Stempel Experimente mit dem Stirlingmotor

Über 100 Experimente und Schritt-für-Schritt-Anleitungen rund um den Stirlingmotor
1. Auflage 2012
ISBN: 978-3-645-25020-7
Verlag: Franzis
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 240 Seiten

Reihe: Experimente

Stirlingmotoren zählen neben Dampfmaschinen zu den ältesten Wärmekraftmaschinen. Sie weisen in der theoretischen Berechnung einen höheren Wirkungsgrad auf als Dampfmaschinen und auch Verbrennungsmotoren wie Benzin- oder Dieselmotoren. Obwohl das Grundprinzip des Stirlingmotors schon relativ alt ist, ist die Anwendung heutzutage sinnvoller denn je. Der Grund: Stirlingmotoren können mit unterschiedlichen Primärenergiequellen betrieben werden. Das reicht von Holz und Reisstroh über Gas und Biogas bis hin zur Solarenergie. Und Stirlingmotoren lassen sich universell einsetzen: sowohl in der Haustechnik (Blockheizkraftwerk, Klimaanlagen) als auch für die Antriebstechnik, z. B. im Auto, in Wasserfahrzeugen und für Arbeitsmaschinen.

Autoren/Hrsg.

Stempel, Ulrich E.

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort;5
2;Inhalt;7
3;1 Grundlagen zum Stirlingmotor;11
3.1;1.1 Prinzip und Wirkungsweise;11
3.2;1.2 Grundbegriffe zur Stirlingmaschine;13
3.2.1;1.2.1 Theoretische Grundlagen;14
3.2.2;1.2.2 Praktische Eigenschaften des Stirlingmotors;20
3.3;1.3 Systemvarianten;22
3.3.1;1.3.1 Alpha-Typ;22
3.3.2;1.3.2 Beta-Typ;23
3.3.3;1.3.3 Gamma-Typ;23
3.3.4;1.3.4 Ringbom-Typ;24
3.3.5;1.3.5 Thermoakustischer Stirlingmotor;25
4;2 Grundmodelle, Komponenten und Grundexperimente;27
4.1;2.1 Komponenten des Modellmotors;27
4.2;2.2 Basisplatten: obere und untere Grundplatte;28
4.3;2.3 Verdrängerzylinder und -Kolben;30
4.3.1;2.3.1 Praktische Funktion und Wirkungsweise der Verdrängerkolben;32
4.3.2;2.3.2 Verdrängerkolben für den Niedertemperaturstirling herstellen;33
4.3.3;2.3.3 Verdrängerkolben für den Mitteltemperaturstirling herstellen;34
4.4;2.4 Der Regenerator bringt besseren Wirkungsgrad;41
4.5;2.5 Dichthülsen und Gleitlager;42
4.6;2.6 Die Kurbelwelle, schnell gebogen;44
4.7;2.7 Pleuel aus Messingdraht gebogen;50
4.8;2.8 Arbeitskolben und -zylinder;54
4.8.1;2.8.1 Membran, dicht und flexibel;55
4.8.2;2.8.2 Materialien für den Arbeitszylinder;58
4.9;2.9 Das Schwungrad zum Energieausgleich;61
4.9.1;2.9.1 Kunststoffschwungrad;62
4.9.2;2.9.2 Das Metallschwungrad;64
4.9.3;2.9.3 Ausgleichsgewichte für das Schwungrad;67
4.9.4;2.9.4 Propeller zum Schwungrad;69
4.10;2.10 Heizuntersatz;70
4.10.1;2.10.1 Praktischer Heizuntersatz mit Halogenlicht;72
4.10.2;2.10.2 Heizuntersatz mit Teelicht/Spiritusbrenner;75
5;3 Modellstirlingmotoren;80
5.1;3.1 Modellbausatz mit Pappe;81
5.2;3.2 Modifiziertes Pappmodell;104
5.3;3.3 Handstirling;107
5.4;3.4 Dosenstirling für den Mitteltemperaturbereich;123
5.4.1;3.4.1 Herstellungsschritte Dosenstirling;124
5.4.2;3.4.2 Experimente mit dem Dosenstirling;139
5.5;3.5 Stirlingmodell mit Power;144
6;4 Grundlagen zur Leistungssteigerung;156
6.1;4.1 Maßnahmen zur Leistungssteigerung;157
6.1.1;4.1.1 Diskontinuierliche Verdrängersteuerung;160
6.1.2;4.1.2 Niedertemperaturstirling zur Energieausnutzung;161
7;5 Stirlingmotoren und das Messlabor;163
7.1;5.1 Drehzahl des Stirlingmotors messen;163
7.2;5.2 Temperaturmessung unten – oben,Temperaturdifferenz;167
7.3;5.3 Messungen mit dem PC;172
8;6 Praktische Nutzung von Stirlingmodellen;178
8.1;6.1 Elektrischer Strom vom Stirlingmodell;180
8.2;6.2 Strom für eine LED-Beleuchtung;181
8.3;6.3 Spannungswandler für den Stirling;185
8.4;6.4 Antrieb einer Wasserpumpe mit dem Stirling;190
8.5;6.5 Influenz/Hochspannung mit dem Stirling;192
8.6;6.6 Experimente mit Wärmepumpe/Kühlmaschine;194
8.6.1;6.6.1 Kühlmaschine;198
8.6.2;6.6.2 Wärmepumpe;199
8.6.3;6.6.3 Auswertung der Experimente;200
9;7 Solartechnik und Stirlingmotor;202
9.1;7.1 Solarstirling – eigene Experimente;204
9.1.1;7.1.1 Fresnellinse Konzentratortechnik für den Solarstirling;207
9.1.2;7.1.2 Parabolantenne (Satellitenschüssel);210
9.1.3;7.1.3 Sonnennachführung;215
10;8 Nutzanwendungen mit dem Stirlingmotor;219
10.1;8.1 Stirlingmotoren in Serie?;219
10.2;8.2 SUNPULSE™ water – die solare Stirlingpumpe;221
10.3;8.3 Stirlinggenerator;224
10.4;8.4 Aussichten;226
10.4.1;8.4.1 Nutzung heizungsunterstützender Solaranlagen für den Stirling;226
10.4.2;8.4.2 Freie Energie und Stirlingprinzip;227
11;9 Anhang;228
11.1;9.1 Problembewältigung und Checkliste;228
11.2;9.2 Materialien/Liefernachweise;232
11.2.1;9.2.1 Recycling-Materialien;234
11.3;9.3 Adressenverzeichnis Lieferfirmen (Komponenten);234
11.3.1;9.3.1 Adressen und Internetlinks;235
11.4;9.4 Bauanleitungen – Modellmotoren;236
12;Stichwortverzeichnis;238

