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Stirlingmotor 12:02 min

Textversion des Videos

Transkript Stirlingmotor

Hallo und ganz herzlich willkommen. Das Video heißt „Stirlingmotor“. Du kennst bereits den Kreisprozess, Wärmekraftmaschinen und den thermischen Wirkungsgrad. Nachher kennst du Aufbau und Funktionsweise des Stirlingmotors. Du kennst seine Geschichte, seine Vor- und Nachteile und seine Perspektive. Der Film besteht aus sechs Abschnitten. Erstens: Geschichte. Zweitens: Aufbau. Drittens: Funktionsweise. Viertens: Indikatordiagramm. Fünftens: Vor- und Nachteile. Und sechstens: Ausblick. Beginnen wir also mit der Geschichte des Stirlingmotors. Es gibt verschiedene Ausführungen dieses Motors. Ich habe einen Bausatz gekauft und daraus einen Stirlingmotor zusammengesetzt. Und er läuft sogar. Ihr könnt euch davon überzeugen. Hier seht ihr ein etwas solideres Modell. In jedem Fall jedoch ist der Stirlingmotor ein Heißluftmotor. Er ist eine Wärmekraftmaschine. Erfunden wurde er im Jahre 1816. Und das kam so. Im Jahre 1776 erfand James Watt, ein schottischer Mechaniker, die bis dahin beste Dampfmaschine. Sie hatte großen Anteil an der britischen Industrialisierung. Beim Betrieb der Dampfmaschine gab es leider zahlreiche Explosionen und auch Opfer waren zu beklagen. Für Robert Stirling, einen schottischen Geistlichen, war das Grund genug den nach ihm benannten Motor zu erfinden. Um 1900 wurde der Stirlingmotor bereits in Masse gefertigt. Etwa 250000 Stirlingmotoren waren weltweit in Betrieb. Für den geräuscharmen Motor gab es verschiedene Anwendungen. Eine davon war der Ventilator. Im zwanzigsten Jahrhundert traten für den Stirlingmotor drei Konkurrenten auf den Plan. Der Ottomotor, der Dieselmotor und der Elektromotor. Das bedeutete das Ende für den Stirlingmotor. Ende des zwanzigsten Jahrhunderts änderte sich die Situation. Es entwickelte sich ein breites Umweltbewusstsein. Dadurch erlebte der Stirlingmotor eine Wiedergeburt. Jetzt wollen wir uns den Motor aber einmal anschauen. Aufbau: So sieht er aus, der Stirlingmotor, schematisch dargestellt. Sieht er aus wie ein Ottomotor? Aber nur auf den ersten Blick. Den großen Zylinder von rot bis blau erkennt ihr. Das ist ein Kolben. Der sogenannte Verdrängungskolben. Der hellblaue Kolben ist der Arbeitskolben. Der linke rote Bereich ist der Bereich der hohen Temperaturen. Mit grauer Farbe sind die Kühlrippen gekennzeichnet. Hier ist die Pleuelstange des Verdrängungskolbens. Die Pleuelstange des Arbeitskolbens ist auf der anderen Seite des Rades. Schon gesagt, aber wichtig: Die Kolben finden sich im Zylinder. So und damit ihr seht, dass ich nicht trickse, nehme ich das schematische Modell einmal auseinander. So, nun könnt ihr beide Kolben mit den entsprechenden Pleuelstangen sehen. Interessant ist um wie viel die beiden Pleuelstangen auf dem Rad zueinander versetzt sind. Hier habe ich ein Hilfsdreieck. Es sind neunzig Grad. Wie arbeitet der Stirlingmotor? Funktionsweise: Wir beginnen in dieser Position der beiden Kolben. Der linke Teil des Zylinders wird erwärmt. Die Luft dehnt sich aus und der Arbeitskolben wird nach rechts verschoben. Achtung, die Luft kann den Verdrängungskolben durch feine Öffnungen durchfließen. Das ist der erste Takt. Hier findet eine isotherme Ausdehnung, Expansion, statt. Im zweiten Takt strömt die Luft durch den Verdrängerkolben hindurch. Die Luft gibt Wärme an die Umgebung ab, ihre Temperatur sinkt. Im zweiten Takt kommt