W-Seminararbeit (Maturaarbeit) Physik Der Stirlingmotor, der Motor

Wilhelm-Hausenstein-Gymnasium
Gymnase Auguste Piccard (Schweiz)
W-Seminararbeit (Maturaarbeit) Physik
Abiturjahrgang 2014/2016
Der Stirlingmotor,
der Motor der Zukunft?
Rahmenthema:
„Meilensteine der Natur und Technik“
Verfasst von:
Julie Vienne
Abgabetermin:
13.07.2015
Lehrkraft:
Christoph Brückl
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Wahl des Themas und Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Darstellung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1
1
2 Geschichte und Zukunft des Stirlingmotors
2.1 Erfindung des Stirlingmotors . . . . . . . . . . .
2.2 Entwicklung seit dem 20. Jahrhundert . . . . . .
2.3 Nutzen damals und heute . . . . . . . . . . . . .
2.4 Konkurrenzfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1 Seine Vor- und Nachteile . . . . . . . . . .
2.4.2 Zukünftige Einsätze des Motors im Alltag
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2
2
3
4
6
6
7
3 Die
3.1
3.2
3.3
3.4
Funktionsweise des Motors
Wärmekraftmaschine und einfacher
Der Wirkungsgrad . . . . . . . . .
Der Regenerator . . . . . . . . . .
Verschiedene Konfigurationen . . .
3.4.1 Reversible Prozesse . . . . .
3.4.2 Gamma-Typ . . . . . . . .
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20
20
23
5 Fazit
5.1 Die Physik des Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Die Zukunft des Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3 Allgemeines Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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24
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6 Literaturverzeichnis
6.1 Literatur . . . . .
6.2 Internet . . . . .
6.3 Blog/Video . . .
6.4 Abbildungen . .
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27
27
7 Anhang
7.1 Liste des Materials zum Selbstbau eines Stirlingmotors . . . . . . . . . . . . . .
7.2 Baupläne des Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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8 Selbstständigkeitserklärung
30
Kreisprozess: Prinzip
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des Motors
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4 Eigenbau eines Stirlingmotors
4.1 Wahl des Motorenmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Verlauf der Bautätigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Planabschnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Probleme und Schwierigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Endergebnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4 Vergleich mit einem einfachen Bausatz . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1 Wirkungsgrad und Effizienz verschiedener Energiequellen
4.4.2 Schlussfolgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
und
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Quellen
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1
Einleitung
Die Aufgabe dieser W-Seminararbeit ist es, einen bedeutenden Meilenstein aus der Physikwelt
auszusuchen und vorzustellen, indem man sich dazu noch intensiv durch Experimente mit dem
Thema beschäftigt.
1.1
Wahl des Themas und Motivation
Bei der Recherche eines Meilensteins hat sich das Interesse sehr schnell auf ein bestimmtes
Thema konzentriert: auf den Stirlingmotor. Seit Jahren interessiert sich die heutige Gesellschaft
für die Umwelt und die Schäden der anthropogenen Eingriffe in diese. Bei der Untersuchung
des Motors fiel mir auf, dass er ein Motor der Zukunft werden könnte, da er die erneuerbaren
Energiequellen effizient verwenden kann, wodurch er eine umweltfreundliche Alternative zu
Motoren, die Schadstoffe freisetzen, darstellen kann.
Zwar existiert der Stirlingmotor seit zweihundert Jahren und hat schon damals unumstritten
einen Einfluss auf die Industrieproduktion gehabt, ist aber heutzutage nicht mehr wirklich
bekannt. Er wurde im Laufe der Zeit von Dampfmaschinen, Otto-Motoren oder Elektro-Motoren
aus vielen verschiedenen Gründen ersetzt, die ich in dieser Arbeit vorstellen werde. In der
heutigen Zeit wird dieser Motor auch nicht sehr oft in der Industrie oder im Haushalt verwendet,
obwohl bewiesen wurde, dass sein Wirkungsgrad sehr hoch ist und er zusätzlich noch mit
alternativen Energiequellen als Antrieb funktioniert.
Das Ziel dieser Arbeit ist es also, die Geschichte des Motors und seine Funktionsweise zu erklären und herauszufinden, ob er wieder an Bedeutung gewinnen könnte. Als Fazit möchte ich
die im Titel aufgeworfene Frage beantworten, da ich mich selbst für ökologische Lösungen zu
umweltschädlichen Anlagen interessiere.
1.2
Darstellung der Arbeit
Der Stirlingmotor gehört zu der Kategorie der Wärmekraftmaschinen, wobei seine Funktionsweise leicht nachvollziehbar ist. Um aber die Komplexität seiner zukünftigen Rolle jedoch diskutieren zu können, braucht man zunächst eine feste Grundlage über seine Vielschichtigkeit,
bevor man versucht, ihn selbstzubauen.
In diesem Sinne wird sich der erste Teil der Arbeit der Geschichte des Stirlingmotors widmen
und es wird einerseits seine bisherige Entwicklung erläutert, aber auch andererseits versucht
darzustellen, inwieweit der Motor eine Wende in der Industrie und Physik einleiten könnte, indem seine Fähigkeit wieder auf dem Markt konkurrenzfähig zu sein, vorgestellt wird. Auch seine
Prinzipien und einige Formeln werden erläutert, die beim Selbstbau verwendet werden.
Letztendlich wird ein Sitrlingmotor gebaut werden, da der Selbstbau einen guten Abschluss der
Arbeit anbietet. Man kann überprüfen, ob die physikalischen Prinzipien so verstanden wurden,
dass man sie richtig in die Praxis umsetzen kann, indem man seine Effizienz (Umdrehungen pro
Minute) und seinen Wirkungsgrad misst und berechnet. Außerdem wird man über die Zukunft
des Motors spekulieren können, da man einen Blick auf seine wirtschaftlichen Eigenschaften und
seine Schwach- bzw. Schwerpunkte (Preis der Einzelteile, Schwierigkeit des Baus und Effizienz
des Motors) wirft.
1
2
Geschichte und Zukunft des Stirlingmotors
Zunächst wird erläutert, warum der Stirlingmotor nur bei qualifizierten Ingenieuren und Physikern bekannt ist, und kein breit entwickelter Motor ist. Es wird aber auch diskutiert, inwiefern
seine Bekanntheit sich verändern könnte, da die Gesellschaft so eine Maschine mit ihren vielen
Facetten dringend für die Energie der Zukunft brauchen würde.
2.1
Erfindung des Stirlingmotors
Robert Stirling, geboren am 25. Oktober 1790
und gestorben am 6. Juni 1878, war ein schottischer Priester und Erfinder. Stirling studierte zuerst in Edinburgh, wo er sich u. a. für Mathematik
und Logik interessierte und sich im Ingenieurswesen weiterbildete, bevor er sich entschied, Kirchenmann zu werden. Nach drei Jahren in Glasgow, wo er Theologie studierte, wurde er von der
Schottischen Kirche zum Priester geweiht.1
Abbildung 1: Pastor Robert Stirling
In dieser Epoche, also am Anfang des 19. Jahrhunderts, waren die Dampfmaschinen, die v. a. in
Fabriken verwendet wurden, sehr gefährlich. Diese funktionierten nur mit Hochdruck, was oft zu
Kesselexplosionen und damit zu vielen Unfällen
und Toten führte.2 Deswegen erfand der damals
26-jährige schottische Geistliche Robert Stirling
eine Maschine, die ohne hohen Druck und dank
einer äußeren Verbrennung laufen kann, was das
Explosionsrisiko deutlich reduziert. Sein Ziel war
es, die Arbeitsbedingungen in Steinbrüchen und
Kohlegruben zu verbessern, in denen oft viele
Kinder arbeiteten.
Am 27. September 1816 ließ er seine Erfindung patentieren: den Stirlingmotor, der Wärmeenergie in Arbeit umsetzen kann. Dieser neu erfundene Motor ist tatsächlich, nach der Dampfmaschine, die zweiälteste Wärmekraftmaschine der Welt, die auch Heißluft-Motor genannt wird.
Die erste Maschine des neuen Erfinders wurde schon 1818 für den Antrieb einer Wasserpumpe
in Schottland benutzt, die die Aufgabe hatte, einen Steinbruch zu entwässern, bis einige Jahre
später ein heißer Bauteil eines Zylinders durchbrannte.3
Erst mit Hilfe seines Bruders James gelang es, den Stirlingmotor weiterzuverbreiten, da James
dem Motor 1843 eine erste praktische Anwendung in einer Fabrik ermöglichte. Durch diese
„Industrialisierung“ des Motors wurde er am Ende des 19. Jahrhunderts sogar in der Mittelund Oberschicht für den Antrieb von Tisch-Ventilatoren, kleinen Zimmerspringbrunnen, Wasserpumpen und auch Nähmaschinen benutzt.
1
Vgl. http://www.robertstirlingengine.com/history.php - abgerufen am 20.12.14
Vgl. Experimente mit dem Stirlingmotor, Ulrich E. Stempel, 2010 - S.11
3
Vgl. Stirling-Maschinen-Technik, Fritz Steimle, Jürgen Lamprichts, Peter Beck
2
2
Am Anfang des 20. Jahrhunderts wurden ca. 250 000 Stirlingmotoren auf der ganzen Welt
sowohl in Handwerksbetrieben als auch in Privathaushalten verwendet.4
Allerdings wird der Motor sehr gerne von (Hobby-)Physikern untersucht, die seine Funktion
erst später, mit dem Beginn der Thermodynamik, verstehen bzw. beschreiben konnten. Die
Erklärung des Prinzips des Motors gelang Sadi Carnot (1796-1832) und später Gustav Schmidt
(1826-1883), als dieser den Stirling-Zyklus 1871 mathematisch beschrieb.5
Obwohl der Stirlingmotor eine bedeutende Entwicklung kurz nach seiner Erfindung erlebte,
hat er im Endeffekt immer mehr an Bedeutung in der Industrie zugunsten anderen Motoren
verloren, obwohl er heutzutage für bestimmte Forschungen weiterentwickelt wird.
2.2
Entwicklung seit dem 20. Jahrhundert
Eines der ersten und wichtigsten Ereignisse des Stirlingmotors war der Einsatz eines Regenerators, der dem Motor half, seinen Wirkungsgrad zu erhöhen und dadurch nützlicher in der
Industrie zu sein. Dank diesem konnte Robert Stirling im März 1843 einer Gießerei in Schottland, der „Dundee Foundry Company“ seinen Motor anbieten, der mit seiner hohen Schwellenleistung sehr effizient war. Der Motor konnte eine Drehzahl von 28 Umdrehungen pro Minute
erreichen und der Zylinder maß 0,5 m x 1,22 m. Der mit dieser Maschine erreichte Wirkungsgrad
von 18 % ist ein Rekord im 19 Jahrhundert; im Vergleich dazu war der Wirkungsgrad einer
Dampfmaschine 10 %.6 Außerdem brauchte der Motor mit derselben Leistung wie die letzte
Dampfmaschine (34 kW) nur ein Drittel des Brennstoffs.7
Der Stirlingmotor erlebte aber im Laufe seiner Geschichte nicht nur Erfolge, sondern auch große
Enttäuschungen, indem er die erwartete Leistung nach seinem Einsatz manchmal nicht erreichte.
Ein Beispiel dafür wäre 1853 der Stapellauf eines Dampfschiffs, dessen Turbinen von Stirlingmotoren angetrieben wurden, das aber nur eine Leistung erreichte, die 110 kW niedriger war als
erwartet.8 Diese Ereignisse und Enttäuschungen sind das erste Zeichen, dass dieser Motor sehr
genau und mit teuren Materialien gebaut sein muss, damit er effizient laufen kann, und dadurch
hohe Investitionskosten verursacht, die sich viele Unternehmen nicht leisten können.
1939 interessierten sich Forscher dank des niederländischen Unternehmens Philips wieder für den
Stirlingmotor. Da die Firma kleine, aber leicht transportierbare und leistungsfähige Maschinen
für die Stromversorgung energiefressender Röhrenradios brauchte, erschien dieser Motor als
Generator die geeignetste Lösung.9 Die Ingenieure des Projekts schafften es sogar, einen 200 kg
schweren Stirlingmotor mit einem Wirkungsgrad von 38 % zu bauen.10
Der Motor wurde auch für militärische Projekte verwendet, u. a. für U-Boote, da er idealerweise
ohne Explosion, Vibration und Geräusch läuft. Seit ihren Stapelläufen 1995 sind die Gotland-UBoote der schwedischen Marine die modernsten U-Boote, die nicht mit Nuklearenergie, sondern
4
Vgl. http://ak-stirlingmotor.rhcloud.com/stirling-maschine/die-geschichte-der-stirlingmotoren/ - abgerufen
am 20.12.14
5
Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Gustav_Schmidt_(Ingenieur) - abgerufen am 20.12.14
6
Vgl. http://www.nord-nature.org/publications/bulletin/123/123b1.htm - abgerufen am 02.01.15
7
Vgl. Stirling-Maschinen-Technik, Fritz Steimle, Jürgen Lamprichts, Peter Beck
8
Vgl. http://www.ingenieur.de/Fachbereiche/Antriebstechnik/Stirlingmotor-faehrt-Schattendasein - abgerufen am 02.01.14
9
Vgl. Manuel des moteurs Stirling pour le modéliste, Daniel Lyonnet, 2011 - S. 18
10
Vgl. http://www.energie.ch/themen/haustechnik/stirling/ - abgerufen am 17.01.14
3
mit Stirlingmotoren funktionieren.11 Der Motor braucht keine Luft von außen und läuft durch
die Verbrennung von Diesel und reinem Wasserstoff und erlaubt deswegen den Booten sehr lange
(einige Wochen) unter Wasser zu bleiben.12 Man kann an diesem Beispiel seine Entwicklung
genau verfolgen, da der Motor nicht mehr für den Antrieb von Produktionsmaschinen wie
ursprünglich benutzt wird, sondern auf neuen Gebieten - hier Militär - verwendet wird.
Die NASA ist eine der wichtigsten Institutionen der Welt, wenn es um wissenschaftliche Erfindungen und neue Technologien geht,
und seit einigen Jahren interessiert sie sich
für Stirlingmaschinen. Die Weltraummissionen sind am anspruchsvollsten, weil die Bedingungen, z. B. die Temperaturen, sehr extrem sind und der leere Raum den Satelliten keinen Stoff als Energiequelle für den Antrieb von Geräten zur Verfügung stellt. Allerdings ist der Einsatz einer StirlingmaschiAbbildung 2: Prototyp der NASA mit
ne eine sehr interessante Möglichkeit, da diese
Stirlingmotoren
Motoren vielfältige und nachhaltige Energiequellen verwenden können, die leicht in Satelliten transportierbar sind und keine Explosionen
verursachen. Beispielsweise wird Uran als Energiequelle für eines der neuesten Projekte verwendet, wobei der 23 kg schwere Urankern Flüssigkeit, die im Rohr enthalten ist, erwärmt, was
Stirlingmotoren erlaubt sogar im Vakuum zu laufen.13
Seit seiner Erfindung hat der Stirlingmotor immer viele „Comebacks“ gehabt, was bedeutet, dass
er noch eine erfolgreiche Zukunft haben könnte, v. a. in einer Epoche, die neue umweltfreundliche
Alternativen braucht. In dieser Arbeit werden anschließend noch zukünftige Veränderungen
und Anwendungen betrachtet, die vielleicht eine bessere Übersicht über das Zukunftswesen des
Motors darstellen könnten.
2.3
Nutzen damals und heute
Wie schon erwähnt wurde der Stirlingmotor nach der Industrialisierung als keine physikalische
Revolution betrachtet. Einerseits war er viel sicherer als andere Motoren (Dampfmaschine),
andererseits war es schwer für diesen Motor, sich in den wirtschaftlichen Sektoren durchzusetzen, weil seine Leistung noch nicht richtig befriedigend war. Für die Arbeiter damals gab es
keine Sicherheitsvorkehrungen, weil das Wichtigste in Zeiten der Industrialisierung war, Profit zu machen und nicht gute Arbeitsbedingungen zu gewährleisten. Deswegen stellte er für
die Industrie keine günstige Alternative dar, und obwohl er eine beträchtliche Entwicklung am
Anfang durchlaufen hatte (Wasserpumpen, Tisch-Ventilatoren usw.), wurde er ziemlich schnell
vergessen.
Vielleicht ist dies einer der Gründe, warum der Motor nicht so oft verwendet wird, da er ungeeignet für Autos ist, obwohl sich sogar einige Unternehmen wie die NASA oder die „Ford Motor
11
Vgl. http://saab.com/naval/Submarines-and-Warships/submarines/Kockums-Gotland-Class/ - abgerufen
am 17.01.14
12
Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Gotland-Klasse - abgerufen am 17.01.14
13
Vgl. http://www.nuklearforum.ch/de/aktuell/e-bulletin/nasa-entwickelt-neues-energiesystem - abgerufen
am 18.01.14
4
Company“ für das Thema interessiert haben.14 Tatsächlich hat die Automobilindustrie immer
eine der wichtigsten Rollen in der Wirtschaft gespielt und ist ständig auf der Suche nach einem
neuen und günstigeren Ersatz für aktuell benutzte Motoren. Leider war die Leistungsfähigkeit
des Stirlingmotors in diesem Bereich noch nie ausreichend, da die Arbeit bei diesen HeißluftMotoren nur mit einer schwer veränderbaren, fast konstanten Drehzahl verrichtet wird. Er ist
dadurch nicht im Verkehr benutzbar. Die Anlaufzeit, bis der Motor funktionieren kann, ist auch
ein wesentlicher Nachteil, da er einige Minuten braucht, bis die Luft in den Zylindern warm
genug ist, um zu strömen.
Es gibt heutzutage viele Projekte, mit
denen der Motor wieder an Bekanntheit gewinnt. Einige amerikanische Firmen nutzen schon seine vielfältigen und
umweltfreundlichen Energiequellen aus,
indem sie verschiedene Solar-StirlingAnlagen entwickeln, deren Funktion es
ist, die solarthermische Energie mit Hilfe von einem Stirlingmotor in mechanische Energie umzusetzen. Der Wirkungsgrad ist dann sehr hoch und kann bis zu
31.25 % („SunCatcher“-Anlage in Arizona) erreichen, was besser als traditionelle Photovoltaik-Anlagen ist. Das Ziel des
Abbildung 3: Dish-Stirling-Anlage in Spanien mit
Projekts „Solar One“ der Firma „Stirling
Metern groß Spiegeln
Energy Systems“ ist es sogar, eine Anlage
mit 34 000 solcher Solar-Stirling-Einheiten mit einer Leistung von 850 MW zu bauen.15
Dieser erste und erfolgreiche Versuch zeigt, dass der Stirlingmotor viele Facetten hat, die nur
darauf warten, von Forschern entdeckt zu werden, obwohl sein damaliger Nutzen eher enttäuschend war.
14
15
Vgl. „Science : A Stirling Performance“, Time November 2014
Vgl. https://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_Energy_Systems - abgerufen am 02.01.15
5
2.4
Konkurrenzfähigkeit
Unter Konkurrenzfähigkeit versteht man die Möglichkeit des Motors, wieder an Bedeutung in
der Industrie zu gewinnen, da er sehr interessante und konkurrenzfähige Vorteile hat. Anschliessend werden auch seine Nachteile vorgestellt, um einen guten Vergleich mit anderen Motoren zu
bekommen und beurteilen zu können, was der Stirlingmotor noch mehr anzubieten hat.
2.4.1
Seine Vor- und Nachteile
Einige Vorteile des Stirlingmotors:16
1. Wie schon oft erwähnt, ist der Motor mit ganz vielen verschieden Energiequellen nutzbar, was sein größter Vorteil ist. Egal ob der Brennstoff fest, flüssig oder gasförmig ist,
solange er das Gas im Zylinder erwärmen kann, ist er geeignet. Anstatt traditioneller
Kohle benutzt man z. B. Solarenergie, was den Motor auf eine umweltfreundliche Ebene
bringt. Allerdings findet die Verbrennung nicht im Inneren des Motors statt, sondern außen, wodurch man die Emissionen einfacher kontrollieren kann, und die Abgase geringer
sind.
2. Da es im Prinzip nicht um Explosionen geht und die inneren Teile sowie das Gas keinen
Kontakt mit der Außenseite haben, kann der Motor lange laufen, indem er fast keine
Widerstände erfährt. Dadurch funktioniert er auch theoretisch ohne Vibration und sehr
leise.
3. Sein Wirkungsgrad zählt zu einem der höchsten bei Motoren und erreicht manchmal bis
zu 40 %. Mit den heutigen Kenntnissen und Materialien wird dieser Wert ständig erhöht.
Einige Nachteile:17
1. Es fällt schwer, einen Kompromiss zwischen dichten Kolben, großem Wärmeunterschied
und geeignetem Gas zu finden, da alle gegeneinander wirken. Hier merkt man schon,
dass es schwierig ist, effiziente Materialien zu finden, die die Bewegung des Gases nicht
verhindern.
2. Dieser erste Nachteil führt noch dazu, dass die Kosten sehr hoch sind, weil die Einzelteile
aus dem besten Material bestehen sollen und genauestens verbaut werden müssen, was
viele Unternehmen davon abhält, den Stirlingmotor weiterzuentwickeln.
3. Seine Reaktionsfähigkeit ist auch eher niedrig im Vergleich zu anderen Motoren und es
dauert lange, bis man ihn einstellen kann. Das Gas reagiert nicht so schnell auf Wärmeunterschiede und braucht Zeit, seine Strömung anzupassen.
16
17
Vgl. http://www.okofen-e.com/de/vorteile_motor/ - abgerufen am 21.06.2015
Vgl. https://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_Stirling - abgerufen am 21.06.2015
6
2.4.2
Zukünftige Einsätze des Motors im Alltag
Hier unten wird eine Möglichkeit vorgestellt, wie der Strilingmotor sich von anderen Motoren differenzieren könnte und wodurch er wieder konkurrenzfähig auf dem
Markt sein könnte.
Blockheizkraftwerke bieten dem Stirlingmotor eine sehr gute Möglichkeit, sich in
Haushalten zu verbreiten, da sie Strom sowie Heizung (Verwendung der Abwärme
der Maschine für z. B. das Duschwasser)
sehr effizient erzeugen.18 Mit solchen MicroBHKW kann der Bedarf eines Einfamilienhauses gedeckt werden, indem eine StirlingMaschine durch innere Verbrennung angetrieben wird.
Abbildung 4: BHKW in einem Haushalt
Obwohl solche lokalen Anlagen noch nicht oft im Einsatz sind, stellen sie eine sehr rentable und
umweltfreundliche Alternative dar. Die Firma „Senertec“ ist an der Spitze dieser Nutzungsmöglichkeit und bietet den „Senertec Dachs Stirling“, der sich trotz hohen Investionskosten (ungefähr
20 000 e) nach einem halben Jahr bereits rentiert, da er mit Gas, Erdgas oder Bio-Methan als
Brennstoff 1 kW elektrische Leistung und 6 kW Wärmeleistung erzeugen kann.19
Wenn Familien oder Firmen von solchen Anlagen wüssten und bereit wären, in StirlingmotorenBHKW zu investieren, könnte es einen Wendepunkt für den Motor markieren und die Ziele seines
Erfinders erreichen: der Gesellschaft zu helfen und gleichzeitig die Umwelt zu schützen.
18
Vgl.
http://www.energiesparen-im-haushalt.de/energie/bauen-und-modernisieren/hausbau-regenerativeenergie/energiebewusst-bauen-wohnen/emission-alternative-heizung/heizung-mit-stromerzeugung.html
19
Vgl. http://www.bhkw-prinz.de/senertec-dachs-stirling-se-mikro-kwk/1812
7
3
Die Funktionsweise des Motors
In diesem Teil wird erläutert, wie eine Wärmekraftmaschine funktioniert, wobei die Prozesse
des Stirling-Zyklus aufgezählt werden.
3.1
Wärmekraftmaschine und einfacher Kreisprozess: Prinzip des Motors
„Überall wo ein Temperaturunterschied herrscht, kann mit Hilfe einer Maschine Energie erzeugt
werden.“ 20
Sadi Carnot, 1824
Der Stirlingmotor setzt dieses Prinzip sehr gut um, da er dank des Wärmeunterschieds zwischen
zwei Reservoirs Arbeit verrichten kann. Es gibt zwar drei verschiedene Hauptkonfigurationen
für den Bau des Motors, die abhängig von der Anzahl der Zylinder sind, aber das Grundprinzip bleibt das gleiche, und der Motor hat immer zwei Reservoirs: das eine Reservoir führt der
Maschine Wärme zu, während das andere Kälte zuführt. Dadurch bildet sich ein thermodynamischer Zyklus, auch Stirling- oder Carnot-Zyklus genannt.
Im Motor kann eine Temperaturänderung und
dadurch eine Druckänderung stattfinden, da
die Luft von einer warmen Seite zum Erhitzen auf die kalte Seite zum Abkühlen dank der
Kolben verschoben wird. Da der Druck sich
im Zylinder verändert, kann sich der Arbeitskolben von oben nach unten bewegen und verrichtet deswegen Arbeit. Der Motor bezieht
sich also auch auf chemische Prozesse, die die
Moleküle eines Gases so anregen, dass eine
Arbeit daraus hervorgeht, wenn das Gas sich
wieder ausdehnt.
Die beiden Kolben und das Schwungrad, dem
die Bewegungsenergie des Arbeitskolbens abgegeben wird, sind so mit einer Kurbelwelle
Abbildung 5: Stirlingmotor mit Legenden
verbunden, dass sie eine Verschiebung von 90◦
haben.21 Um diesen Winkelunterschied zu verstehen, könnte man sich eine Uhr mit zwei Zeigern
vorstellen, einer für die Minuten und der andere für die Stunden. Wenn diese Uhr defekt wäre,
könnte man sich vorstellen, das die zwei Zeiger sich mit derselben Geschwindigkeit drehen. Die
beiden hätten eine Gradverschiebung von 90◦ , wenn sie gleichzeitig um 12h15 anfangen würden, sich zu drehen. Diese Analogie kann insofern leicht wieder mit unserem System verbunden
werden, dass einer der Kolben normal anfängt, während der andere schon einen Viertel seiner
Drehung um die Kurbelwelle gemacht hat (siehe Abbildung).
20
21
Vgl. https://fbme.htwk-leipzig.de/de/forschung-und-projekte/
Vgl. Experimente mit dem Stirlingmotor, Ulrich E. Stempel , 2010 - S. 12
8
Der erste Prozess22 des Zyklus ist die Zufuhr von äußeren Wärme (Qzu ), damit die Luft im unteren Bereich des Arbeitszylinders sich erwärmen kann. Es kommt zur sogenannten isothermen
Expansion, da das Gas sich ausdehnen muss, damit die Temperatur nach diesem ersten Prozess
trotz der Wärmezufuhr wieder gleich wie am Anfang sein kann. Tatsächlich zeigt das untere
Diagramm sowie eine bekannte Formel, dass der Übergang isotherm ist, da der Druck p1 sinkt,
während das Volumen V1 größer wird: p0T·V0 0 = p1T·V1 1 . Dies führt dazu, dass die Gleichung - ohne
Veränderung der Temperatur - gilt.
Im idealen Fall kann diese isotherme Expansion stattfinden, weil der Arbeitskolben nach oben
geschoben wird, was dann dem Gas erlaubt sich auszudehnen. Dank dieser Ausdehnung wird
bei dem ersten Prozess direkt Arbeit verrichtet, da die Luft in Bewegung ist, damit sie sich im
ganzen Arbeitszylinder ausbreiten kann: ∆W = −p · ∆V . Da beide Kolben mit einer Verspätung von 90◦ verbunden sind, löst die Bewegung des Arbeitskolbens durch das Schwungrad,
dessen Bewegung dank der Massenträgheit im idealen Fall nie endet, auch die Bewegung des
Verdrängerkolbens aus.
Abbildung 6: 1. Takt
Abbildung 7: 2. Takt
Abbildung 8: 1. bis 2.
Während des zweiten Prozesses wird die Luft vom unteren, warmen Bereich in den oberen,
kalten Bereich dank des Verdrängerkolbens geschoben. Man spricht hier von einer isochoren
Abkühlung/Verdichtung, da die Temperatur kleiner wird, was dazu führt, dass der Druck auch
niedriger wird. Damit diese Druckabnahme wirklich stattfinden kann, wie im Diagramm gezeigt
wird, muss das Volumen konstant bleiben, d. h. man schafft mit der Abkühlung des Gases das
Beibehalten einer isochoren (= gleiches Volumen) Situation. Während die Luft abgekühlt wird,
muss der Arbeitskolben fast unbeweglich bleiben.
Abbildung 9: 2. Takt
22
Abbildung 10: 3. Takt
Abbildung 11: 2. bis 3.
Vgl. Experimente mit dem Stirlingmotor, Ulrich E. Stempel , 2010 - S. 13 (alle vier Prozesse)
9
Als dritter Prozess herrscht die sogenannte isotherme Kompression. Hier wird Wärme an die
Umgebung abgegeben (Qab ), da der Arbeitskolben in seinem Lauf nach oben geschoben wird,
was einer Kompression der Luft im kalten Bereich des Zylinders entspricht. Das Ziel ist aber
immer dasselbe: die Temperatur in diesem Fall beizubehalten, wobei das System abkühlen muss,
da der Druck wegen der Kompression höher geworden ist. Da beide Kolben sich immer noch
bewegen, wird auch der Verdrängerkolben verschoben, und zwar nur ein wenig nach unten,
damit er seine Drehung auf dem Boden des Zylinders beenden kann, was dazu führt, dass die
ganze Luft sich im oberen, kalten Bereich befinden kann.
Abbildung 12: 3. Takt
Abbildung 13: 4. Takt
Abbildung 14: 3. bis 4.
Der letzte Prozess wäre die isochore Erwärmung: der Verdrängerkolben beendet seine Drehung
und wird zum Schluss wieder nach oben verschoben, was die Bewegung der Luft von oben (=
aus der Kälte) nach unten (= in die Wärme) antreibt. Einerseits erwärmt sich wieder die Luft (T
wird größer), andererseits bleibt das Volumen gleich (= isochor; V konstant), was logischerweise
zur Zunahme des Drucks führt: p · V = m · R · T . Als letzter Punkt seiner Drehung bewegt sich
der Arbeitskolben komplett nach unten, bevor er von vorn wieder anfängt, sich im ersten Takt
nach oben zu bewegen. Tatsächlich ist das Gas zwischen den beiden Kolben wegen des letzten
Prozesses sehr komprimiert, da die beiden sich zueinander bewegen, was später zu einer starken
isothermen Expansion führt.
