200 Jahre STIRLINGMOTOR

In den frühen Jahren des 19. Jahrhunderts wurden Dampfmaschinen in einer Vielzahl praktischer Anwendungen eingesetzt. Sie waren jedoch in vielerlei Hinsicht immer noch unvollkommen. Ein besonderes Problem waren die Kessel, die zum Explodieren neigten und Verletzungen und Todesfälle verursachten. Reverend Dr. Robert Stirling, ein schottischer Geistlicher, war besorgt über die Zahl der Todesopfer durch explodierende Kessel. Basierend auf früheren Arbeiten von George Cayley (bekannt für seine Pionierarbeit in der Luftfahrt) reichte Stirling 1816 sein Patent für einen sichereren Motor ein. Der Stirling-Motor hat den höchsten theoretischen Wirkungsgrad aller Wärmekraftmaschinen. Es ist auch eine relativ einfache Maschine. Im Gegensatz zu anderen Motortypen gibt es keine Ventile, was die mechanische Konstruktion viel einfacher macht.

Prinzipien eines Stirlingmotors

Bei einem Stirlingmotor gibt es, wie bei jeder anderen Wärmekraftmaschine, zwei Zonen mit unterschiedlicher Temperatur,  und das Arbeitsfluid wird zwischen ihnen bewegt, um Arbeit zu extrahieren. In der Animation rechts ist die Kaltzone blau und enthält den Kraftkolben. Die heiße Zone ist rot und enthält einen weiteren Kolben, den Verdränger. Der heißen Zone wird Wärme zugeführt und das Gas dehnt sich aus, wodurch der Arbeitskolben gedrückt wird, um Arbeit zu erzeugen. Wenn der Arbeitskolben das Ende seines Hubs erreicht, bewegt sich der Verdränger nach links und bewegt das Gas von der heißen Zone in die kalte Zone. Das Gas wird gekühlt und zieht sich zusammen, und der Arbeitskolben bewegt sich nach links. Dann wiederholt sich der Zyklus.

Es gibt zwei grundlegende Konfigurationen für einen Stirlingmotor, eine ist der Beta-Typ, den wir oben besprochen haben; der andere ist der links gezeigte Alpha-Typ. Das Funktionsprinzip ist das gleiche. Im Alpha-Motor gibt es zwei Kraftkolben, die sich an der gleichen Stelle in der Kurbelwelle verbinden, und das Gas wird zwischen den beiden Zylindern hin- und herbewegt. Eine Schlüsselkomponente und Grundlage des Patents von 1816 ist der Regenerator, im Grunde ein Wärmetauscher, der zwischen den heißen und kalten Zonen platziert wird. Der Regenerator speichert Wärme, die andernfalls an die Umgebung verloren gehen würde, wodurch der thermische Wirkungsgrad erhöht wird. Es gibt viele Variationen im Design, die den Stirling-Zyklus verwenden, wie zum Beispiel:

• das rotierender Verdränger Typ,
• das niedrige Temperaturdifferenz oder LTD,
• das Flüssigkeit Motor,
• das thermoakustisch Motor,
• das Marmor Motor,
• mehrere Kolben Motoren.

Warten, bis die Materialwissenschaften aufholen

Stirling verfeinerte das Design mit Hilfe seines Bruders James (einem Ingenieur) weiter. Ihre Motoren wurden als Alternative zur Dampfmaschine produziert und verkauft. Um jedoch maximale Leistung und Effizienz zu erreichen, muss der Stirlingmotor bei hohen Temperaturen betrieben werden. Die in diesen frühen Jahren verfügbaren Materialien waren einfach nicht für die Aufgabe geeignet, was zu häufigen Ausfällen führte. Gleichzeitig entwickelte sich die Dampfmaschine weiter und wurde sicherer.

Stirlings waren auch erheblich größer als eine Dampfmaschine gleicher Leistung. Aus diesem Grund traten sie gegenüber anderen Konkurrenten, hauptsächlich Dampf und dem neuen Verbrennungsmotor, in den Hintergrund. Stirlingmotoren waren auf Anwendungen mit geringer Leistung beschränkt, wie z. B. Ventilatoren, Wasserpumpen und die Bereitstellung von Luft für Kirchenorgeln. Aber schließlich wurde auch in diesen Anwendungen die Technologie durch den Elektromotor ersetzt. Die Entwicklung von Stahl löste viele Motorschäden, aber es war zu spät. 1876 ​​schrieb Stirling:

…Diese Unvollkommenheiten wurden im Laufe der Zeit weitgehend beseitigt und
besonders durch das Genie des ausgezeichneten Bessemer. Wenn Bessemer-Eisen oder -Stahl vor fünfunddreißig oder vierzig Jahren bekannt gewesen wäre, hätte kaum ein Zweifel daran bestanden, dass der Luftmotor ein großer Erfolg gewesen wäre … Es bleibt einem erfahrenen und ehrgeizigen Mechaniker in einem zukünftigen Zeitalter vorbehalten, ihn unter günstigen Umständen und mit zu wiederholen voller Erfolg….

