Was man über Stirlingmotoren wissen sollte!
Fragen, die man in Internetforen findet, und die auch in Modellbauerkreisen immer wieder gestellt werden zeigen, dass noch lange nicht jeder, der Stiringmotoren baut, auch die physikalischen und technischen Zusammenhänge richtig versteht.
Nachfolgend sind die grundlegenden Begriffe in einfachen Worten beschrieben.
Was bedeutet Hubvolumen (Hubraum, Arbeitsvolumen)?
Das Hubvolumen oder Arbeitsvolumen (auch Hubraum) ist das Volumen, das sich aus der Querschnittsfläche des Arbeitskolbens und aus seinem Hub ergibt.
Was ist das Verdrängervolumen?
Das Verdrängervolumen ist das Volumen, das durch den Verdränger von der kalten auf die heisse Seite bewegt wird (verdrängt wird). Das Hubvolumen und das Verdrängervolumen müssen in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen. Je niedriger die angestrebte Temperaturdifferenz, desto größer muss das Verdrängervolumen werden.
Was versteht man unter Verdichtung (Verdichtungsverhältnis)?
Die Verdichtung ist das Verhältnis von V1 (das Ausgangsvolumen, wenn der Arbeitskolben in UT steht) zu V2 (das Volumen, wenn der Arbeitskolben in OT steht). Alle Wärmekraftmaschinen, mit innerer oder äußerer Wärmezufuhr, arbeiten zur Steigerung der Leistung mit einer Verdichtung (Ausnahme: der Mansonmotor!).Je höher die angestrebte Leistungdichte (spezifische Leistung), desto größer muss das Verdichtungsverhältnis gewählt werden.
Was bedeutet Totvolumen (schädliches Volumen)?
Das Totvolumen setzt sich aus allen Volumenanteilen zusammen, die nicht direkt am Gaswechsel beteiligt sind. Also das Volumen sämtlicher Verbindungskanäle, Verbindungsleitungen und sonstiger Toträume. Man bezeichnet es auch als schädliches Volumen, weil es einerseits die Verdichtung und somit die Leistung verringert und nicht unmittelbar am Gaswechsel beteiligt ist.
Wo entstehen Verluste (Wärme, Reibung)?
Bei jeder Wärmekraftmaschine entstehen Verluste durch Verlustwärme und mechanische Reibung. Insbesondere beim Strilingmotor gilt es, die gesamte zugeführte Wärme in mechanische Arbeit umzuwandeln. Die Anteile der Wärme, die durch Wärmestrahlung oder Konvektion und Kühlwärme verloren gehen, bezeichnet man als Verlustwärme. Reibungsverluste entstehen durch Reibung an allen Gelenken, Lagern, Führungsbuchsen und Zylinderlaufbuchsen. Um diese Verluste zu verringern, ist der Ringbom-Stirlingmotor entstanden, der ohne mechanischen Antrieb des Verdrängerkolbens arbeitet.
Was bedeutet Wirkungsgrad?
Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen zugeführter Energie (beim Stirlingmotor Wärmeenergie) und abgeführter Energie (beim Stirlingmotor mechanische Arbeit). Optimal ausgelegte Stirlingmotoren können einen Wirkungsgrad von 40% erreichen. Das hört sich gut an, bedeutet jedoch auch Verluste von 60% der zugeführten Energie.
Wie funktioniert die Heizung und Kühlung beim Stirlingmotor?
Wie die Kühlung beim Strilingmotor funktioniert wissen wir alle recht gut. Wärmeenergie wird immer vom hohen Temperaturniveau auf das niedrige Temperaturniveau übertragen. Die Wärmemenge, die übertragen werden kann, ist außerdem abhängig von der Übertragungsfläche. Gute Kühlung beutet also große Übertragungsfläche und möglichst große Temperaturdifferenz.
Die gleichen physikalischen Gesetze, die bei der Kühlung gelten, gelten natürlich auch bei der Heizung. Es ist aber immer wieder erstaunlich zu sehen, dass der Heizzylinder in der Regel nur aus einem glatten Rohr besteht. Dadurch wird, wie wir soeben festgestellt haben, die Menge der übertragbaren Energie begrenzt. Ein optimaler Heizzylinder hat also eine möglichst große Oberfläche, sowohl aussen als auch innen!
Was versteht man unter Aufladung?
Die meisten Strilingmotoren, insbesondere die Modellmotoren, arbeiten mit atmosphärischem Druck. Das heisst, der Innendruck im ruhenden Motor entspricht dem Umgebungsdruck. Wenn der Motor läuft, entsteht, wie bekannt, ein höherer Innendruck, der mit jedem Arbeitsspiel zwischen dem Ausgangsdruck und einem erhöhten Druck wechselt. Zur Berechnung der Leistung (siehe unten) wird der mittlere Druck herangezogen. Je größer also dieser mittlere Druck ist, desto größer die verfügbare Leistung des Motors. Daher werden Motoren mit einem höheren Druck vorgeladen (100 bar und mehr).
Was ist ein Regenerator?
Der Strilingmotor "lebt" von der Temperaturdifferenz zwischen der kalten und der heissen Seite. Wie bekannt, muss das Arbeitsgas bei jedem Arbeitsspiel abgekühlt und wieder aufgeheizt werden. Die Kühlwärme ist natürlich Verlustwärme. Um diese Verlustwärme zu verringern, kam bereits Reverent Robert Stirling auf die Idee, einen Wärmespeicher zwischen der heissen und der kalten Seite des Motors einzubauen. Diesen Speicher nennt man Regenerator, weil er in der Lage ist, Wärme aufzunehmen und wieder anzugeben.
Wie wird die Leitung eines Strilingmotors berechnet?
Die Leistung des Stirlingmotors berechnet sich aus dem Produkt, also der Multiplikation, des Drehmoments mit der Winkelgeschwindigkeit (Drehzahl).
Daraus ist leicht zu erkennen, dass die Leistung auch über die Drehzahl gesteigert werden kann.
Wie funktioniert eine Leistungsmessung am Stirlingmotor?
Wenn eine Leistungsberechnung durch Multiplikation des Drehmoments mit der Winkelgeschwindigkeit erfolgt, müssen diese beiden Größen gemessen werden. Dazu wird z.B. eine Reibbremse verwendet, die sich gegen eine Waage oder Federwaage abstützt. Aus Stützkraft und Hebelarm kann man das Drehmoment berechnen. Wenn gleichzeitig dann noch die Drehzahl gemessen wird, lässt sich die Leistung direkt drehzahlabhängig ermitteln. Funktioniert auch bei Modellmotoren!
Eine andere Möglichkeit der Leistungsmessung ist das Indikatordiagramm, das der aufgezeichnete Druckverlauf über dem Kolbenweg, was bei einem reversiblen Kreisprozess (so nennt man das in der Fachsprache) eine geschlossene Kurve ergibt. Die Integration des Flächeninhalts dieser Kurve ist die spezifische Leistung.
So, jetzt aber genug der Fachbegriffe! Ich hoffe, dass damit einige Fragen, zumindest ansatzweise, beantwortet worden sind.