Stirling-Motor (Heißluft-Motor)

Der Heißluft-Motor ist eine periodisch arbeitende Wärmekraftmaschine, die Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt. Es gibt verschiedene Typen von Stirlingmotoren. Im Bild unten sehen Sie den b - Typ Stirlingmotor. Er besteht aus einem Zylinder, in dem sich ein Arbeitskolben und ein Verdrängungskolben mit einer Phasenverschiebung von 90° bewegen.
Im oberen Teil des Zylinders wird das Arbeitsgas Luft erhitzt, im unteren abgekühlt.
Der Verdrängungskolben hat die Aufgabe, die eingeschlossene Luft vom oberen in den unteren bzw. vom unteren in den oberen Teil des Zylindes zu verschieben. Das geschieht hier durch ein Loch im Verdrängerkolben. Dieses Loch ist mit Kupferwolle ausgefüllt. Beim "Luftverdrängen" strömt die Luft durch das Loch mit der Kupferwolle, die dabei Wärmeenergie von der Luft aufnehmen oder später wieder an sie abgeben kann. Wegen dieser Eigenschaft wird die Kupferwolle Regenerator genannt.

Bei einem idealen Stirlingprozeß gibt es 4 nacheinander ablaufende Zustandsänderungen:

Danach beginnt der Kreislauf wieder von vorn.
 
1.Takt :
Expansionsphase: Im oberen Teil des Zylinders wird die Luft erhitzt, der dabei entstehende Druck bewegt den Arbeitskolben nach unten.

2.Takt :
Der um eine Viertelperiode vorauseilende Verdrängungskolben bewegt sich nach oben, die Luft strömt durch die Kupferwolle des Regenerators in den unteren Teil des Zylinders, gibt dabei ihre Wärmeenergie an die Kupferwolle ab, sie kühlt sich dadurch ab.

3.Takt :
Kompressionsphase: Der Arbeitskolben bewegt sich nach oben und komprimiert dabei die Luft. Die bei der Kompression entstehende Wärme wird sofort an den Kühlmantel abgegeben.

4.Takt :
Der Verdrängungskolben drückt die Luft in den oberen Zylinderteil, wobei sie von der Kupferwolle im Regenerator Wärmeenergie aufnimmt.

Obige 4 nacheinander ablaufenden Takte betreffen den idealen Stirlingprozeß.
Leider kann ein idealer Stirlingprozeß nicht realisiert werden, da man keine kontinuierlich laufende Maschine konstruieren kann, in der isochore Zustandsänderungen ablaufen können. Mit dem im Bild gezeigten Motor mit einem kontinuierlich laufendem Kurbeltrieb kann man den idealen Prozeß annähern durch den Phasenversatz bei der Bewegung des Arbeitskolbens und des Verdrängers. Dabei überlappen sich jedoch die 4 Takte: So findet bei der Expansion auch gleichzeitig schon ein Gaswechsel von heiß nach kalt statt, und während der Kompression ist noch nicht alle Luft im kalten Teil des Motors.
Der reale Stirlingprozeß wird durch die oval aussehende Kurve im P-V Diagramm repräsentiert.


Bemerkungen :
Der Motor funktioniert nur bei ausreichender Temperaturdifferenz zwischen heißer und kalter Seite.
Die entstehende mechanische Energie ist gleich der Differenz zwischen zugeführter Wärmeenergie und der an den Kühlmantel abgegebenen Energie. Des weiteren sind natürlich auch die Reibungsverluste der Maschine zu berücksichtigen.
Wer mehr über den Stirling-Motor wissen möchte, findet auf den Seiten von Peter Fette hervorragende und umfassende Informationen.
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