Sonnenmotor STIRLING

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1 Umwelt / Energien Lehrwerkstätten und Berufsschule Zeughausstrasse 56 für Mechanik und Elektronik Tel CH-8400 Winterthur Fax Sonnenmotor STIRLING P A6042 STIRLING- Funktionsmodell als - Motor - Wärmepumpe - Kältemaschine Robustes Funktionsmodell zur Demonstration von: 1. Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie nach dem Stirling-Prinzip mit: - Sonne (mit Parabolspiegel PA6040) - Gas (mit Bunsenbrenner PA6026) - Lampe (mit Parabolspiegel PA6040 und Halogenglühlampe) 2. Gewinnung elektrischer Energie zusammen mit dem Generator PA7505; 3. Betrieb als Wärmepumpe oder Kältemaschine, der STIRLING wird mechanisch angetrieben. Der STIRLING-Motor gehört wie der Benzin- und Dieselmotor zu den Wärmemotoren. Der STIRLING-Motor erzeugt jedoch die Wärme nicht in seinem Inneren, sondern bezieht sie direkt von aussen (z.b. Sonnenwärme, Flamme). Er nutzt die physikalische Tatsache, dass sich Gase (hier Luft) bei der Erwärmung ausdehnen und bei Abkühlung zusammenziehen. Technische Daten Zylinder Gehäuse Leistung Drehzahl Schwungscheiben Ø : 200 x Ø 45 mm : Aluminium : ca. 4 W : max U/min. : 90 mm mit Antriebsrille inkl. Funktions- und Anwendungsbeschreibung Zubehör 1 Imbusschlüssel 1 Antriebsriemen ZT0096.DOC 05/03 HP

2 Inhaltsverzeichnis 1. Historisches 2. Funktion 2.1 Was ist ein STIRLING-Motor? 2.2 Warum Sonnenmotor STIRLING? 2.3 Querschnitt des Sonnenmotors STIRLING 2.4 Aufbau und Arbeitsweise 3. Anwendung 3.1 Allgemeines 3.2 Betrieb mit der Sonne 3.4 Betrieb mit einer Halogenglühlampe im Parabolspiegel 3.5 Antrieb eines Generators 3.6 Betrieb als Wärmepumpe 3.7 Betrieb als Kältemaschine 1. Historisches Schon anfangs des 19. Jahrhunderts haben verschiedene Wissenschaftler Heissluftmotoren entwickelt. So hat 1816 Robert Stirling, ein schottischer Pfarrer, den ersten brauchbaren Heissluftmotor, eben den STIRLING-Motor gebaut. Ein Motor, der viele Vorteile bietet wie ruhiger Lauf, lange Lebensdauer und das Wichtigste, sehr geringe Umweltbelastung, wenn er mit Sonnenenergie betrieben wird. Zu seiner Zeit wurde die Wärme mit Holz oder Kohle erzeugt, d.h. der Betrieb eines solchen Antriebes war umständlich. Dies und sein relativ schlechter Wirkungsgrad waren die wichtigsten Gründe, dass er später vom Benzinmotor vollkommen verdrängt wurde. Zwischen 1850 und 1900 wurden aber Grossmaschinen mit über 30 PS sowie einige Schiffsantriebe nach diesem Prinzip gebaut. In jüngster Zeit wird wieder Forschung betrieben. Mit Hilfe der Sonnenenergie könnten z. B. in südlichen Ländern direkt Bewässerungspumpen oder Klein-Generatoren betrieben werden. 2. Funktion 2.1 Was ist ein STIRLING-Motor? Er gehört wir der Benzin- und Dieselmotor zu den Wärmemotoren. Allerdings entwickelt sich die Wärme nicht im Inneren wie z.b. beim Explosionsmotor, sondern sie wird von aussen zugeführt. Der STIRLING-Motor nutzt die physikalischen Tatsachen, dass sich Gase bei Erwärmung ausdehnen und bei Abkühlung zusammenziehen. Der Zylinder des STIRLING-Motors enthält eine bestimmte Menge Gas; bei unserem Motor ist es Luft. Es könnte auch Helium oder Wasserstoff (Wirkungsgrad) sein. Das Gas wird in einem Kreisprozess erhitzt und gekühlt. Stirling verstand es nun, das ins Gas gesteckte Arbeitsvermögen (Erwärmung, Abkühlung) so auf einen Kolben wirken zu lassen, dass ein kontinuierlicher wiederkehrender Arbeitsablauf entstand. ZT0096.DOC 2 / 7 05/03 HP

3 2.2 Warum Sonnenmotor STIRLING Das vorliegende Modell ist ein normaler STIRLING-Motor. ER wurde jedoch von Anfang an für den Einbau in einen Parabolspiegel konzipiert und kann damit Sonnenenergie als Wärmequelle nutzen. Selbstverständlich kann er auch mit anderen Wärmequellen (siehe 3.) betrieben werden. Mit Sonnenenergie ist er jedoch ein äusserst umweltfreundlicher Motor. 2.3 Querschnitt des Sonnenmotors STIRLING 2.4 Aufbau und Arbeitsweise Der markanteste Teil am STIRLING-Motor ist der Zylinder, der unterteilt ist in einen Kühlund einen Heizzylinder. Im Zylinder bewegen sich der Arbeits- und der Verdrängerkolben. Der Arbeitskolben liegt passend im Zylinder während dem der Verdrängerkolben mit grossem Spiel im Zylinder liegt. Beide Kolben sind mit je einer Pleuelstange an der Kurbelwellenscheibe befestigt. Die Befestigungspunkte sind um 85 versetzt, so dass sich die beiden Kolben zeitlich versetzt bewegen. Das angebaute Schwungrad verhilft der Einkolbenmaschine zu einem ruhigen Lauf. Der Wirkungsgrad ist bei einem Heissluftmotor direkt proportional der Temperaturdifferenz zwischen heissem und kaltem Teil. Hier sind natürliche Grenzen durch Aufbau (Wärmeaustausch) und Material (Wärmeleitfähigkeit) gesetzt. Bei unserem Modellmotor verlieren wir zudem über undichte Stellen (Gestängeführung) bei jedem Kolbenhub etwas arbeitsfähige Luft. ZT0096.DOC 3 / 7 05/03 HP

4 a) Betrachten wir die Arbeitsweise ab dem Zeitpunkt, bei dem der Verdrängerkolben im Kühlzylinderteil und die Kalte Luft im Heizzylinderteil liegt. b) Die Luft im Heizzylinder erwärmt sich, dehnt sich aus, strömt zwischen dem Verdrängerkolben und der Zylinderwand nach links in den Kühlzylinder und schiebt den Arbeitskolben nach links. c) Die Luft kühlt sich im Kühlzylinder ab Es entsteht ein Unterdruck, so dass der Aussendruck den Arbeitskolben nach rechts schiebt. Der Verdrängerkolben wird nach rechts geschoben und drängt die warme Luft in den Kühlzylinder. d.) Der Verdrängerkolben wird über die Kurbelwelle und Pleuelstange nach links gezogen und drängt die abgekühlte Luft wieder in den Heizzylinder, wo sie sich erneut erwärmt (weiterer Ablauf siehe b). 3. Anwendung 3.1 Allgemeines - Mit diesem Motor wird Wärmeenergie direkt in mechanische Energie umgewandelt. - Um den Motor in Gang zu bringen, muss der Heizzylinder (siehe 2.3) auf mindestens 250 erwärmt werden. - Es ist sinnlos, den Heizzylinder auf Rotglut zu erhitzen. Die zugeführte Wärme kann nicht in nützlicher Zeit abgeführt werden, der Motor frisst an! - Der Motor braucht in jedem Fall eine Starthilfe: Von Hand Schwungrad leicht drehen (im Uhrzeigersinn). - Erreichbare Drehzahl max U/min - Leistung an Schwungradachse: max. 4 W ZT0096.DOC 4 / 7 05/03 HP

5 3.2 Betrieb mit der Sonne Sonnenbrille nicht vergessen 1 PA1125 Doppelklemme 1 PA6039 Parabolspiegel Der Flansch am Parabolspiegel wird durch Lösen der drei Imbusschrauben entfernt und der STIRLING-Motor (mit den gleichen Schrauben) montiert. 3.3 Betrieb mit einer Gasflamme 1 PA1124 Doppelklemme 1 PA6026 Bunsenbrenner ZT0096.DOC 5 / 7 05/03 HP

6 3.4 Betrieb mit einer Halogenglühlampe im Parabolspiegel Dieser Versuch gelingt nur, wenn die beiden Spiegel horizontal und vertikal genau ausgerichtet sind und der Wendel der Halogenlampe im Brennpunkt liegt. Die Lampenfassung kann im Lampenrohr (mit etwas Kraft) verschoben werden!! 1 PA6040 Parabolspiegel, 1 Paar 1 PA7697 Lampenfassung mit Gelenk E27 1 PA7698 Halogenglühlampe 220V / 250W 3.5 Antrieb eines Generators 2 PA1124 Doppelklemme 1 PA6039 Parabolspiegel 1 PA8590 Motor / Generator 0...4,5V 1 PA7504 Motor / Generator 1 PA5031 Plattenhalter kurz 0...3V 1 PA7498 Multimeter 4 PA7307 Verbindungskabel 100 cm ZT0096.DOC 6 / 7 05/03 HP

7 3.6 Betrieb als Wärmepumpe Hierzu wird der Stirlingmotor angetrieben. Drehrichtung beachten! 2 PA1124 Doppelklemme 1 PA7505 Motor / Generator V 1 PA5031 Plattenhalter kurz 1 PA7184 / 7188 Netzgerät 2 PA7307 Verbindungskabel 100 cm Nach ca. 2 Min. Laufzeit ist der Heizzylinder (Nase) ca. 10 C wärmer als der Kühlzylinder. 3.7 Betrieb als Kältemaschine Versuchsaufbau wie bei Versuch 3.6, jedoch das Schwungrad in entgegengesetzter Drehrichtung antreiben. (Motorspeisung umpolen) Nach ca. 2 Min. Laufzeit ist der Heizzylinder (Nase) ca. 8 C kühler als der Kühlzylinder. ZT0096.DOC 7 / 7 05/03 HP