Abbildung 15: 4. Takt
Abbildung 16: 1. Takt
10
Abbildung 17: 4. bis 1.
3.2
Der Wirkungsgrad
Idealerweise sollte das p-V-Diagramm eines Carnot-Zyklus ein großes gekrümmtes Rechteck
sein, was der Realität nicht entspricht, wie es in der Abbildung deutlich gezeigt wird. So einen
hohen Druck und ein großes Volumen erreichen die Maschinen nie, weil verschiedene Verluste
und Widerstände wie eine schlechte Konstruktion, kein Einsatz von Edelgasen, sowie Druck-,
Reibungs-, und Wärmeverluste auftreten können, deswegen ist auch der reale Kreisprozess viel
kleiner und elliptischer.23 Genauso wie die Berechnung des Wirkungsgrads, die unten erläutert
wird, ist dieses p-V-Diagramm rein theoretisch.
Wie oben gesehen, funktioniert dieser Motor mit thermodynamischen Prozessen und bezieht sich dadurch auf die drei Hauptsätze der Thermodynamik. Den zweiten Hauptsatz, der hier relevant ist, wird zum ersten Mal bei Herrn Carnot angesprochen
und dreht sich um den größtmöglichen Wirkungsgrad des Stirlingmotors. Carnot stellt
schnell fest, dass eine Maschine, die die
ganze Wärme mit einem Wirkungsgrad von
100% in mechanische Arbeit umwandelt, undenkbar ist. Um Herr Carnots Behauptung zu verstehen, muss man zunächst die
der Maschine zugeführte Wärme im Verhältnis zu der abgeführten Kälte betrachten, was tatsächlich mit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik verbunden werden
kann.
Abbildung 18: Idealer und realer
Kreisprozess
∆U = ∆Q + ∆W
(1)
(1) Erster Hauptsatz: die Änderung der inneren Energie eines geschlossenen Systems ist gleich
der Summe der Änderung der Wärme und der Änderung der Arbeit.24
Daraus folgt, dass die Änderung der Wärme gleich die zugeführte Wärme, abgezogen von der
abgegebenen Wärme, ist : ∆Q = Qzu + Qab , wobei Qab < 0.
Von einer allgemeinen Definition eines Kreisprozesses kann man noch ableiten, dass das Arbeitsgas nach einem vollständigen Durchlauf sich wieder in seinem Ursprungszustand befindet:25
∆U = 0
(2)
Die innere Energie eines Systems ist am Ende also gleich die ursprünglich innere Energie,
deswegen ist deren Unterschied gleich null.
23
Vgl. Experimente mit dem Stirlingmotor, Ulrich E. Stempel, 2010 - S. 15
Vgl. https://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.251/Didactics/thermodynamik/INHALT/HS1.HTM
- abgerufen am 20.02.2015
25
Vgl. Stirlingmotoren, Frank Schleder, 2011 - S. 21
24
11
Wenn man beide Aussagen zusammenstellt,
∆U = ∆Q + ∆W
(1)
0 = Qzu + Qab + W
(2)
|W | = |Qzu | − |Qab |
kommt die Arbeit W als Wärmeunterschied heraus, wobei W sowie Qab negative Werte sind,
und womit man den Wirkungsgrad wie gewohnt berechnen kann, und zwar als Division der
Arbeit, die verrichtet wird, durch die Arbeit, die zugeführt wird (hier Wärme):
η=
|W |
|Qzu | − |Qab |
|Qab |
=
=1−
|Qzu |
|Qzu |
|Qzu |
Wenn man sich an die Aussage von Sadi Carnot erinnert, die besagt, dass eine Maschine, die
die ganze Wärme in Energie umwandelt, undenkbar wäre, kann man mit dieser letzten Formel
des Wirkungsgrades feststellen, dass er Recht hatte. Man sieht mit dem Abzug von (Qab /Qzu )
zu 1, dass das Ergebnis immer kleiner als eins sein muss, also immer kleiner als 100% , was
Carnots Aussage und dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik entspricht.
Mit der Herleitung dieses letzten Ergebnis (η = 1 −
konkreteren Formel kommen:
T1
η =1−
T3
|Qab |
|Qzu | )
könnte man letztendlich zu einer
(3)
wobei T1 die Temperatur im oberen Bereich des Zylinders ist, wo es kalt ist, und T3 im unteren
warmen Bereich.
Da die abgeführte bzw. zugeführte Wärme auch als Arbeit, d. h. als Produkt aus der Volumenänderung und dem Druck (Definition der Arbeit eines Gases, Volumenarbeit26 ), betrachtet
werden kann, kann man den vorher gefundenen Wirkungsgrad umformulieren:
η =1−
wobei p1 = m · R · T1 ·
Qab
| − p1 · ∆V1−2 |
=1−
Qzu
| − p3 · ∆V3−4 |
1
V1
Dies führt jedoch dazu, dass sich ein Logarithmus mit der Volumenänderung ∆V1−2 und dem
Term V11 bildet: ln VV21 .
Daraus folgt also
η =1−
| − m · R · T1 · ln VV21 |
| − m · R · T3 · ln VV34 |
wobei V2 = V3 und V4 = V1 , was dem isochoren (= gleiches Volumen) Prozess entspricht.
Letztendlich kommt man durch Kürzen und Ersatz von Termen zu der vereinfachten Formel (3),
die in einem konkreten Fall (siehe Wirkungsgrad und Effizienz verschiedener Energiequellen)
später benutzt wird, um den Wirkungsgrad einer Stirling-Maschine zu berechnen. Der Wirkungsgrad ist deswegen umso höher, je grösser die Temperaturdifferenz zwischen den beiden
26
Vgl. http://de.wikipedia.org/wiki/Volumenarbeit - abgerufen am 21.03.15
12
Reservoirs ist.27 Da Wärme und Kolben immer in Bewegung sind, hat man festgelegt, dass
Tkalt vor der isothermen Kompression (= vor der Abgabe von Wärme) gemessen wird, während
Twarm vor der isothermen Expansion (= vor der Zufuhr von Wärme) bestimmt wird.
3.3
Der Regenerator
Robert Stirling hat früh an den Einsatz eines Teils in seinen Maschinen gedacht, der den Wirkungsgrad erhöhen konnte, was seinen Maschinen erlauben würde, sich auf dem Weltmarkt zu
verbreiten. Dieser sogenannte Regenerator kann als Kurzzeitwärmespeicher28 betrachtet werden, da er Wärme von der vorbeiströmenden Luft aufnimmt, wenn der Verdrängerkolben sich
nach unten bewegt, und diese an die nach unten strömende Luft beim Hochbewegen des Kolbens wiederabgibt. Er ist gasdurchlässig und wird z. B. im Verdrängerkolben eingebaut, damit
Wärmeverluste verhindert werden können.
Abbildung 19: Einsatz eines Regenerators
27
28
Wenn das Arbeitsgas durch die Verschiebung des
Kolbens nach oben, in den heißen Raum strömt,
wird es beim Durchlaufen des Regenerators vorgeheizt, damit es danach weniger Wärme von
der Energiequelle aufnimmt. Im Gegenzug dazu,
wenn das Gas in den kalten Raum strömt, lässt
er viel Wärme im Regenerator zurück, damit es
vorgekühlt werden kann. Der Regenerator kann
die Maschine also insofern optimieren, dass er die
ab- und zugeführte Wärme komplett für die Abkühlung und das Erhitzen der Luft benutzt, wobei fast keine Wärme verloren geht, was den Wirkungsgrad bis zu viermal verbessert.
Vgl.Experimente mit dem Stirlingmotor, Ulrich E. Stempel, 2010 - S. 15
Vgl. Der Stirlingmotor einfach erklärt und leicht gebaut, Dieter Viebach, 2010 - S. 16
13
3.4
Verschiedene Konfigurationen
Der Stirlingmotor kann in verschiedenen Weisen gebaut werden, abhängig von der Anzahl der
Zylinder, was drei Varianten erlaubt: Alpha (zwei getrennte Zylinder, entweder warm oder kalt,
mit zwei Kolben), Beta (ein Zylinder mit zwei Kolben) oder Gamma (zwei verbundene Zylinder
mit zwei Kolben). Da der später selbst gebaute Motor zu dem Gamma-Typ gehört, wird nur
dieser in der Arbeit genauer erläutert.
3.4.1
Reversible Prozesse
Interessant zu wissen ist es zunächst, dass man die Prozesse umkehren kann, damit Stirlingmaschinen keine Wärmekraftmaschinen mehr sind, sondern Wärmepumpen oder Kühlmaschinen.29 Anstatt Wärme zuzuführen, wird Arbeit an das Rad in die entgegengesetzte Richtung
verrichtet, damit die Prozesse anfangen können. Der so entstandene Entzug der Wärme aus dem
kalten Bereich zu dem warmen Bereich führt dazu, dass das kalte Reservoir immer kälter wird,
während das warme Reservoir immer wärmer wird, was sich dem Prinzip einer Pumpe annähert.30 Diese Umkehrung wird sehr gern in der Industrie verwendet, da sie der Kryotechnik neue
Perspektiven gibt, wie z. B. um Gase flüssig zu machen. Solche große Stirling-Kältemaschinen
können sogar Minus Temperaturen von bis zu -198◦ erreichen.31
3.4.2
Gamma-Typ
Der Gamma-Stirlingmotor ist der ursprünglichste und einfachste Stirlingmotor,32 der zwei Zylinder und zwei Kolben besitzt,
von denen einer ein Verdrängerkolben (= Displacer) ist, während der andere die Arbeit verrichtet (= Piston).
Im Gegensatz zu der Alpha-Variante wird nur das Gas in einem
Verdrängerzylinder (und nicht in zwei getrennten Zylindern) erhitzt und abgekühlt, damit er die vier Prozesse durchführen
kann. Die andere Unterscheidung ist, dass es bei Alpha-Motoren
keinen Unterschied zwischen Arbeits- und Verdrängerzylinder
bzw. Kolben gibt, was hier der Fall ist.
Da es zwei verschiedene Kolben und Zylinder bei dem GammaTyp gibt, die sich genauso wie bei dem Beta-Typ gegenseitig
durch das Gas antreiben, kann man diese letzte Konfiguration
als Mischung der Eigenschaften von den beiden ersten Typen
betrachten.
