Zusammenfassend

Wie eine Dampfmaschine oder ein Verbrennungsmotor Automotor, ein Stirlingmotor umwandelt Wärmeenergie in mechanische Energie (Arbeit) umzuwandeln, indem eine Reihe grundlegender Operationen wiederholt werden, die als ihr Zyklus bekannt sind. Betrachten wir einen vereinfachten Stirlingmotor vom Verdrängertyp. Es ist eigentlich ziemlich verwirrend und schwer zu verstehen, bis Sie erkennen, dass sich das Gas im Inneren abwechselnd ausdehnt und zusammenzieht und sich zwischendurch von der heißen Seite des Zylinders zur kühlen Seite und wieder zurück bewegt. Die Aufgabe des dunkelblauen Arbeitskolbens besteht darin, Energie aus der Expansion des Gases zu nutzen, um die Maschine anzutreiben, die der Motor antreibt, und dann das Gas zu komprimieren, damit sich der Zyklus wiederholen kann. Die Aufgabe des grünen Verdrängerkolbens besteht darin, das Gas von der heißen Seite des Zylinders (links) zur kalten Seite (rechts) und zurück zu transportieren. Als Team sorgen die beiden Kolben dafür, dass immer wieder Wärmeenergie von der Quelle zur Senke transportiert und in nutzbare mechanische Arbeit umgewandelt wird.

Im Detail

1. Kühlung und Kompression : Das meiste Gas (dargestellt durch die blauen Quadrate) befindet sich rechts am kühleren Ende des Zylinders. Wenn es abkühlt und sich zusammenzieht und einen Teil seiner Wärme abgibt, die vom Kühlkörper abgeführt wird, bewegen sich beide Kolben nach innen (in Richtung Mitte).
2. Übertragung und Regeneration : Der Verdrängerkolben bewegt sich nach rechts und das gekühlte Gas bewegt sich um ihn herum zum heißeren Teil des Zylinders auf der linken Seite. Das Volumen des Gases bleibt konstant, wenn es durch den Regenerator (Wärmetauscher) zurückströmt, um einen Teil der zuvor abgegebenen Wärme aufzunehmen.
3. Erwärmung und Expansion : Das meiste Gas (dargestellt durch die roten Quadrate) befindet sich jetzt links im heißen Ende des Zylinders. Es wird durch das Feuer (oder eine andere Wärmequelle) erhitzt, sodass sein Druck steigt und es sich ausdehnt und dabei Energie absorbiert. Wenn sich das Gas ausdehnt, drückt es den Arbeitskolben nach rechts, der das Schwungrad und alles, was der Motor antreibt, antreibt. In diesem Teil des Zyklus wandelt der Motor Wärmeenergie in mechanische Energie um (und arbeitet).
4. Übertragung und Kühlung : Der Verdrängerkolben bewegt sich nach links und das heiße Gas bewegt sich um ihn herum zum kühleren Teil des Zylinders auf der rechten Seite. Beim Durchgang durch den Regenerator (Wärmetauscher) bleibt das Volumen des Gases konstant und gibt dabei einen Teil seiner Energie ab. Der Zyklus ist nun abgeschlossen und bereit, sich zu wiederholen.

Obwohl der Motor einen Zyklus durchläuft und wieder dort ankommt, wo er gestartet wurde, ist dies kein symmetrischer Prozess: Energie wird ständig von der Quelle entfernt und an der Senke abgelagert. Das passiert, weil das heiße Gas beim Ausdehnen eine gewisse Arbeit am Arbeitskolben verrichtet, der Kolben aber weniger Arbeit verrichtet, um das gekühlte Gas zu komprimieren und wieder an den Start zu bringen.

In der Theorie

Jetzt denken Sie vielleicht: „Das ist alles sehr aufwendig! Warum mit zwei Kolben rumfummeln, wenn eine einfache Dampfmaschine auch mit nur einem auskommt? Warum all diese einzelnen Stufen? Warum das Ganze nicht einfacher machen?“ Um diese Fragen richtig zu beantworten, müssen Sie die Theorie der Motoren verstehen: dass ein effizienter Motor ein Gas durch einen Zyklus von Prozessen bewegt, gemäß der Gasgesetze (die Grundgesetze der klassischen Physik, die beschreiben, wie Druck, Volumen und Temperatur eines Gases zusammenhängen). Der bekannteste, idealisierte Zyklus heißt der Carnot-Zyklus und beinhaltet das Wiederholen eines Zyklus aus isothermer (konstante Temperatur) und adiabatischer (wärmekonservierter) Expansion, gefolgt von isothermer und adiabatischer Kompression.

Ein Stirlingmotor verwendet einen anderen Zyklus, der (idealerweise) besteht aus:

1. Isotherme (konstante Temperatur) Kompression: Unsere Stufe (1) oben, wo das Volumen des Gases abnimmt und der Druck zunimmt, wenn es Wärme an die Senke abgibt.
2. Isovolumetrische Erwärmung (konstantes Volumen): Unsere Stufe (2) oben, in der das Volumen des Gases konstant bleibt, wenn es durch den Regenerator zurückströmt und einen Teil seiner vorherigen Wärme wiedererlangt.
3. Isotherme Expansion (konstante Temperatur): Unsere Stufe (3) oben, in der das Gas Energie aus der Quelle aufnimmt, sein Volumen zunimmt und sein Druck abnimmt, während die Temperatur konstant bleibt.
4. Isovolumetrische (konstantes Volumen) Kühlung: Unsere Stufe (4) oben, in der das Volumen des Gases konstant bleibt, während es durch den Regenerator strömt und abkühlt.

Ein echter Stirlingmotor arbeitet durch eine komplexere, weniger ideale Version dieses Zyklus, die den Rahmen dieses Artikels sprengen würde. Es genügt lediglich festzuhalten, dass die vier Stufen nicht strikt voneinander getrennt sind, sondern ineinander übergehen. Wenn Sie interessiert sind, gibt es viel mehr darüber in Wikipedias Artikel über die Stirling-Zyklus.

Stirling-Motor-Kit