Leseproben

1 Grundlagen zum Stirlingmotor (S. 11-12)

Der Stirlingmotor gehört neben der Dampfmaschine zu den ältesten Wärmekraftmaschinen. Er wurde 1816 von dem damals erst 25-jährigen Robert Stirling erfunden. Der junge schottische Geistliche wollte mit seinem Motor eine Alternative zu den Hochdruckdampfmaschinen bieten, die immer wieder zahlreiche Opfer durch Kesselexplosionen forderten.

Ende des 19. Jahrhunderts gab es zahlreiche praktische Anwendungen, vor allem in Privathaushalten der reicheren Mittel- und Oberschicht. In für damalige Verhältnisse kleinen Ausführungen war er ein Massenprodukt des Fabrikanten Louis Heinrici und das Pendant zu unseren heutigen Elektromotoren. Er wurde beispielsweise für den Antrieb von Ventilatoren und kleinen Zimmerspringbrunnen verwendet. Später wurde der Stirlingmotor z. B. von Phillips als Generator zum Betrieb der Röhrenradios weiterentwickelt und in großen Stückzahlen produziert. In der theoretischen Berechnung hat der Stirlingmotor nicht nur einen höheren Wirkungsgrad als Dampfmaschinen, sondern auch als Verbrennungsmotoren wie Benzin- oder Dieselmotoren. Im Stirlingmotor wird Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgesetzt. Das Interessante dabei ist, dass dem Motor Wärmeenergie von außen zugeführt werden kann. Er ist also nicht wie der Benzin- oder Dieselmotor auf die „innere“ Verbrennung eines besonderen Stoffes angewiesen. Er kann mit beliebigen Wärmequellen arbeiten wie z. B. mit Solarenergie, der Abwärme unterschiedlicher technischer Prozesse, Wärme aus der Verbrennung von Bio- oder Deponiegas und weiteren festen und flüssigen Brennstoffen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Verbrennung der Stoffe mit hohemWirkungsgrad und damit umweltschonend betrieben werden kann.

1.1 Prinzip und Wirkungsweise

Die Wirkungsweise der Stirlingmaschine erscheint zunächst ungewöhnlich, da wir von Verbrennungsmotoren die Funktion durch rasch aufeinanderfolgende Explosionen kennen. Das Grundprinzip der Stirlingmotoren ist ein ganz anderes: Es gibt eine warme und eine kalte Seite. Durch einen Verdrängerkolben ohne Abdichtung zum Zylinder wird ein gasförmiges Medium (wie z. B. Luft) zwischen der warmen und der kalten Seite hin- und hergeschoben. Befindet sich das gasförmige Medium auf der warmen Seite, dehnt es sich aus, ist es auf der kalten Seite, zieht es sich zusammen. Dieses Ausdehnen und Zusammenziehen wird mit einem weiteren Zylinder in mechanische Antriebsenergie umgesetzt.

Prinzip:
In einem geschlossenen Arbeitsraum wird ein Gas (z. B. Luft) zyklisch mit einem Verdränger von einer heißen Seite des Raums zur kalten bewegt. Während der Erwärmung expandiert das Gas, um sich dann innerhalb des Abkühlungsprozesses wieder zusammenzuziehen. Es entsteht eine Druckdifferenz, die auf einen Arbeitskolben wirkt, der dadurch auf- und abbewegt wird.

Im Gegensatz zu den Verbrennungsmotoren, die nur in eine energetische Richtung funktionieren – der Treibstoff wird durch die Explosionen in mechanische Energie umgewandelt –, können Stirlingmotoren reversibel betrieben werden. Dadurch kann sowohl ein Temperaturpotenzial in mechanische Energie umgewandelt werden, als auch durch mechanische Energie ein Temperaturpotenzial erzeugt werden, wie wir das vom Kühlschrank oder der Wärmepumpe kennen. Gemeint ist damit: Wenn der Stirlingmotor mechanisch angetrieben wird, kann auf der einen Seite Kälte und auf der anderenWärme bereitgestellt werden.