Abbildung 20: Gamma-Typ
29
Vgl.
Vgl.
31
Vgl.
32
Vgl.
30
Experimente mit dem Stirlingmotor, Ulrich E. Stempel, 2010 - S. 201
http://www.mabo-physik.de/stirlingmotor.pdf - abgerufen am 10.03.15
Der Stirlingmotor einfach erklärt und leicht gebaut, Dieter Viebach, 2010 - S. 19
Der Stirlingmotor einfach erklärt und leicht gebaut, Dieter Viebach, 2010 - S. 84
14
4
Eigenbau eines Stirlingmotors
Wie schon in der Einleitung erwähnt ist der beste Weg, einen Motor kennenzulernen und seine
Wirkung auf die Wirtschaft zu verstehen, den Motor selbstzubauen. Damit überprüft man seine
Grundlagen auf die physikalische Funktionsweise der Maschine, da man die Teile seines eigenen
Motors an die gelernte Theorie anpassen muss. Doch auch im Bauprozess erfährt man, welche wirtschaftlichen Eigenschaften (Kosten des Baus, Robustheit oder Komplexität des Baus)
der Motor hat, sodass man einigen Problemen begegnen kann, welche die Literatur oder der
Schulunterricht nie erwähnt.
4.1
Wahl des Motorenmodells
Die Wahl des Modells spielt eine sehr wichtige Rolle, weil sie definiert, wie komplex oder
leicht der Bau sein wird. Einerseits sind einfach zubauende Maschinen eine gute Möglichkeit, da sie das Prinzip bzw. den Stirling- Zyklus leicht darstellen. Sie sind aber für so eine Arbeit nicht unbedingt passend, da keine Schwierigkeiten auftauchen. Überraschenderweise findet man hunderte von Bausätzen für Stirlingmotoren im Internet, bereits
geeignet für Kinder ab sechs Jahren... Das
Ziel dieser Arbeit ist aber den Motor in seinem Ganzen zu verstehen und nicht nur einen
Bausatz aus Pappe zusammenzusetzen. Sehr
schnell wurden aber andererseits auch kompliziert baubare, und teure Motoren z. B. aus
Stahl aus offensichtlichen Gründen vom möglichen Selbstbau ausgeschlossen.
Abbildung 21: Myfordboy-Blogs Stirlingmotor
Mit dieser Einstellung und nach langen Recherchen wurde ein Motor auf einer englischen Webseite gefunden, der alle Kriterien für einen guten Selbstbau erfüllt:
1. Der Ingenieur, der diesen Motor entwarf, hat nicht nur Pläne zur Verfügung gestellt, sondern auch einen 36-Minuten langen Film gedreht, in dem er alle Bauabschnitte darstellt,
damit man seinen Motor „easy“ - auf leichte Weise - bauen kann;33
2. Der Motor sieht in diesem Video-Tutorial nicht kompliziert aus. Seine Funktion ist leicht
nachvollziehbar und stellt ein gutes Beispiel dar, wie ein Gamma-Stirlingmotor laufen
sollte;
3. Er wurde nur mit billigen Teilen und Haushaltsutensilien gebaut und ist deswegen für
diese Arbeit sehr geeignet;
4. Er wurde als „Low Temperature Differential“ vorgestellt, was bedeutet, dass er theoretisch
mit einem geringen Temperaturunterschied laufen könnte. Da man mit ihm nach der
33
Vgl. https://www.youtube.com/watch?v=5_50RuMcc28
15
Fertigstellung verschiedene Konfigurationen testen könnte indem man die Energiequellen
(Tasse warmes Wasser, Kerze, Eiswürfel usw.) verändert, schien er besonders interessant;
5. Auffällige Bauteile und durchsichtige Zylinder helfen dabei, alle Teile beim Laufen gut zu
erkennen und dadurch alle Takte und Phasen leicht benennen und erläutern zu können.
4.2
Verlauf der Bautätigkeit
Der erste Schritt war selbstverständlich alle perfekt passenden, und ähnlichen Bauteile, wie
im Video vorgeschlagen, zu kaufen, von denen sich eine vollständige Liste im Anhang befindet. Da nicht alle Teile im Geschäft zu finden waren, beispielsweise die beiden Deckel einer
Bonbondose (genau 98 mm Durchmesser), die den Verdrängerzylinder bilden, mussten noch
weitere Teile im Internet bestellt werden. Da der „Hobby-Ingenieur“ ein Engländer war, bestand die erste Schwierigkeit darin, alle Messungen den „deutschen“ Materialien und Objekten
anzupassen.
Die optimistische Schätzung des Ingenieurs gab an, dass 5 Minuten des Videos ungefähr 20
Minuten Bauzeit entsprechen würden, wodurch man also ungefähr zwei bis drei Stunden für
den kompletten Bau - mit allen Werkzeugen und Materialien zur Hand - planen sollte. Sehr
schnell stellte sich heraus, dass man es als Anfänger nie schaffen würde den vorgegebenen
Zeitrahmen einzuhalten, da der Bau mindestens vier Mal so viel Zeit in Anspruch nehmen
würde, wie angegeben.
Nach drei Stunden Arbeit war nur die Hälfte des Bauprozesses, der im Video angegeben war,
geschafft, da die erforderliche Präzision diesen verlängerte. Zusätzlich wurden alle Teile nochmals kontrolliert, geklebt, sauber gemacht und manchmal sogar zum zweiten Mal wieder neu
gebaut.
4.2.1
Planabschnitte
(1) - nach 11 Minuten des Videos - Zunächst wurde
mit Hilfe der Pläne die obere Struktur aus Holz sowie die inneren Verbindungen der Zylinder gebaut.
Der obere Deckel des Zylinders, der aus einer Metalldose besteht, wurde zwei Mal mit einem Durchmesser von 5 mm durchbohrt. Als erstes verbindet ein
Loch den Verdrängerzylinder mit dem Arbeitszylinder, über dem ein Rohr aus Pappe als Arbeitszylinder geklebt wurde. Hier wurde also eine Gasleitung
verlegt.
Das zweite Loch wurde später für die Verbindung
zwischen Schwungrad und Verdrängerkolben verwendet. Über diesem Loch wurde auch schon die
Spitze eines Drehbleistiftes geklebt, durch welchen
sich eine Nadel hin und her bewegen kann.
Abbildung 22: 1. Abschnitt des Baus
16
Nur mit einer geradlinigen Nadel sichert man, dass die Bewegung des Verdrängerkolbens im
Verdrängerzylinder immer in einer vertikalen Achse bleibt, so dass er nicht locker schwingt, wie
es mit einem einfachen Draht der Fall gewesen wäre.
(2) - nach 14 Minuten - Man hat sich auf das Schwungrad konzentriert, das der Boden einer Konservendose ist. Es wurde in der Mitte von einer verkürzten Nadel durchbohrt und soll
einerseits mit dem Verdrängerkolben durch ein „displacer crank“ (= Verdrängerkurbel aus Stahldraht) verbunden werden und andererseits durch ein „flywheel crank“ und ein „connection rod“
mit dem Arbeitsdiaphragma in Verbindung gesetzt werden, das über das Rohr aus Pappe gelegt
wurde. Dadurch hat man lange gebraucht, um jedes einzelne Verbindungsteil aus Strahldraht
sehr genau zu verbiegen und zu bauen (siehe Abbildung), die dem Rad ermöglichen soll, von
beiden Seiten angetrieben zu werden und auch antreiben zu können, ohne dass seine Drehung
durch Reibung verhindert wird.
Abbildung 23: Verbindungsteile am
Rad
Abbildung 24: Zusammenstellung
der Teile
(3) - nach 20 Minuten - Als nächstes kommt der Bau des Arbeitsdiaphragmas, das extrem
wichtig ist, da die Antriebe des kompletten Zyklus nach der ersten Ausdehnung des Gases bei
ihm anfangen. Es besteht aus einem geschnittenen Gummihandschuh, der am Arbeitszylinder
mit einem Haargummi befestigt wird und mit einem Stück Holz am „connecting rod“ verbunden ist. Seine Aufgabe ist es, sich nach oben zu bewegen und das Schwungrad anzutreiben,
wenn das Gas sich im Arbeitszylinder befindet und durch die Wärme expandiert, wodurch das
Arbeitsdiaphragma einen eigentlichen Arbeitskolben ersetzen kann.
In der Startphase darf es deswegen nicht zu gespannt (es würde nur mit sehr viel Kraft hochkommen) oder zu locker (die Bewegung wäre zu schlaff) sein, was in der Praxis schwer auszuführen
ist. Auch wenn sich nur ein sehr kleines Loch im Stoff befindet, ist der Motor schon nicht mehr
verwendbar.
17
Wie man in der Abbildung gut sehen kann, wurden zu diesem Zeitpunkt schon ein paar Veränderungen am Motor im Vergleich zum Modell
vorgenommen. Als erstes wurde das „connection
rod“ ein wenig gebogen, weil es zu lang war und
die Drehung des Schwungrads verhindert hat.
Auf dem Schwungrad wurden auch Stücke von
Klebeband mit verschiedenen Größen geklebt,
da das Loch in der Mitte eigentlich nicht der
Schwerpunkt war. Es stellte sich schnell heraus,
dass seine Drehung noch optimiert werden könnte, indem man die Gewichte auf dem Rad bessert
verteilt.
(4) - nach 30 Minuten - Vor der Zusammenstellung aller Teile sollte man noch den VerdränAbbildung 25: Diaphragma (Arbeitskolben) gerzylinder mit seinem Kolben bauen. Theoretisch besteht der Zylinder ganz einfach aus zwei
Deckel Bonbondosen und die Wand aus einer PET-Flasche. Beim Bau seines Motors hatte der
englische Ingenieur Glück, da die Flasche genau den richtigen Durchmesser im Vergleich zum
Deckel hatte und dies passte perfekte. Leider war es bei diesem Motor kompliziert und man
musste den Zylinder mit Klebeband festmachen, da die deutschen Flaschen zu klein waren.
Darin besteht also die Gefahr, dass der Zylinder nicht mehr dicht ist. Deswegen wurde er direkt
mehrmals umgeklebt, wodurch er an gutem Aussehen verloren hat. Um diesen Teil des Motors
fertigzubauen, wurde noch ein Kolben aus Styropor gebraucht, der 13 mm hoch, und 90 mm
breit ist. Der Kolben und der Zylinder haben also einen Abstand von 4 mm an jeder Seite,
damit die Luft dazwischen hoch und runter strömen kann. Endlich konnten beide Teile durch
die Nadel verbunden werden, da man diese an das Styropor geklebt, und sie durch die Spitze
des Drehbleistiftes geführt hat.
(5) Als letzter Schritt wurde der Draht mit dem Verdrängerkolben am „displacer crank“ angehängt, genauso wie das „connecting rod“ und das „flywheel crank“ auf der anderen Seite des
Schwungrads verkoppelt wurde. Die allerletzten Einstellungen des Baus betreffen die Winkelverschiebung von 90◦ : während das Diaphragma in einer neutralen Position ist (= die Kurbel soll
drei Uhr zeigen), soll der Verdrängerkolben ganz unten sein (sechs Uhr). Nur dann hat man, die
Möglichkeit einen Stirlingzyklus zu vervollständigen, da sich beide Seiten gegenseitig antreiben,
wobei das Diaphragrma und das „connecting rod“ sich als erstes aufheben sollten.
Insgesamt hat der komplette Bau vier Stunden und dreißig Minuten (auf drei Tage verteilt)
gedauert, was viel länger war als erwartet. Auch wenn man sich wirklich bemüht hat, der
Anleitung des Videos zu folgen, mussten ständig neue Schritte erledigt werden: im Laufe der
folgenden Wochen musste man immer mehr Bauteile erneuern und ersetzen, da der Motor nie
zum Laufen gebracht werden konnte.
18
4.2.2
Probleme und Schwierigkeiten
Bis zu diesem Zeitpunkt funktioniert der Motor immer noch nicht, obwohl schon Stunden mit
Hilfe verschiedener Ingenieure und Hobby-Physikern verbracht wurden, um alle möglichen Probleme zu lösen. Der Motor wurde schon so verbessert, dass er ohne Energiequelle und mit einem
manuellen Schwung 7 Sekunden ohne Stoß laufen kann, wobei die Zufuhr von Wärme die Laufzeit nicht verlängert. Aus einer physikalischen Sicht ist der Motor aber sehr interessant, da man
alle Zyklen, gegenseitige Antriebe, und Bewegungen der Kolben gut erkennen kann.
Erste wesentliche Probleme sind schon beim Bau entstanden, als man die Nadel durch die Spitze
des Drehbleistiftes laufen lassen wollte. Die Passung zwischen Nadel und Spitze musste perfekt
sein, deswegen war es nötig, alle Teile neu zu bauen, weil sich Kleber im Loch befand, wodurch
die Nadel sich in der Spitze eingeklemmt hat. Wie bereits oben erwähnt hat auch der Verdrängerzylinder Probleme bereitet, weil es in Deutschland nicht möglich war, eine vom Durchmesser
perfekt passende PET-Flasche zu finden. Sie sollte adaptiert werden, was natürlich Ungenauigkeiten mit sich brachte. Dazu kam noch das Problem des Schwungrads, dessen Schwerpunkt
nicht in der Mitte war, worauf man schon am Anfang aufpassen hätte sollen. Letztendlich ist
es auch schwer gefallen, alle Verbindungen mit Draht und Faden richtig zu verknüpfen, da man
einem Schmetterlingseffekt begegnet: jede einzelne kleine Veränderung hat einen riesigen Einfluss auf den ganzen Motor und viele Bauteile müssen sofort angepasst, verkürzt oder ersetzt
werden.
Nach der Fertigstellung dachte man, der schwierigste Teil wäre vorbei. Doch leider hat man
schon beim ersten Versuch einen Widerstand bei der Drehung des Rades entdeckt und gespürt.
Man hat also vermutet, dass der Antrieb bzw. der Impuls des Diaphragmas nicht gereicht hat
und zu schwach war, um den schweren Verdrängerkolben anzuheben. Man konnte beobachten,
dass der Gummi-Stoff beim Steigen und Fallen zu gespannt war, was dazu führte, dass man
zu viel Kraft verlor, so dass das Schwungrad sich nicht mehr als drei Sekunden frei drehen
konnte. Sehr schnell wurde also das Styropor gegen ein Kleineres und Leichteres ersetzt und
alle Einstellungen wurden auch nochmals kontrolliert, weil die Länge vieler Teile (Faden oder
Stahlstange über dem Diaphragma) sich verändert hatte.
Nach dieser ersten Verbesserung erreichte man eine konstante und relativ lange Drehung des
Rades. Leider tauchte noch ein anderes Problem auf, und zwar eines der Entscheidendsten. In
den Anweisungen stand, dass sobald der Motor über warmem Wasser steht, sollte das Diaphragma sich heben und abfallen, da das Gas schnell dahin strömt und sich dort ausdehnt, was bei
diesem Motor immer noch nicht zu sehen ist. Man suchte nach einem Loch und isolierte aus
Sicherheit die Wand des Verdrängerzylinders mit Klebeband. Sogar der Gummi-Stoff wurde erst
mehr gespannt und danach wieder lockerer gemacht, was beim Laufen überhaupt keinen Unterschied zeigte. Zusätzlich nahm man noch an, dass der Durchmesser des Verdrängerskolbens zu
klein war, und dass das Gas zu viel freien Platz an der Wand hatte, um sich wieder abzukühlen. Nun wurde er zum dritten Mal gebaut, was sich immer als sehr schwierig gestaltete, weil
Styropor sehr zerbrechlich ist und sehr schnell an der Seite zerbröckelt. Schwierig auch deshalb,
weil man keinen normalen Kleber für die Verbindung an der Nadel verwenden konnte, da dieser
sonst wegen dem Säuregehalt des Klebers schmelzen würde. Aber egal wie viele Versuche, das
Ergebnis blieb immer das Gleiche: unerfolgreich.
Bisher bleibt es ein Rätsel, warum das Gas es nicht schafft, im Arbeitskolben genug zu expandieren und das Diaphragma hoch zu bewegen. Und noch wichtiger, es bleibt ein Rätsel, warum der
Motor nicht laufen kann, obwohl alle möglichen Probleme mehrmals überprüft wurden.
19
4.3
Endergebnis
Nach wochenlangen Versuchen und allen möglichen Verbesserungen musste man leider zum
Schluss kommen, dass dieser Stirlingmotor nie funktionieren wird. Trotzdem kann es nicht als
Misserfolg betrachtet werden, da man mit diesem Bau seine Kenntnisse über das Prinzip des
Motors überprüft hat, indem man viel nachdenken und beobachten konnte, wo Schwierigkeiten,
Probleme und (Wärme-)Verluste vorliegen könnten. Dabei konnte man beobachten, wie der
Motor mit den vier Phasen seines Zyklus im Idealfall hätte laufen sollen, obwohl er nicht zum
Funktionieren gebracht werden konnte.
4.4
Vergleich mit einem einfachen Bausatz
Das Ziel dieser Arbeit war immerhin, die Formeln und erläuterten Prozesse in die Praxis umzusetzen, wofür man Experimente mit einem selbstgebauten Motor durchführt. Leider war dieser
nicht verwendbar, weshalb man nach einer Alternative bzw. nach einem anderen Motor suchte,
wobei ein einfacher und im Internet bestellbarer Bausatz als die beste Lösung erschien.
4.4.1
Wirkungsgrad und Effizienz verschiedener Energiequellen
Insgesamt wurden vier Experimente mit vier verschiedenen Energiequellen durchgeführt, indem
man einerseits die Temperatur an beiden Platten gemessen, und andererseits den Motor beim
Laufen gefilmt hat, wodurch man die Zahl der Umdrehungen pro Minute, also seine Effizienz,
bestimmen konnte.
Als ersten Versuch wollte man überprüfen, ob der
Motor - wie in der Bauanleitung versprochen - wirklich mit Handwärme laufen könnte. Man hat also den
Motor auf der Hand gehalten, sowie Eiswürfel auf die
obere Platte gelegt, ohne die der Temperaturunterschied nicht zum Funktionieren gereicht hätte. Beim
zweiten Versuch hat man die Eiswürfel oben behalten aber den Motor auf eine Tasse heißes Wasser
gestellt. Nach dieser Messung hat man noch die Eiswürfel entfernt, da man wissen wollte, wie stark der
Unterschied bei der Schnelligkeit der Umdrehungen
wäre, sobald man die Kältezufuhr nicht mehr hätAbbildung 26: Einfacher Bausatz
te. Als letzter und vierter Versuch diente die Wärme
einer Kerze als einzige Energiequelle, über die der Motor gehalten wurde. Hierbei sollte man
allerdings aufpassen, dass die Flamme die untere Platte nicht beschädigt, da die Temperaturen
bis zu 105◦ C erreichen.
Alle Temperaturen wurden mit einem Digitalthermometer gemessen, was Ungenauigkeit verursacht hat, da man diesen genau auf den Deckel des Verdrängerzylinders legen sollte, ohne
dass es einerseits z. B. die Eiswürfel berührt, und ohne dass andererseits zu viel Wärme (z. B.
Wasserdampf über der Tasse) verloren geht, da eine Spalte zwischen der unteren Platte und
der Tasse entsteht. Der zweite Faktor, der noch ein Grund für ungenaue Werte sein könnte, ist
die Sonne, da die drei ersten Experimente beim Sonnenschein und 27◦ C durchgeführt worden
20
(wodurch u. a. die Eiswürfel relativ schnell geschmolzen sind), während das letzte Experiment
aber im Haus durchgeführt wurde.
Auf Grund dieser Ungenauigkeitsfaktoren wird jeweils der größte sowie der kleinste Wirkungsgrad berechnet, indem man annimmt, dass alle Werte ± 5 K haben.
Vier durchgeführte Experimente
Energiequelle
Tk der oberen Platte
Tw der unteren Platte
Eiswürfel und Handwärme
282.4 K
307.0 K
Eiswürfel und Tasse warmes Wasser
282.7 K
340.4 K
Umgebungsluft und Tasse warmes Wasser
299.5 K
340.4 K
Umgebungsluft und Kerze
297.4 K
*374.9 K
*Mit konstanten Schwankungen zwischen 372.8 und 376.0 K
Beispiel einer Rechnung für das erste Experiment
Mit der vorher vorgestellten Formel η = 1 −
berechnet:
η =1−
Tk
Tw ,
wird nun der kleinstmögliche Wirkungsgrad
Tk
282.4K + 5K
= 4.8%
=1−
Tw
307.0K − 5K
Sowie den grösstmöglichen Wirkungsgrad:
η =1−
Tk
282.4K − 5K
=1−
= 11.1%
Tw
307.0K + 5K
= 8.0 ± 3.1%,
Danach wurde noch der Durchschnittswert berechnet: 4.8+11.1
2
wobei man die Ungenauigkeit des Messgerätes berücksichtigt.
Vier berechnete Wirkungsgrade
Energiequellen
Wirkungsgrad
Eiswürfel und Handwärme
8.00 ± 3.1 %
Eiswürfel und Tasse warmes Wasser
17.0 ± 2.7 %
Umgebungsluft und Tasse warmes Wasser
12.0 ± 2.8 %
Umgebungsluft und Kerze
20.6 ± 2.4 %
Diese Ergebnisse sind natürlich eher ungenau, da es im Motor viele Wärmeverluste und Widerstände gab, die man mit dieser Formel nicht einkalkulieren kann. Auch das Messgerät sowie
der Motor sind nicht für eine professionelle Anwendung geeignet, sondern für eine schulische
Anwendung, was durch die, teilweise, unzuverlässigen Werte gezeigt wird. Jedoch sind diese
Werte befriedigend, da sie sich in dem zu erwarteten Bereich befinden. Tatsächlich ist es gut
nachvollziehbar, dass ein selbstgebauter Stirlingmotor mit einem Temperaturunterschied von
77.5◦ C einen Wirkungsgrad von ungefähr 20.6 % erreicht. Zunächst fällt dieser Wert natürlich
als eher niedrig auf, wenn man weiß, wie der Motor in der Theorie effizient sein kann. Trotzdem
ist so ein Wert für einen ersten Versuch eines Anfängers sehr akzeptabel.
21
Vier verschiedene Drehungszahlen pro Minute
Energiequellen
Umdrehungen pro Minute
Eiswürfel und Handwärme
41 U./M.
Eiswürfel und Tasse warmes Wasser
105 U./M.
Umgebungsluft und Tasse warmes Wasser
70 U./M.
Umgebungsluft und Kerze
88 U./M.
Wenn man beide Tabellen vergleicht, fällt es auf, dass der Motor bei den Experimenten mit
dem größten Wirkungsgrad sich nicht am schnellsten gedreht hat, was merkwürdig ist. Mit
ganz präzisen Ergebnissen sollte man einen auffälligen Zusammenhang zwischen Umdrehungszahl und Wirkungsgrad bemerken können. Dies kann aber auch durch äußere Faktoren erklärt
werden, da das Experiment mit der Tasse warmen Wassers und den Eiswürfeln draußen durchgeführt wurde, während das mit der Kerze im Haus. Das Experiment mit dem Wasserdampf
wurde auch als zweites gemacht, was dazu führt, dass der Motor vorher schon beim Laufen war
(die ersten drei Experimente wurden nacheinander durchgeführt). Das ist selbstverständlich ein
Vorteil für die Drehzahl, da der Motor mit der vorherigen Energiequelle schon einen Antrieb
erfahren hat.
Allgemein sind die Werte sehr hoch, da der Motor klein und mit leichten Materialien gebaut
wurde, wodurch das Rad sich schnell drehen kann, und da man in der Formel nur die Temperaturen und nicht die Widerstände und Verluste berechnet hat. Industrielle Motoren würden solche
Drehzahlen nie erreichen, obwohl sie viel effizienter sind. Umdrehungszahl und Wirkungsgrad
hängen also nur zusammen, wenn es um den gleichen Motor geht und die Werte am genausten
sind, aber nicht wenn man zwei Motoren mit verschieden Größen und Materialien vergleicht
(siehe ersten Stirlingmotor auf S. 5). Immerhin zeigen diese Ergebnisse, was oft erwähnt wurde:
der Motor kann eher effizient mit alternativen und in diesem Experiment sogar umweltfreundlichen Energiequellen laufen. Man kann davon ableiten, dass gut gebaute Stirlingmotoren viel
mehr als 20 % Wirkungsgrad erreichen, da sie ohne Verluste und Widerstände sowie viel größer
gebaut werden und einen viel größeren Temperaturunterschied haben. Solche Werte, die man
zu Hause gesammelt hat, wären für eine Dampfmaschine schon sehr befriedigend.
Insgesamt kann man feststellen, dass es einen riesigen Unterschied zwischen der Theorie und der
Praxis gibt. Obwohl es Formeln zur Berechnung gibt, entsprechen sie nicht immer der richtigen
Funktionsweise eines Motors, da sie viele Faktoren nicht einkalkulieren. Immerhin waren diese
vier Experimente erfolgreich, da der Motor dank verschiedener Energiequellen laufen konnte,
indem er verschiedene Wirkungsgrade sowie Umdrehungen pro Minute erreicht hat, wobei alle
Werte relativ stimmig waren. Auch unlogische Werte konnten teilweise erklärt werden, was
zeigt, dass die Fehler identifiziert wurden.
Idealerweise hätte man noch die Leistung des Motors berechnen sollen, was in der Theorie leider
keinen Sinn gemacht hätte, da die Formeln viel zu genau sind, während die Messungen mit dem
experimentellen Motor viel zu viel von der Theorie abweichen. Hierbei wird trotzdem die Formel
·∆T 2
von Kolin vorgestellt:34 N = V2·10
8 , wobei V das kleinste Arbeitsvolumen in Liter, abgezogen
vom Volumen des Verdrängers, ist. Es ist also unmöglich, dieses Volumen exakt messen zu
können, da der Arbeitszylinder bei unserem Motor eine Membrane bzw. ein Diaphragma ist,
die keiner bekannten geometrischen Form entspricht.
34
Vgl. http://astromedia.de/STM%20Berechnung%20Loesung%20Bardow.pdf - abgerufen am 20.06.15
22
4.4.2
Schlussfolgerung
Obwohl der praktische Teil dieser Arbeit nicht so gelaufen ist wie erwartet, konnte man aus
beiden Motoren viele wichtige Informationen ziehen. Als erstes konnte man die Theorie in die
Praxis richtig umsetzen, indem man versucht hat, einen Motor aus dem Nichts zu bauen. Dabei
sollte man sich mit allen möglichen Problemen auseinandersetzen, die die vier Prozesse des
Carnot Zyklus teilweise nicht ermöglicht haben.
Mit Hilfe des zweiten Motors bzw. Bausatzes konnte man leichter verstehen, was bei dem ersten
Motor nicht funktioniert hatte, da beide Motoren dem gleichen Typ (Gamma) entstammen und
somit den gleichen Aufbau hatten. Tatsächlich spielt die Genauigkeit des Baus eine entscheidende Rolle für einen erfolgreichen Selbstbau, da die kleinsten Widerstände und Wärmeverluste,
den Motor unbenutzbar machen. Bei einem Bausatz sind alle Teile industriell, also sehr genau, vorgebaut und in diesem Fall sogar aus sehr gutem Material. Wenn man beide Motoren
vergleicht, fällt es sofort auf, dass der Erste sehr ungenau und ohne Erfahrung gebaut wurde,
während der Zweite aus präzisen, und passenden Teilen besteht. Das Prinzip ist ähnlich, nur
die Durchführung des Baus und das Material machen den entscheidenden Unterschied.
Ebenfalls hat man bemerkt, dass es in industriellen Herstellungen nicht sehr schwierig wäre,
extrem effiziente Stirlingmotoren zu produzieren, da hohe Wirkungsgrade einerseits durch gutes
Material und exakte Fertigung, und andererseits durch hohe Temperaturunterschiede einfach
erreicht werden.
23
5
Fazit
Ich wollte ich in dieser Arbeit den Stirlingmotor so kennenlernen, dass ich die Frage nach seiner
Rolle in der Zukunft beantworten kann, indem das Für und Wider des Einsatzes einer solchen
Maschine abgewägt wird, das in Büchern sowie aus der Erfahrung eines Eigenbaus gesammelt
wurden.
5.1
Die Physik des Motors
Der erste Erfolg dieser Arbeit sind die Kenntnisse, die ich über den Motor und die Thermodynamik durch den Carnot-Zyklus gesammelt habe. Wenn man das Prinzip einer Maschine in einer
Arbeit so umformulieren soll, dass alle Leser dies leicht nachvollziehen können, beherrscht man
automatisch das Thema, da dessen Wissen grundsätzlich viel tiefer ist. In diesem Sinne wurde
das erste Ziel dieser Arbeit geschafft: die Geschichte des Stirlingmotors vorzustellen, sowie seine
Funktionsweise zu verstehen. Auch auftretende Probleme beim Bau des Motors haben positiv
dazu beigetragen, dass ich mich noch mehr mit dem Thema auseinander gesetzt habe, da ich
nochmals alle Kleinigkeiten der Maschine überprüft habe.
Ein wichtiges erstes Fazit, das ich aus dieser Arbeit ziehen kann, ist der riesige Unterschied
zwischen der Theorie und der Praxis, bzw. zwischen der Physik und dem Ingenieurswesen. Naiv
wurde gedacht, dass der komplette Eigenbau eines Stirlingmotors zwar lange dauern würde, aber
machbar wäre. Wie relativ oft erwähnt, kann man als Anfänger so eine schwierige Aufgabe nicht
beim ersten Mal schaffen. Mit dem zweiten Motor wurde sehr schnell bemerkt, dass der Motor
unbedingt genau sein muss, da er sonst nie zum Laufen gebracht werden könnte. Unmöglich war
es aber mit dem ersten Motor alle passenden Bauteile perfekt einzeln einzubauen, da nicht alle
Materialien in Deutschland vorhanden waren (siehe PET-Flasche) aber auch, weil es im Grunde
unglaublich schwierig war, anhand eines Videos eine Aufgabe wie diese zu erfüllen.
5.2
Die Zukunft des Motors
Jedoch wollte ich die mögliche zukünftige Rolle des Motors diskutieren, was nicht unbedingt
geschafft worden wäre, wenn der erste Motor sofort funktioniert hätte. Tatsächlich hat man mit
dem zweiten Bausatz erfahren, dass die Einzelteile des Motors milimetergenau sein müssen und
dass das Material der besten Qualität entsprechen muss, was in der Theorie nicht immer so erwähnt wurde. Obwohl die Prinzipien leicht verständlich sind, ist die Umsetzung in die Praxis viel
schwerer, was ein Grund dafür sein könnte, warum der Motor nicht so oft bzw. gerne verwendet
wird. Industrielle müssen zu hohe Investitionskosten aufbringen, um einen effizienten Motor mit
einem hohen Wirkungsgrad zu haben, wofür sie nicht unbedingt bereit sind. Natürlich richten
sie also ihr Interesse auf Otto- oder Elektro-Motoren, die nicht ein so hohes Investitionsrisiko
darstellen, da sie deutlich billiger sind. Seine Missbeachtung ist aber sehr schade, da er mit
umweltfreundlichen Energiequellen laufen kann, was dem Begriff „Motor der Zukunft“ in der
Tat entspricht. Bisher ist der Preis des Stirlingmotors jedoch eine zu große Barriere um eine
Alternative zu den gesetzten, umweltschädlicheren Motoren darzustellen.
Immerhin kann man sagen, dass der Stirlingmotor für bestimme Bereiche wie die Wissenschaft
(Satellite der NASA), das Militär (schwedische U-Boote) und die Umwelt (Dish-Stirling- Anlagen) doch sehr geeignet ist, da solche Branchen genug Geld und Interesse haben, in die effi-
24
zientesten Motoren zu investieren. Auch wenn eine Anwendung im Haushalt durch Blockheizkraftwerke möglich wäre, bietet diese Anwendung meiner Meinung nach noch keinen richtigen
Wendepunkt für ihn, da der Motor nach Stirling noch keinen gefestigten Stand in der Industrie
zu verzeichnen hat.
Schwierig ist es auf jeden Fall, die Zukunft des Motors allgemein vorherzusagen, obwohl wesentliche Aspekte in den Vordergrund gestellt wurden. Aus einer rein physikalischen Sicht, könnte er
eine große zukünftige Rolle spielen, was durch seine verschiedenen bedeutenden Vorteile gezeigt
wurde. Sein Prinzip ist nicht nur leicht verständlich, sondern kann in ganz vielen verschiedenen Weisen weiterentwickelt werden, indem man u. a. einen effizienten Regenerator oder ein
bestimmtes Gas in den Zylinder einsetzt und noch viel wichtiger, billige und ökologische Wärmequellen verwendet, was die nächste Generation unbedingt bräuchte, weil sie die Umwelt nicht
weiter so schädigen soll wie wir es heutzutage tun.
Seine Effizienz, Vielseitigkeit und Umweltfreundlichkeit lassen uns also annehmen, dass er eine
große Rolle spielen könnte. Jedoch stellt er aus einer wirtschaftlichen Sicht noch keine richtige Lösung dar, da er im Vergleich zu den heutigen Anlagen sehr teuer, unbekannt und noch
eher unpraktisch für den Haushalt oder die Industrie ist. Damit er eine Chance auf dem Markt
bekommt, sollte er meiner Ansicht nach zunächst in bestimmten Bereichen verbreitet werden,
und nur industriell und in der Masse vermarktet werden, wenn er mit billigen aber effizienten
Materialen gebaut werden kann, was seine Kosten reduzieren könnte. Erst danach wären Leute
bereit einen umweltfreundlicheren Motor zu kaufen. Folglich kann er nur in diesem Zusammenhang als richtiger Motor der Zukunft betrachten werden, da nicht nur die Physik, sondern auch
die Wirtschaft zählt.
5.3
Allgemeines Fazit
In dieser W-Seminararbeit geht es nicht nur um die reine Physik, in der man sich mit Formeln
und Funktionsweise beschäftigt, sondern auch um Erfahrungen, die man bei einer manuellen
Auseinandersetzung mit dem Thema sammelt. In diesem Sinne habe ich viel darüber gelernt,
wie man sich von der literarischen Theorie zugunsten der Praxis entfernen kann (und manchmal
unangenehme Überraschungen machen kann...) und bin also mit den Ergebnissen dieser Arbeit
zufrieden.
Alle Zielsetzungen dieser Arbeit wurden mehr oder weniger schnell erfüllt, da das Thema gut
verstanden wurde. Auch die im Titel aufgeworfenen Frage über die Zukunft des Motors konnte
erläutert werden, wobei man die Stärke des Motors (seine umweltfreundlichen Vorteile und
sein einfaches Prinzip) sowie seine Schwäche (seine Kosten und seine verlange Genauigkeit)
vorgestellt hat.
Wie in der Einleitung erwähnt interessiere ich mich für die Ökologie aus einer physikalischen
und ingenieurtechnischen Sicht, wobei ich gerne Umweltingenieurwissenschaften an der ETH in
Zürich studieren möchte. Darum lag es mir am Herzen neue, mögliche Lösungen zum Problem
der Umweltverschmutzung kennenzulernen und zu diskutieren.
25
6
Literaturverzeichnis und Quellen
6.1
Literatur
• Daniel Lyonnet (2011): Manuel des moteurs Stirling pour le modéliste - Saint-Laurent-leMinier, Decoopman
• Dieter Viebach (2010): Der Stirlingmotor einfach erklärt und leicht gebaut - Staufen bei
Freiburg, Ökobuch-Verlag
• Frank Schleder (2011): Stirlingmotoren : thermodynamische Grundlagen, Kreisprozessrechnung, Niedertemperatur- und Freikolbenmotoren - Würzburg, Vogel
• Fritz Steimle, Jürgen Lamprichts, Peter Beck (2007): Stirling-Maschinen-Technik: Grundlagen, Konzepte, Entwicklungen, Anwendungen - Heidelberg (Neckar), C.F. Müller
• Ulrich E. Stempel (2010): Experimente mit dem Stirlingmotor - Poing b. München, Franzis
6.2
Internet
In der Reihenfolge der Fussnoten im Text
• http://ak-stirlingmotor.rhcloud.com/stirling-maschine/die-geschichte-der-st
irlingmotoren/
• http://de.wikipedia.org/wiki/Gustav_Schmidt_(Ingenieur)
• http://www.nord-nature.org/publications/bulletin/123/123b1.htm
• http://www.ingenieur.de/Fachbereiche/Antriebstechnik/Stirlingmotor-faehrt-Sc
hattendasein
• http://www.energie.ch/themen/haustechnik/stirling/
• http://saab.com/naval/Submarines-and-Warships/submarines/Kockums-Gotland-Cl
ass/
• http://de.wikipedia.org/wiki/Gotland-Klasse
• http://de.wikipedia.org/wiki/Solar-Stirling
• http://www.okofen-e.com/de/vorteile_motor/
• https://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_Stirling
• http://www.energiesparen-im-haushalt.de/energie/bauen-und-modernisieren/haus
bau-regenerative-energie/energiebewusst-bauen-wohnen/emission-alternative-he
izung/heizung-mit-stromerzeugung.html
• http://www.bhkw-prinz.de/senertec-dachs-stirling-se-mikro-kwk/1812
• https://fbme.htwk-leipzig.de/de/forschung-und-projekte/
• https://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.251/Didactics/th
ermodynamik/INHALT/HS1.HTM
26
• http://de.wikipedia.org/wiki/Volumenarbeit
• http://www.mabo-physik.de/stirlingmotor.pdf
• http://astromedia.de/STM%20Berechnung%20Loesung%20Bardow.pdf
6.3
Blog/Video
• Myfordboy Blog and Online Ressources: http://myfordboy.blogspot.de
• Low Temperential Stirling Engine: https://www.youtube.com/watch?v=5_50RuMcc28
6.4
Abbildungen
• Abb. 1 Pastor Robert Stirling: http://fr.wikipedia.org/wiki/Robert_Stirling
• Abb. 2 Prototyp der NASA mit Stirlingmotoren: http://www.nuklearforum.ch/de/a
ktuell/e-bulletin/nasa-entwickelt-neues-energiesystem
• Abb. 3 Dish-Stirling-Anlage in Spanien mit Metern groß Spiegeln: http://www.dlr.de
/next/desktopdefault.aspx/tabid-6731/11047_read-25255/
• Abb. 4 BHKW in einem Haushalt: http://www.bhkw-infothek.de/nachrichten/2474/
2011-04-15-ish-senertec-prasentiert-den-dachs-stirling-se/
• Abb. 5 Stirlingmotor mit Legenden: http://www.stirling-fette.de/howdoes.htm
• Abb. 6 -17 Alle 4 Takte: Experimente mit dem Stirlingmotor, Ulrich E. Stempel, 2010
- S. 13
• Abb. 18 Idealer und realer Kreisprozess: Der Stirlingmotor einfach erklärt und leicht
gebaut, Dieter Viebach, 2010 - S.17
• Abb. 19 Einsatz eines Regenerators: http://scimods.com/Pictures/Stirling-engi
ne.gif
• Abb. 20 Gamma-Typ: http://diystirlingengine.com
• Abb. 21 Myfordboy-Blogs Stirlingmotor : http://myfordboy.blogspot.de/p/blog-pa
ge_12.html
• Abb. 22 1. Abschnitt des Baus
• Abb. 23 Verbindungsteile am Rad
• Abb. 24 Zusammenstellung derTeile
• Abb. 25 Diaphragma als Arbeitskolben
• Abb. 26 Einfacher Bausatz
27
7
Anhang
7.1
Liste des Materials zum Selbstbau eines Stirlingmotors
Quelle: Myfordboy Blog
• Eine 2-Liter-PET-Flasche
• Der Boden einer großen Konservendose
• Zwei kleine Bonbondosen-Deckel
• Die Spitze eines Drehbleistiftes
• Eine Röhre aus Pappe (Durchmesser = 30mm)
• Eisendraht
• Zwei Nähnadeln
• Nähdraht
• Ein Latex-Handschuh
• Ein Stück dünne Pappe
• Ein paar Holzstäbchen
• Dünne Haargummis
• Dünner Kupferdraht
• Polystrol aus Verpackungsmaterial
• Epoxyklebstoff
• Sekundenkleber
28
7.2
Baupläne des Motors
Quelle: Myfordboy Blog, zum Ausdrucken in Originalgröße
29
8
Selbstständigkeitserklärung
Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Seminararbeit selbständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel benutzt habe. Die Stellen der Arbeit, die anderen Quellen
im Wortlaut oder dem Sinn nach entnommen wurden, sind durch Angaben der Herkunft kenntlich gemacht. Dies gilt auch für Abbildungen sowie für Quellen aus dem Internet.
München, am 11.07.2015
Julie Vienne
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