologie eine Schlüsselrolle bei der Minimierung des CO2-Fußabdrucks des Menschen spielen, indem erneuerbarer Strom aus Sonnenstrahlung erzeugt wird.
- Blockheizkraftwerk BHKW
Die Abwärme von Blockheizkraftwerken, auch Blockheizkraftwerke genannt, kann mit Hilfe der Stirling-Motorentechnologie für landwirtschaftliche und industrielle Zwecke genutzt werden.
Die britische Inspirit Energy brachte 2016 das Inspirit-Ladegerät auf den Markt, ein gasbefeuertes BHKW. Dieses auf einem Stirlingmotor basierende Gerät könnte 3 kW elektrische Energie und 15 kW thermische Energie erzeugen.
- Stirlingmotor für Weltraummissionen
Im März 2020 hat der Stirling-Stromrichter im Stirling-Forschungslabor des Glenn Research Center der NASA 14 Jahre ununterbrochenen und wartungsfreien Betrieb abgeschlossen. Diese bahnbrechende Technologie ist Teil von NASAs Dynamic Radioisotope Power Systems RPS von dem die Agentur hofft, dass sie den überschüssigen Energiebedarf ihrer langfristigen Weltraummissionen in Zukunft decken kann.
Der Stirling-Motor ist eine 200 Jahre alte Technologie, aber ihr maximales Potenzial muss noch ausgeschöpft werden. Es besteht eine starke Möglichkeit, dass die laufenden Experimente und kommenden Versionen des Stirling-Motors uns in eine bessere Zukunft führen können, nachhaltige und effiziente Energielösungen.