Stirling-Generator und Kryokühler

Die Weiterentwicklung des Motors wurde dank des Phillips Research Laboratory in Eindhoven bis Mitte der 1930er Jahre gestoppt. Um den Verkauf seiner Röhrenradios anzukurbeln, wollte Phillips einen kleinen, leisen und thermisch betriebenen Stromgenerator für abgelegene Gebiete. 1951 gelang es ihnen, einen Stirling-Generator zu entwickeln, der 200 Watt elektrische Leistung erzeugen konnte, aber der Preis war nicht konkurrenzfähig.

Zu dieser Zeit feierten Transistorradios ihr Debüt. Bei minimalem Energiebedarf konnten sie mit Batterien betrieben werden, und der Stirling-Generator wurde nicht mehr benötigt. Die Forschungen von Phillips brachten jedoch eine Fülle neuer Erkenntnisse für die Weiterentwicklung des Stirlingmotors hervor. Tatsächlich entwickelten sie sich parallel a Kryokühler, der als einzige kommerziell erfolgreiche Anwendung von Stirlingmotoren gilt. Der umgekehrt arbeitende Motor erzeugt einen Temperaturunterschied, wenn mechanische Arbeit auf die Welle ausgeübt wird. Es können Temperaturen von bis zu -200 ° C erreicht werden, die ausreichen, um Luft zu verflüssigen.

Stirling in der Automobilindustrie

Es gab Bemühungen, eine Automobilversion des Stirlingmotors zu entwickeln. 1986 produzierte das MOD II-Projekt einen Motor mit einem thermischen Wirkungsgrad von 38,5 % (moderne Automotoren liegen im Bereich von 20–25 %). Der Motor wurde in einem Chevrolet Celebrity getestet Stufenheck, und der städtische Benzinverbrauch wurde von 26 auf 33 mpg erhöht. Ein Nachteil war, dass die Startzeit bei etwa 30 Sekunden lag. Ford entwickelte jedoch eine Version mit internen Heizungen, die den Motor in wenigen Sekunden starten konnten. Mangelndes Interesse der Autohersteller und Kürzungen bei der Forschungsförderung verhinderten die Weiterentwicklung eines automobilen Stirlings.

Seine Nische finden

Neben dem Kryokühler wird der Stirlingmotor in einigen anderen Nischenanwendungen eingesetzt. Der Freikolben-Stirlingmotor (FPSE) verwendet ein magnetisches Wechselfeld, um den Kolben anzutreiben und eine Temperaturdifferenz zu erzeugen. Dank des Magnetantriebs sind keine Dichtungen oder Dichtungen erforderlich, und das Gerät kann vollständig abgedichtet werden. Aufgrund seiner hohen Zuverlässigkeit wird es von der NASA zur Kühlung von Instrumenten in Satelliten verwendet.

Zu den möglichen zukünftigen Anwendungen gehören Entsalzungseinheiten, wie z Schleuder, erfunden von Dean Kamen, das verwendet Wasserdampfdestillation Wasser zu reinigen. Es kann jede Form von Kraftstoff verwenden, um seinen Stirlingmotor anzutreiben. In der Solarenergie werden Stirlingmotoren getestet, indem man sie in den Fokus von Parabolspiegeln stellt und antreibt  elektrische Generatoren. Bei diesem Aufbau ist der Wirkungsgrad besser als bei nicht konzentrierter Photovoltaik.

Sie wurden auch vorgeschlagen, um Dampfturbinen in Kernkraftwerken zu ersetzen, wodurch die Notwendigkeit für Wasser im System entfällt. Eine weitere nukleare Anwendung ist ein Stirlingmotor das Kernbrennstoff verwendet als Wärmequelle, die jahrelang Energie für die Weltraumforschung liefert.

In den letzten Jahren hat eine interessante Idee für den Hausgebrauch an Fahrt gewonnen: Mikro-Kraft-Wärme-Kopplung, eine Technologie, die Wärme und Strom aus derselben Energiequelle in einzelnen Haushalten erzeugt. Es handelt sich um einen motorbetriebenen Generator, der mit fossilen Brennstoffen betrieben wird und an das Stromnetz angeschlossen ist. Der Generator erzeugt Strom und die Abwärme wird an einen Wärmetauscher geleitet, der Warmwasser bereitstellt.

Wenn Sie mit Stirlingmotoren experimentieren möchten, haben wir gute Nachrichten für Sie, denn es ist einer der einfachste Motoren die du bauen kannst. Nach 200 Jahren Geschichte ist nicht klar, ob der Stirling jemals eine wichtige Rolle in der Motorenwelt einnehmen wird oder ob er in Nischenanwendungen bleiben wird. Wir hoffen natürlich auf Ersteres.

Sehen Sie mehr über das Stirling-Motormodell : https://www.stirlingkit.com/