es zur isochoren Abkühlung. Der Arbeitskolben bewegt sich nach links und komprimiert die Luft wieder. Es wird Wärme nach außen abgeführt. Daher bleibt die Temperatur konstant. Im dritten Takt findet eine isotherme Kompression statt. Nun strömt Luft durch den Verdrängerkolben. Er selbst bewegt sich nach rechts. Die Luft nimmt vom Verdrängerkolben Wärme auf. Daher steigt die Temperatur. Im vierten Takt findet isochore Erwärmung statt. Wir wollen nun einmal diese Ergebnisse auswerten. Dafür benötigen wir ein Indikatordiagramm. Der Stirlingmotor arbeitet in vier Takten. Diese beschreiben den sogenannten Kreisprozess. Der Kreisprozess hilft bei der Berechnung von η, dem Wirkungsgrad. Auch dient er zur Bestimmung von W, der verrichteten mechanischen Arbeit. Zur Darstellung des Kreisprozesses tragen wir P über V ab. Wir erstellen das sogenannte Indikatordiagramm. Dafür sollen mit zwei Isotherme helfen. Das sind Kurven konstanter Temperaturen. T1 > T2. Der erste Takt verläuft von A nach B entlang der Isotherme. Die Gerade von B nach C parallel zu P beschreibt den zweiten Takt. Der dritte Takt erfolgt entlang der Isotherme von C nach D. Erinnert ihr euch noch an die Zustandsänderungen? Von A nach B isotherme Expansion. Von B nach C isochore Abkühlung. Von C nach D isotherme Kompression. Und von D nach A isochore Erwärmung. Das konnte man eigentlich auch gut ablesen. Der Kreisprozess verläuft im Uhrzeigersinn. Es handelt sich also um eine Wärmekraftmaschine. Und nun noch zum thermischen Wirkungsgrad. Man kann zeigen, dass er dem des Carnot-Prozesses identisch ist. T1 - T2 / T1. Die durch den Kurvenzug eingeschlossene Fläche ist W. Das ist die verrichtete mechanische Arbeit eines Zyklus. Was bringt uns nun der Stirlingmotor? Vorteile: Was sagt man über den Wirkungsgrad des Stirlingmotors? Der technische Wirkungsgrad, der niedriger ist als der thermische, beträgt etwa 25%. Bei einer Leistung des Motors von 5 kW. Nur 20% werden erreicht, wenn die Motorleistung 1 kW beträgt. Ein Vorteil des Motors besteht darin, dass man für ihn fast jede Wärmequelle verwenden kann. Kohle, Holz, Erdöl, Erdgas, Kernenergie. Nun ja. Weniger populär. Oder Solarenergie. Das wäre sehr wünschenswert. Der Motor hat praktisch keine Unwucht. Sehr starke Verkleinerung des Motors ist möglich. Der Motor ist robust und benötigt nur geringe Wartung. Der Motor ist sehr leise. Ein Stirlingmotor produziert keine Abgase. Allerdings hat der Stirlingmotor auch Nachteile. Um Dichtheit des Motors zu erreichen braucht man teures Konstruktionsmaterial. Für große Leistung benötigt man beim Stirlingmotor große Zylinder. Daher lassen sich mit ihm keine Autos herstellen. Der Stirlingmotor zeigt Probleme mit der Leistungsregelung. Nach dem ganzen Für und Wider zum Ende der Ausblick: Wir haben schon gesagt, dass sich ein neues Umweltbewusstsein gebildet hat. Daher hat eine Rückbesinnung stattgefunden. Die Rückbesinnung zum Stirlingmotor. Er ist nicht überall einsetzbar, aber es gibt viele Einsatzgebiete. Im Idealfall wäre das ein Solarmotor nach dem Stirlingprinzip. Auch mit radioaktiven Isotopen zur Wärmeerzeugung wurde getestet. Bereits eingesetzt wird der Stirlingmotor in der Medizin, zum Beispiel für Blutpumpen. Andere Einsatzgebiete sind Satelliten. Und auch in Raumschiffen. Forscht selbst im Internet nach weiteren Beispielen. Und einen habe ich noch. U-Boote. Das war ein weiterer Film von André Otto. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss!