Stirlingmotor - Geschichte und Anwendungsbereiche

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1 Stirlingmotor - Geschichte und Anwendungsbereiche Der Stirlingmotor wurde 1816 von dem schottischen Pfarrer Robert Stirling ( ) entwickelt und zum Patent angemeldet. Der Motor sollte die Dampfmaschine ablösen und entstand immerhin 70 Jahre vor der Erfindung des Otto- bzw. Dieselmotors. Die wesentlichen Vorteile des Stirlingantriebs bestehen darin, dass: der Motor von außen beheizt wird und dadurch mit jeder beliebigen Primärenergie betrieben werden kann (diverse Gase, Öl, Biomasse, Kohle, Solarenergie) der Motor kein Explosionsmotor ist, sondern mit kontinuierlicher Wärmezufuhr und abfuhr arbeitet die fehlenden Explosionsgeräusche einen sehr laufruhigen Betrieb ermöglichen der Motor mit Einsatz moderner Materialien und hohen Innendrücken einen deutlich besseren Wirkungsgrad als Otto- und Dieselmotoren erreicht der Prozess auch als Kälteprozess genutzt werden kann und dabei leicht Temperaturen von minus 50 C unterschritten werden können In der Thermodynamik wird der Stirlingprozess gern als idealer Kreisprozess in vier Schritten dargestellt. Der Wirkungsgrad des realen Motors hängt wesentlich von der Temperaturdifferenz zwischen der heißen Seite (Erhitzer) und der kalten Seite (Kühler) ab. Es gibt bereits leichtlaufende Modellmotoren, die lediglich eine Temperaturdifferenz von 5 Kelvin zum Antrieb nutzen (siehe nachfolgendes Modell). Auch für das Temperaturniveau auf der heißen Seite kann schon ein Wert von + 40 C zum Antrieb ausreichen. Damit ist die Kopplung dieser Maschine mit einfachen thermischen Solarkollektoren sinnvoll. Der Motor wurde im militärischen Bereich als Antrieb für U-Boote eingesetzt. In Indien wurde lange Zeit der Einzylindermotor ST 5 mit ca. 3 kw elektrischer Leistung, versorgt mit Biomasse (Reisstroh, Nussschalen), produziert und zur dezentralen Stromversorgung betrieben. Der Stirlingmotor hat sich in Europa und Neuseeland inzwischen als Antrieb für Blockheizkraftwerke (Kraft-Wärme-Kopplung) und kleine Schiffsantriebe etabliert z.b. Firma Solo, Deutschland; Firma Whispergen, Neuseeland. Der Stirlingkälteprozess wird schon längere Zeit erfolgreich eingesetzt, um Gase zu verflüssigen oder kleine Infrarotsensoren zu kühlen. Contact: Nature Power Consult GmbH Lutherstraße 29 D Magdeburg Germany fon: fax: info@nature-power-consult.de Bank: Volksbank Magdeburg eg Nature Power Consult GmbH KtoNr.: BLZ: IBAN: DE BIC/SWIFT: GENODE F1MD1 Geschäftsführer: Dipl.-Ing. Ulrich Narup Jörg Dahlke Handelsregister Magdeburg HRB St.Nr.: 101/115/04178 Ust-IdNr.: DE

2 NPC Stirling 02 Bausatz Modell: Best.Nr Fertiges Modell: Best.Nr Der Stirlingmotor NPC 02 wird mit sehr niedriger Temperaturdifferenz (nur 5 Kelvin) zwischen Erhitzer und Kühler betrieben wird. Die Abwärme einer heißen Kaffeetasse oder direkte Sonnenstrahlung auf der schwarzen Fläche reichen als Antriebsenergie aus. Das Modell ist als leicht zu montierender Bausatz mit allen exakt vorgefertigten Teilen, Kugellagern, Dichtungen etc. (NPC 02 f) oder komplett montiert (NPC 02 b) lieferbar. Das Modell ist auch für längeren Dauerbetrieb über mehrere Stunden (Ausstellung) geeignet. Versuchsvorschläge: Zusammenbau des handlichen, transparenten Motors, um die Einzelteile und die Funktion zu verstehen. Ermittlung der minimalen Erhitzertemperatur im Leerlauf bei konstanter Umgebungstemperatur Messung der Drehzahl des Motors in Abhängigkeit von der solaren Bestrahlung der schwarzen Kreisfläche Darstellung des Arbeitsprozesses in einem Druck-Volumen-Diagramm 2

3 NPC Stirling 03 Best.Nr.: Dies ist ein fertiges Modell zur Vorführung eines kleinen, funktionierenden Motorkraftwerkes, dass mit jeder beliebigen Wärmequelle oder Primärenergie Strom erzeugen kann. Das Modell ist mit transparenter Grundplatte und transparentem Schwungrad versehen. Beide Zylinder und der Steuerkolben sind aus hitzebeständigem Spezialglas. Damit sind viele Maschinenteile in der Bewegung zu beobachten. Die kugelgelagerte Stahlkurbelwelle ist durch verschleißfeste Kunststoffteile mit den beiden Kolben (Arbeitskolben aus Messing und Steuerkolben aus Glas) verbunden. Der Betrieb des Motors erfolgt mit dem beigefügten Spiritusbrenner. Die Leistung kann durch den verstellbaren Docht reguliert werden. Zur Kühlung des Motors wird hier nur Umgebungsluft eingesetzt. Über Schwungrad und Riemen wird im Generator Strom erzeugt. Der Stirlingprozess erlaubt auch einen Betrieb dieser kleinen Maschine als Wärmepumpe oder Kältemaschine. Der Generator kann dann als Antriebsmotor mit max. 12 V Eingangsspannung genutzt werden. Der Brenner ist dabei nicht erforderlich. An der Spitze des Steuerkolbens entstehen dann Temperaturen im Bereich von 0 C bei Umgebungstemperaturen von 20 C. Versuchsvorschläge: Ermittlung der elektrischen Leistung in Abhängigkeit von der Erhitzertemperatur Ermittlung der elektrischen Leistung in Abhängigkeit von der Kühleroberflächentemperatur Wirkungsgradbestimmung des Motors in dem Primärenergiebedarf und die gleichzeitig erzeugte elektrische Arbeit gemessen werden 3

4 Ermittlung der Kälteleistung der Maschine in Abhängigkeit von der eingesetzten elektrischen Leistung Technische Daten: Leistung des Motors: Drehzahl im Leerlauf: Arbeitsvolumen: Dauerbetrieb bei ausreichender Kühlung: Motorstart manuell am Schwungrad, Durchmesser: Abmessungen der Grundplatte: ca. 1,5 W ca /Min cm³ ca. 1 Stunde 140 mm 300 x 220 mm optionales Solarzubehör : NPC 03 sol Best.Nr.: Die Wärmezufuhr des NPC Stirling 03 (nicht inklusive) kann durch diesen Parabolspiegel aus Aluminium auf regenerativer Basis erfolgen. Diese Betriebsweise funktioniert nur bei ausreichender direkter Sonnenlichteinstrahlung (blauer Himmel). Durch manuelle Nachführung des Spiegels wird das parallele Sonnenlicht auf den Absorberring konzentriert. Bestandteile: polierter Parabolspiegel aus Aluminium (Durchmesser 450mm; Höhe 110mm) Montagewinkel für den Motor passend für Fotostativ kleineres Spezialschwungrad (Durchmesser 70mm) für den Motor 4

5 aufschiebbarer, schwarzer Absorberring für den solar zu erhitzenden Steuerzylinder Versuchsvorschläge: Ermittlung der elektrischen Leistung in Abhängigkeit von der solaren Einstrahlung (siehe auch unser Messgerät NPC Solar) Wirkungsgradbestimmung des Motors in dem solare Einstrahlung und die gleichzeitig erzeugte elektrische Arbeit gemessen werden. Die Abhängigkeit des Wirkungsgrades von der Temperatur der Kühleroberfläche kann ebenfalls ermittelt werden. Einfluss einer ungenauen zweiachsigen Nachführung des Spiegels auf die Wärmezufuhr am Absorber/Erhitzer ermitteln. Hinweise für besondere Untersuchungen an Stirlingmaschinen Bei besonderem Bedarf an größeren Maschinen für Studien-, Diplom- oder Forschungsarbeiten sind wir gern bei der Beschaffung größerer, anwendungsnaher Maschinen behilflich. Bezüglich weiterer Unterstützung für Schulungen wie Funktionsbeschreibungen, Diagramme, Literaturhinweise und technische Berechnungen in englischer oder französischer Sprache können Sie uns gerne ansprechen. Ersatzteile zu den abgebildeten Maschinen: Zu allen Maschinen stehen Originalersatzteile zur Verfügung, die wir hier nicht separat auflisten. Bei der Bestellung von Ersatzteilen ist kein Mindestbestellwert zu beachten. Lieferumfang und Garantien Zu allen angebotenen Modellen wird eine Betriebs- und Wartungsanleitung mitgeliefert, die Sie unbedingt beachten sollten! 5

6 Bei sachgemäßem Umgang mit unseren hochwertigen Modellen gewähren wir eine Produktgarantie von zwei Jahren. Die Garantie erlischt, wenn technische Veränderungen vorgenommen oder keine Originalteile verwendet wurden bzw. bei äußeren Gewalteinwirkungen. Für Druckfehler kann keine Gewähr übernommen werden. Änderungen vorbehalten. Im übrigen verweisen wir auf unsere allgemeinen Geschäftsbedingungen. Dipl.-Ing. Ulrich Narup; Jörg Dahlke Lutherstraße 29 D Magdeburg Germany fon: fax: