Der Thermoakustische Stirlingmotor

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1 Der Thermoakustische Stirlingmotor Eine Abhandlung und Anleitung Arne Hensel Physikkurs Herr Schwietering THS, Klasse 9c

2 Der Stirlingmotor und seine Funktionsweise Im Jahr 1816 entwickelte der 25-jährige schottische Pfarrer Robert Stirling eine wesentlich sicherere Alternative zu den damals verwendeten Hochdruck-Dampfmaschinen: Den Stirlingmotor. Bei diesem Motor war die Explosions-Gefahr wesentlich geringer, was besonders den Menschen, die in unmittelbarer Nähe der Motoren arbeiteten, zugute kam. Den ersten Motor baute der Geistliche aus einer großen Arztspritze als Kolben. Damals war der Stirlingmotor in kleineren Ausgaben mit unserem heutigen Elektromotor zu vergleichen, er fand überall Anwendung. Erst später begannen Hersteller wie Philips größere Motoren zu entwickeln, die heute von Privaten Haushalten genutzt werden können. Zunächst wurden mit diesen von Philips gebauten Motoren nur Röhrenradios versehen, später sogar Kleinwagen. Doch wie funktioniert solch ein Motor eigentlich? Das Arbeitsprinzips dieser Maschinen basiert auf einem Temperaturunterschied, also einer heißen und einer kalten Seite. Auf der heißen Seite wird ein Medium (meist ein Gas) erhitzt, es dehnt sich aus. Danach wird es von einem Verdrängerkolben, der nicht vollständig zur Zylinderwand abgedichtet ist, auf die kalte Seite geschoben, wo es sich zusammenzieht. In einem weiteren Zylinder, welcher vollständig abgedichtet ist, wird diese Volumenänderung in mechanische Energie umgewandelt. Man bezeichnet den Stirlingprozess als Kreisprozess, da das Medium zyklisch in einem geschlossenen Arbeitsraum hin- und herbewegt wird. Die durch die Expansion des Gases auf der heißen Seite hervorgerufene Druckdifferenz wirkt auf den Arbeitskolben, welcher sich dadurch auf und ab bewegt. Wird der Phasenwinkel des Verdrängers exakt auf die Bewegungen des Arbeitskolbens abgestimmt, erhält man eine Wärme-Kraft-Maschine.

3 Der Maximale Wirkungsgrad dieses Motors hängt von der Temperaturdifferenz zwischen heißer und kalter Seite ab. Durch ein einfaches Diagramm kann der Stirlingprozess plausibel dargestellt werden: Der Stirling-Kreisprozess1: 1Stempel, Ullrich E., Experimente mit dem Stirlingmotor, Franzis-Verlag Poing, 2010, Seite 16

4 Der Stirling-Kreisprozess2: (1) T3 zu T4: Die Luft wird im inneren der Stirlingmaschine im heißen Bereich erwärmt,... indem von außen Wärme zugeführt wird. Durch die Erwärmung dehnt sich die Luft aus (isotherme Expansion). [Der Arbeitskolben wird nach oben geschoben, wodurch auch der Verdränger bewegt wird.]... [Die Arbeit wird durch den Arbeitskolben am Schwungrad verrichtet.] Takt 4 (2) T4 zu T1:[ Durch die Massenträgheit des Schwungrads wird die Luft vom heißen in den Kalten Bereich geschoben, (isochore-abkühlung). Jetzt dient der Verdränger mit dem Regenerator... als Wärmespeicher. Der Arbeitskolben verändert seine Position in diesem Takt kaum. Durch abkühlen der Luft fällt der Druck in der Maschine.] Takt 1 (3) T1 zu T2: [Die Luft im Innern verrichtet nun solange Arbeit bis ein Druckausgleich mit der Atmosphäre stattgefunden hat. Die isotherme-kompression... erfolgt durch die Schwungmassedes Schwungrades...] Takt 2 (4) T2 zu T3: [Verdrängerkolben wird durch Schwungrad nach oben bewegt. Luft kommt aus dem kühlen Bereich in den heißen, eine isochore-erwärmung findet statt. Der Regenerator gibt...seine zuvor gespeicherte Energie wieder ab. Der Zyklus beginnt von neuem.] Takt 3 2 Stempel, Ullrich E., Experimente mit dem Stirlingmotor, Franzis-Verlag Poing, 2010, Seite 17

5 Der Carnot-Prozess 1824 entwickelte Sadie Carnot ein Modell zum Vergleich anderer Kreisprozesse. Er entdeckte, dass es sich bei der Arbeitsleistung einer Wärmekraftmaschine um einen periodischen Vorgang handelt : Überall wo ein Temperaturunterschied besteht, kann mit Hilfe einer Maschine Energie erzeugt werden. Dieser Satz wurde besonders durch einen speziell von der NASA entwickelten Niedertemperaturstirling (0-100 ) belegt, gebaut von Doktor Ivo Kolin, der schon bei Temperaturdifferenzen von 0.7 C arbeitet. Bei diesen Motoren ist die Fläche des Verdrängerzylinders wesentlich größer, im Bezug auf das Verhältnis zum Volumen, als bei Mittel- ( )oder Hochtemperatur- ( ) Stirlingmaschinen. Zurück zu Carnot: Beim Carnot-Prozess wird der größtmögliche Anteil der zugeführten Wärme in mechanische Arbeit umgewandelt. Diagramm des Carnotprozesses3, Der Carnot-Prozess besteht aus 2 Isothermen und 2 Isentropen. [1 zu 2=Verdichten,2 zu 3=heizen, 3 zu 4= Entspannen, 4 zu 1= Kühlen.] 3 Stempel, Ullrich E., Experimente mit dem Stirlingmotor, Franzis-Verlag Poing, 2010, Seite 16 Kübler Kuno, Werdich Martin, Stirling-Maschinen, ökobuch-verlag Staufen bei Freiburg, 8. Auflage 2001, Seite 22

6 Thermoakustischer Stirlingmotor Nachfolgend wird beschrieben, warum der Thermoakustische Stirlingmotor sich nur bedingt mit einem echten Stirling vergleichen lässt. Der Erste Thermoakustische Stirlingmotor wurde 1999 von Gregory Swift und Scott Backhaus entwickelt. Sie machten ihre Entdeckung am Los Alamos National Laboratory in New Mexico. Das Prinzip ist ähnlich wie bei einem Stirlingmotor, denn es wird Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt. Arbeitsleistung wird bei diesem Motor jedoch etwas anders gewonnen: Durch einen Resonator welcher durch Hitze zu Schwingungen einer bestimmten Frequenz angeregt wird, baut sich eine stehende Welle auf, die an einem einzigen Kolben reflektiert wird und diesen ebenfalls in Schwingungen versetzt. Der Resonator hat aber auch noch eine andere Aufgabe, denn er fungiert gleichzeitig als Regenerator. Das bedeutet, dass der Regenerator die Leistung durch zyklische Expansion und Kompression des Arbeitsmediums weiter steigert. So wirken die akustische Welle, die sich in der ringförmigen Röhre ausbreitet und die Volumenänderung des Mediums auf den Kolben. Natürlich kann dieser Prozess auch umgekehrt werden und mit Hilfe der Kinetischen Energie einer akustischen Welle von Außen der Motor betrieben werden. Somit lassen sich Wärmepumpen und Kältemaschinen entwickeln. Hierbei wird ein einfacher Grundsatz der Thermodynamik genutzt: Kompression erzeugt Wärme Expansion erzeugt Kälte. Die Laufrichtung des thermoakustischenstirlings spielt keine Rolle, sie entscheidet sich auch erst kurz vor dem Start, da der Stirling sich erst einpendelt und nach dem Überschreiten des oberen oder unteren Totpunkts die Richtung feststeht.

7 Die Kraft-Wärme-Kopplung Fast jeder hat schon einmal den Begriff Kraft-WärmeKopplung gehört, doch was versteht man unter einem derartigen Begriff? Zurzeit wird ein großer Anteil unseres Stroms durch sog. Thermische Kraftwerke erzeugt, die Wärme in elektrische Energie umwandeln können. Das Problem dabei ist, dass ein großer Teil der Energie ungenutzt als Abwärme verloren geht. Schließlich werden nur 30-50% der Energie umgewandelt. Als gutes Beispiel einer Kraft-Wärme-Kopplung wird hier der Stirlingmotor vorangehen. Er ist zwar auch ein Thermisches Kraftwerk, lässt sich jedoch nahe dem Menschen, z.b. im Wohnhaus einsetzen. Dies hat zur Folge, dass Strom und gleichzeitig die Abwärme genutzt werden können. In diesem Fall wird Strom als Kraft gewertet (und Abwärme als Wärme) weshalb man diese Kombination als Kraft-WärmeKopplung bezeichnet. Vorteile eines Stirlingmotors Im Gegensatz zu anderen Verbrennungsmotoren hat der Stirling einige Vorteile, die ihn für verschiedenste Anwendungen sehr attraktiv machen:

8 Äußere Verbrennung/Wärmequelle Durch die Äußere Verbrennung wird die Druckkammer keinen plötzlichen und übermäßigen Belastungen ausgesetzt, was die Lebensdauer erheblich verlängert. Dadurch emittiert solch eine Maschine kaum Geräusche und Schadstoffe. Dies hat zur Folge, dass entsprechende Dämpfungs-- und Filtersysteme entfallen und das Getriebe wesentlich leichter ausgeführt werden kann. Vielstofffähigkeit Da für den Betrieb eines Stirlingmotors nur eine Temperaturdifferenz erforderlich ist, kommen für den Antrieb feste-, flüssige-, gasförmige- Brennstoffe, Termalenergie, Sonnenenergie, Wärmespeicher und Kernenergie in Frage, also alle Wärmeenergie erzeugenden Quellen. Geschlossenes System Einen weiteren Vorteil besitzt der Stirling dadurch, dass sich viele verschiedene Arbeitsmedien einsetzen lassen(luft, Wasserstoff, Helium...), was diese Maschine auch ökologisch betrachtet interessant macht( FCKW freier Kühlschrank). Des weiteren gelangen keine von der Verbrennung hervorgerufenen Rückstände in den Motor, die den Verschleiß erhöhen könnten oder die Funktion behindern. Der Einsatz von Keramik Keramik hat mehrere Vorteile, bei einer Massenproduktion ist dieser Stoff sehr kostengünstig und zudem erhöht es die Temperaturdifferenz dadurch, dass die Wärme schlecht geleitet wird. Auch Reibungsarmut zählt zu den Vorteilen. Der Einsatz von Keramik wird dadurch begünstigt, dass Kolben und Zylinder keinen schlagartigen Belastungen ausgesetzt sind. Keramik wird bei Verwendung meist in der Heizzone

9 eingesetzt, da dort die Passgenauigkeit der Teile, durch äußere Wärmezufuhr, vernachlässigt werden kann. Durch die angeführten Vorteile einer Glas-Keramischen Ummantelung kann der Wirkungsgrad eines Stirlingmotors erheblich erhöht werden. Abwärme-Nutzung Da, nach Carnot, überall dort wo eine Temperaturdifferenz besteht Energie erzeugt werden kann, entwickelten Forscher aus der ganzen Welt Niedertemperaturstirlingmaschinen, die sich mit geringer Sonneneinstrahlung oder Abwärme betreiben lassen. So kann sonst nutzlose Energie Beispielsweise eines Kühlschranks oder einer Heizung noch sinnvoll genutzt werden und auch andere Bereiche mit geringer Energiedichte. Hohe Laufruhe Durch die äußere Verbrennung und somit das Fehlen von Druckspitzen kombiniert mit der Verwendung eines gut konstruierten Getriebes, z.b. ein Rhombengetriebe, kann eine äußerste Schwingungsarmut erreicht werden. Viele Einsatzmöglichkeiten Fast jeder Verbrennungsmotor kann durch einen Stirlingmotor ersetzt werden. Er findet Anwendung als Blockheizkraftwerk, Boot, U-Boot Antrieb, Generator, Kühlaggregat, Wasserpumpe und Kühlschrank. Außerdem wurden bereits PKW und LKW Prototyp Antriebe entworfen, sowie für Raumfahrt, Bergbau und einfachste Motoren für Entwicklungsländer. Auch künstliche Herzen, Kälte-und Vuilleumiermaschinen können den Stirlingprozess nutzten.

10 Hoher Wirkungsgrad Der Theoretische Wirkungsgrad des Stirlingprozesses liegt bei 42%. Dieser ist höher als bei Diesel-, Otto- oder Benzin- Motoren mit ca.37%. Dieser Idealwert ist in der Realität jedoch viel geringer (Reibungsverluste, Wärmeverluste, Druckverluste). Durch eine Kraft-Wärme-Kopplung wurden Wirkungsgrade von 90% erzielt. Wartungsarm Durch seine relativ einfache Bauweise und Aufgrund seiner Verhältnismäßig wenigen beweglichen Teile, das vorliegende geschlossene System, welches ein hermetisches abriegeln des Motorgehäuses ermöglicht, seine hohe Laufruhe und dem meist ölfreien Betrieb, entfallen aufwendige Wartungsarbeiten. Je nach Typ und Ausführung kann für diese Aussage nur eingeschränkt garantiert werden.

11 Nachteile Natürlich hat jede Technik auch einen Haken, schließlich ist auch der Stirlingmotor kein Perpetuum Mobile. Nachfolgend werden einige der entscheidensten Probleme der Stirlingtechnik beschrieben. Leckverluste An den Stellen, wo die mechanische Energie von innen aus dem geschlossenen System nach außen geführt werden muss, kommt es zu Druckverlusten. Dies trifft im Bereich des Arbeits-und Verdrängerkolbens zu sowie ihren Durchführungen. Bei Leckverlusten verringert sich der Druck des Arbeitsmediums und somit auch der Wirkungsgrad. Reibungsverluste An jedem beweglichen Teil des Motors entsteht, und sei sie noch so gering, Reibung. Durch supraleitende Magnetlager kann dieser Faktor jedoch auf ein minimum reduziert werden. Strömungsverluste Durch die Bewegung des Verdrängerzylinders durch das Arbeitsmedium werden Verwirbelungen hervorgerufen, sowie durch die Bewegung des Arbeitsmediums durch den Regenerator oder Resonator. Mit dem Wirkungsgrad steigen auch die Verwirbelungen und somit die Strömungsverluste. Es kann also nie im heißen/kalten Raum die Idealtemperatur herrschen, sondern sie weicht immer geringfügig ab (heißer/kälter als ideal). Toträume Auch wenn die Totraumvolumina so gering wie möglich gehalten werden, sind sie vorhanden. Als Totraum bezeichnet man einen Raum in dem das Arbeitsmedium weder gekühlt noch erhitzt wird,also überschüssiges Volumen. Toträume befinden sich z.b. in der Verbindung zwischen

12 Verdrängerzylinder und Arbeitszylinder sowie im Regenerator bzw. Resonator. Wärmeverluste Es gibt am Übergang von Hitzequelle zu Verdrängerzylinder einen Wärmeverlust sowie am Verdrängerzylinder selbst. Verzögerter Wärmefluss Bei steigender Drehzahl wird der Zyklus von Kompression und Expansion immer mehr beschleunigt. Die Folge: Die im Medium/Regenerator gespeicherte Wärmeenergie kann nicht mehr schnell genug abgegeben bzw. aufgenommen werden. Durch die hohe Gasgeschwindigkeit wird somit die isotherme Zustandsänderung erschwert. Schließlich sinkt der Wirkungsgrad, da der Kühler eine größere Wärmemenge abgibt als im idealfall und somit über den Erhitzer mehr Energie zugeführt werden muss.

13 Komponenten: 1Basisplatten: Untere und obere Grundplatte (heiß und kalt), möglichst gut wärmeleitend. 2Verdränger: In dem Verdrängerzylinde bewegt sich der Verdrängerkolben auf und ab und schiebt das Gas zwischen heiß und Kalt hin und her. Am Ende des Verdrängerzylinders befindet sich die Hitzequelle, am Anfang der Kühler. 3Kurbelwelle: Die Kurbelwelle koppelt die mechanische Energie der Zylinder an das Schwungrad. 4Die Pleuel: Sie stellen die Verbindung zwischen Arbeitsbzw.Verdrängerzylinder und Kurbelwelle dar.sie wandeln die gerade Bewegung der Zylinder in eine kreisförmige Bewegung um. 5Schwungrad: Es dient durch seine Massenträgheit als kurzzeitiger Energiespeicherum den oberen und unteren Totpunkt der Kolben zu überwinden. 6Arbeitszylinder und Kolben: Der Arbeitskolben bewegt sich im Arbeitszylinder durch die Druckschwankungen auf und ab. An ihm kann mechanische Energie entnommen werden( über Pleuel, Kurbelwelle und Schwungrad).

14 Typen4 [Natürlich kann man die eben aufgeführten Komponenten eines Stirlings in verschiedener Art und Weise anordnen.diesen verschieden Systemen widmet sich das nächste Kapitel. Zunächst unterscheidet man zwischen einfach wirkenden Motoren, bei denen nur eine Seite der beiden Kolben (Verdränger und Arbeitskolben) die Druckschwankungen wahrnimmt, und doppelt wirkenden Motoren. Bei diesen Maschinen werden die Aufgaben von Verdränger- und Arbeitskolben von allen System internen Kolben übernommen.] 4 Quelle: Stirlingmaschinen,Martin Werdich, Kuno Kübler

15 Einfachwirkende Motoren5 [Alpha-Typ Bei diesem Typ kann es zu Dichtungsproblemen kommen, da einer der beiden Kolben im heißen Raum läuft. Jeder Kolben ist in einem eigenen Zylinder untergebracht...] Varianten: 5Kübler Kuno, Werdich Martin, Stirling-Maschinen, ökobuch-verlag Staufen bei Freiburg, 8. Auflage 2001, Seite 39

16 [Beta-Typ6 Bei dem Beta-Typ befinden sich beide Kolben in einem Zylinder... Hierbei lässt sich ein höheres Verdichtungsverhältnis erreichen. Desweiteren kann durch einen exakten Masseausgleich mithilfe eines Rhombengetriebes völlige Schwingungsfreiheit gewährleistet werden...] Varianten: 6Kübler Kuno, Werdich Martin, Stirling-Maschinen, ökobuch-verlag Staufen bei Freiburg, 8. Auflage 2001, Seite 40

17 [Gamma-Typ7 Beide Kolben laufen in einzelnen Zylindern,... die Zylinder können sehr vielfältig angeordnet werden.]... Varianten: 7Kübler Kuno, Werdich Martin, Stirling-Maschinen, ökobuch-verlag Staufen bei Freiburg, 8. Auflage 2001, Seite 41

18 Doppeltwirkende Motoren8 [Als Beispiel dient hier der Franchot Stirlingmotor(1853) nach Finkelstein,der durch seine vier variablen Volumina als zwei seperate Alphamaschinen gewertet werden kann... Einen wunden Punkt bilden hierbei die Dichtungen auf der heißen Seite.]...[Um die Leistung der Motoren zu erhöhen, ist es natürlich möglich, mehrere Zylinderpaare hintereinander in Reihe zu schalten. Die Anzahl ist dabei unbegrenzt.] 8Kübler Kuno, Werdich Martin, Stirling-Maschinen, ökobuch-verlag Staufen bei Freiburg, 8. Auflage 2001, Seite 42

19 Freikolben-Stirlingmaschinen Bei einem Freikolben Stirling ist der Arbeitskolben, der Verdränger und die Umgebung nicht mechanisch miteinander verbunden. Die Kolben schwingen also frei (im Idealfall sinusförmig). Die mechanische Verbindung (Pleuel, Kurbelwelle) wird durch ein federndes/dämpfendes System im inneren des Motors ersetzt. Angewandt wird dieses Prinzip bisher nur bei Modellmotoren im Niedertemperaturbereich. Da diese Motoren von Natur aus sehr wenig Kraft haben, wurde ein System entwickelt, bei dem das Bewegen des Verdrängerzylinders nicht unter die Aufgabe des Schwungrades fällt. Der Verdränger wird mithilfe einer Feder in einer Neutrallage gehalten. Durch die Druckschwankungen im inneren des Zylinders, die auf den Verdränger wirken, bewegt sich dieser nun auf und ab.bei thermoakustischen Motoren wird der Arbeitskolben durch kein Pleuel mit einem Schwungrad verbunden, sonder er schwingt mit der jeweiligen Frequenz der stehenden Welle mit, vorausgesetzt er ist leicht genug und die Reibung ist nicht zu hoch. Um trotzdem Energie zu entnehmen ist es möglich im inneren des Arbeitskolbens einen Permanentmagneten anzubringen und um die äußere Zylinderwand eine Spule zu legen. Durch Influenz kann so Strom erzeugt werden. Diagramme von der möglichen Zylinder Anordnung bei Freikolben-Stirlingmaschinen.9 9Kübler Kuno, Werdich Martin, Stirling-Maschinen, ökobuch-verlag Staufen bei Freiburg, 8. Auflage 2001, Seite 44, 45

20 Im folgenden werden drei meiner bisher realisierten Modellmotoren vorgestellt.

21 Modell 1 Das hier vorgestellte Modell ist ein Thermoakustischer-Heißluftmotor. Er wurde mit einfachsten Mitteln und Materialien gebaut und entwickelt. Benötigte Werkzeuge: -Handbohrmaschine (besser Ständerbohrmaschine) -Schlüsselfeilen -Eisenraspel -Bohrersatz 1-10mm -Schraubstock -Diverse Schraubendreher -Diverse Schraubenschlüssel - Vernünftige Eisensäge -Körner -Hammer -Kneifzange Benötigte Materialien: -Pleuel: Fahrradspeiche, Kupferdraht, Lüsterklemmen -Lager: Kugellager aus Modellbau,Gleitlager aus Nähmaschine -Befestigung: Schrauben,Winkel,AluBlech(3mm),Vierkantholz, Aluprofilleiste Schwungrad Inlinerrolle Resonator/Regenerator Topfkratzer Grundplatte Holz Dichtung Reagenzglasstopfen Arbeitszylinder Airpot 160P (Musterexemplar)

22 Modell 1 Die Grundplatte wurde aus Holz gefertigt,da es relativ stabil ist, viele Befestigungsmöglichkeiten bietet und leicht zu bearbeiten ist. Der Arbeitszylinder/Kolben Es wurde ein kostenloses Muster der Firma Koehr genutzt, da nicht die Möglichkeit bestand, einen derart leichtgängigen und dennoch dichten Kolben zu fertigen. Der Koehr-Luftzylinder besitzt einen Graphitkolben und Präzisionsglaszylinder mit sehr geringer Ausdehnung bei Wärmezufuhr. Der Erhitzerraum wurde aus einem Reagenzglas hergestellt, da es sehr dünnwandig ist, die Wärme schlecht leitet (begünstigt Temperaturgefälle) und kostengünstig ist. Regenerator/Resonator Einen Topfkratzer umzufunktionieren ist einfach und finanziell nicht belastend. Dichtungen Reagenzglasstopfen sind günstig, hitzeunempfindlich, elastisch verformbar und relativ weich(anschmiegsam). Schwungrad Eine Inlinerrolle ist gut gelagert, ausgewuchtet und bietet durch weiches Material nahezu unendlich viele Möglichkeiten der Befestigung.

23 Montagematerial Neben diversen Schrauben wird ein hoher AluWinkel(mindestens 4mm stark) als Befestigung für den Erhitzerraum(RG) benötigt, Alu-Blech um den Arbeitszylinder an den RG-Stopfen zu pressen(mindestens 3mm für genügend Stabilität), ein Vierkantholz als Lagerblock für das Schwungrad, eine AluProfilleiste als Hebel um die Kraft des Luftzylinders auf das Schwungrad zu übertragen. Es wurde mit dieser Umlenkung gearbeitet, um zu gewährleisten, dass der Arbeitspleuel nur einen geringen Radius beschreiben muss, also nicht im inneren des Zylinders an die Zylinderwand stößt. Vorteile: -leicht zu beschaffene Materialien -geringer Aufwand -schnelles Erfolgserlebnis Nachteile: -niedrige Leistung -optisch nicht ansprechend -hohe Geräusch Emission -hohe Reibung In der folgenden Tabelle werden die wichtigsten Daten des Modells 1 aufgelistet. Daten: Komponenten Art Grundplatte Holz (30cm*45cm) Regenerator/Resonator Topfkratzer(Edelstahl) 8gr.

24 Erhitzerraum Reagenzglas 12,5cm lang 14mm innen D. Pleuel-Arbeitszylinder Fahrradspeiche 2,5mm D. Am Ende Ösen aus Kupferdraht um Kugellager einzuklemmen Befestigung Arbeitszylinder-RG Alu-Platte (3mm) mit Schrauben und Muttern angepresst Arbeitszylinder-Kolben Airpot 160P Luftzylinder (koehr.de) Montageort Arbeitszylinder Gegenüber von RG, fluchtend Verbindung Pleuel-Arbeitszylinder Buchse mit Kugelgelenk Dichtung RG-Stopfen mit 13mm Bohrung in den das RG ohne Wulst eingepresst wurde Hub Variabel durch verschieben des Exzenters auf Schwungrad Schwungrad Inlinerrolle (9,5cm D.) doppelt kugelgelagert Schwungradmasse ca. 110gr Ausgleichsmasse Schraube mit Mutter(n) Besonderheiten Indirekte Kraftübertragung durch Umlenkung mit einem Hebel Drehzahl mit Kerze - Drehzahl mit Brennpaste ca.300u/min Drehzahl mit Spiritusbrenner ca.200u/min

25 Im folgenden werden Bilder dieses ersten Modells gezeigt um sich ein besseres Bild seiner Funktionsweise machen zu können und den Nachbau zu erleichtern. Modell 1 von oben Der Arbeitszylinder angekoppelt an den Hebel

26 Arbeitszylinder und Erhitzer Erhitzerraum und Brenner

27 Der Hebel von oben Hebellagerung: Ein Gleitlager aus einer Nähmaschine

28 Das Schwungrad, nicht besonders hübsch, erfüllt aber seine Pflicht

29 Modell 2 Bei diesem Modell wurden die gleichen Komponenten wie bei Modell 1 verwendet. Die einzige Weiterentwicklung besteht darin, dass der Hebel zur Kraftumlenkung entfernt wurde und der Hub des Arbeitskolbens so verringert wurde, dass dessen Pleuel dennoch nicht an die Innenwand des Arbeitszylinders stößt. Das Ziel war durch verringern der Reibung einen Leistungsanstieg zu erreichen. Nach vielfachen Testläufen, bei denen kein messbarer Leistungsanstieg erfolgt war und die Drehzahl des Motors immer weiter abnahm, bis auf ca.50-60u/min wurde die Testphase beendet. Der Grund für dieses schlechte Ergebnis ist höchstwahrscheinlich auf den stark verringerten Hub zurückzuführen.(der Hub wurde von 4cm auf 1,5cm verringert. Aufgrund der schlechten Ergebnisse die mit diesem Modell erzielt wurden soll jedoch nicht näher auf die Bauweise und das System an sich eingegangen werden. Einzig ein Bild zum Besseren Verständnis des Lesers sei gegeben. (leider ist das Bild etwas unscharf)

30 Modell 3 Modell 3 ist der bisher Leistungsfähigste Motor, der aus den Vorgängern Modell 1 und Modell 2 durch Weiterentwicklung und Verbesserung hervorgegangen ist.auf diese Variante soll etwas ausführlicher eingegangen werden, da sich mit dieser Maschine einige interressante Experimente zur Leistungsmessung und Thermodynamik veranschaulichen lassen sowie in den Themenbereich der Schwingungen und Wellen eingeführt werden kann. Werkzeugliste: -Handbohrmaschine (besser Ständerbohrmaschine) -Schlüsselfeilen -Eisenraspel -Bohrersatz 1-10mm -Schraubstock -Diverse Schraubendreher -Diverse Schraubenschlüssel - Vernünftige Eisensäge -Körner -Hammer -Kneifzange -Schleifpapier -Schieblehre -Holzsäge -Bleistift -Rechterwinkel

31 Modell 3 Materialliste und Komponenten Grundplatte Holz (15cm*50cm) Arbeitszylinder Airpot 160P Luftzylinder Dichtungen Kombination aus O-Ringen und Fahrrad Schlauch Schwungrad Festplattenlaufwerk mit kleiner Vynylplatte Arbeitspleuel Fahrradspeiche Verbindung Arbeitspleuel/Schwungrad Plexiglas in das ein Kugellager eingepresst und die Speiche eingeschmolzen wurde Kurbelwelle Lagerstift des FestplattenLesekopfes Erhitzerraum RG(14mm innen D.) 10,5cm lang Regenerator/Resonator Stahlwolle 00-2 Befestigung der Druckeinheit Alu-Profilleiste,Alu-Winkel, Schrauben Befestigung des Schwungrades Alu-Profilleiste,Alu-Winkel, Schrauben

32 Montagematerial: Schrauben 8mal 6mm*30mm Schlüsselholzschrauben 8mal 5mm*15mm Eisenschrauben 2mal 4mm*25mm Eisenschrauben 1mal 3mm*25mm Eisenschrauben (jeweils mit Muttern) Alu-Winkel 4mal 3cm breit 3mm stark 6cm hoch 4cm tief Alu-Platte 2mm stark, 3cm*6cm Aluprofilleiste Front 3cm breit Backen 3cm breit 3mm stark 21cm lang Schallplatte ca.17cm D. Festplattenmotor Mit Scheiben und Distanzring Plexiglas 4cm*4cm Lagerstift Von Lesekopfhalterung

33 Bauanleitung Modell 3 Zunächst widmen wir uns der Grundplatte. Als Material eignen sich fast alle Hölzer, wobei Buchenmultiplex-Sperrholz optisch sehr ansprechend ist und eine hohe Stabilität besitzt. Benötigt wird ein 15cm x 50cm großes Brett mit einer Stärke von knapp 35mm. (Natürlich lassen sich auch zwei Bretter aufeinander schrauben.) Das Brett muss so dick sein, um Stabilität zu gewährleisten und einen sicheren Stand der einzelnen Komponenten zu garantieren. Das Brett kann man sich in einem Heimwerkermarkt zuschneiden lassen oder selbst zur Feinsäge greifen. Als nächstes wird die Halterung des Arbeitszylinders und der Druckkammer hergestellt. Dafür benötigen wir einen 9cm langes Stück unserer Aluprofilleiste, das wir mit der Eisensäge möglichst in einem rechten Winkel absägen. Dazu messen wir genau 9 cm ab, zeichnen den Sägeschnitt mit Hilfe von Bleistift und rechtem Winkel vor und beginnen dann langsam und ohne großen Druck zu sägen. Nun nehmen wir das fertige Stück und entgraten die Sägekante vorsichtig mit einer Eisenfeile. Jetzt werden die für die Durchführung und Befestigung des Reagenzglases benötigten Löcher angefertigt. Dazu zeichnen wir genau in der Mitte (1,5 cm zu beiden Seiten) der Frontseite eine Gerade über die Profilleiste.

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35 Nun werden die zu bohrenden Löcher angezeichnet. Das erste Loch im Abstand von 1 cm zum oberen Rand und je 1,5 cm zu beiden Seiten. Das zweite Loch wird 5 cm vom oberen Rand, wieder mittig aufgezeichnet. An diesen beiden Stellen wird nun angekörnt, um dem Bohrer Halt zu bieten und ein 4 mm Loch gebohrt. Diese Löcher dienen später als Aufnahme der Spanvorrichtungsschrauben der Dichtungen. Das dritte Loch wird 30mm vom oberen Rand mittig aufgezeichnet, angekörnt und mit einem 10mm Bohrer aufgebohrt. Durch dieses Loch wird später das RG gesteckt. Damit das Glas hindurchpasst muss das Loch nun auf 15mm vorsichtig und langsam mit einer runden Schlüsselfeile aufgefeilt werden. Es ist hilfreich, nicht einfach drauflos zu feilen, sondern vorher den genauen Radius aufzuzeichnen und beim Arbeiten öfters zu kontrollieren. Die Verbindung zwischen RG und Arbeitskolben ist ein wenig kompliziert. Sie muss möglichst dicht sein, darf aber nicht zu viel Druck auf das Glas ausüben. Wir verwenden hierfür das kleine Alu-Plätchen (30x60mm). In diese Platte werden wieder 10mm vom oberen und 10mm vom unteren Rand nach dem oben beschriebenen Verfahren 2 Löcher mit jeweils 4mm Durchmesser gebohrt. Genau in die Mitte wird ein 10mm Loch gebohrt. Durch dieses Loch wird später der Luftzylinder mit einer Dichtung geführt und von der anderen Seite mit einer Kontermutter befestigt.

36 Wie wird diese Verbindung nun abgedichtet? Dafür benötigen wir 3 schwarze, relativ weiche Gummidichtungen aus dem Sanitärbedarf. Der Innendurchmesser beträgt 15mm, außen 24mm. Sie sind ca. 1,6mm stark und hitzeunempfindlich. Dazu ein Stück Fahrradschlauch, ca. 33x33mm und zwei Stücke weiches Gummi oder Mosgummi, zusammen mindestens 4mm dick. Zunächst werden in das weiche Gummi / Mosgummi Löcher geschnitten, die den Außendurchmesser des RG haben, sich also bis nach vorne zum Wulst schieben lassen, nicht jedoch darüber. Diese beiden Scheiben schiebt man nun bis nach vorne an den Rand des RG, danach einen der ODichtungsringe. Dieses Gummi-Sandwich dient zur Dämpfung und soll verhindern, dass das RG in den nachfolgenden Schritten sowie im späteren Betrieb zerbricht.

37 Dieser Teil wird nun durch das 15mm Loch der U-Schiene geschoben und zu ca. ¾ mit Stahlwolle befüllt. Nun ist die Kontermutter und die Unterlegscheibe vom Luftzylinder zu entfernen und statt dessen einer der O-Ringe aufzulegen. Man drückt jetzt den Hals mit Gewinde durch das Loch in der Aluplatte und schraubt von der anderen Seite die Kontermutter auf.

38 Als nächstes wird über die Kontermutter des Luftzylinders ein O-Ring gelegt. Als eigentliche Dichtung wird jetzt das Stück Fahrradschlauch zurechtgeschnitten: Es wird auf die richtige Größe gebracht und mit einem 11mm großen Loch versehen. Das Stück

39 Fahrradschlauch legen wir jetzt zentriert auf den Rand des RG und pressen mit der anderen Hand die Aluplatte mitsamt Luftzylinder darauf. Durch die nun übereinander liegenden Löcher in der Aluplatte werden zwei 4mm Schrauben gesteckt und mit Muttern befestigt. Je nachdem wie stark man die Muttern anzieht, lässt sich der Anpressdruck variieren.

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41 Der nächste Schritt ist die Verbindung zwischen Grundplatte und Halterung des Heizraums mit Arbeitszylinder.Hierfür werden zwei der 4 Aluwinkel benötigt. Als erstes werden auf beiden Seiten zwei Löcher je 5mm gebohrt: Das Erste 40mm vom oberen Rand,das Zweite 70mm vom oberen Rand, beide mittig. In alle vier Winkel werden in die senkrecht zur Grundplatte stehende Fläche 2 Löcher je 5mm gebohrt wieder mittig. Eines 1cm vom oberen Rand, das andere Loch 4cm vom oberen Rand. In die Standfläche des Winkels werden zwei Löcher je 6mm gebohrt: Loch 1=8mm vom rechten Rand/10mm vom unteren Rand Loch 2=25mm vom unteren Rand/8mm vom linken Rand Die Winkel werden nun von beiden Seiten mit Schrauben an die Halterungen geschraubt.

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43 Das Schwungrad Aus einer Festplatte wird der Motor mit Speicherscheiben ausgebaut. Man geht dabei wie folgt vor: -Gehäuse vorsichtig und ohne Gewalt öffnen -Magnete entfernen Bei dem Entfernen der Magnete ist Vorsicht geboten. Die Magnete sind so stark, dass man sich die Finger quetschen kann. -Lesekopf entfernen -Schrauben auf der Oberseite des Motors lösen -Alu-Scheiben und Distanzring entfernen -Schrauben auf der Unterseite des Motors lösen -Motor aus Gehäuse pressen und entnehmen Die Befestigung des Schwungrades wird aus dem 13cm langen Rest der Alu-Leiste und den zwei verbliebenen Winkeln gefertigt. In die Alu-Leiste werden 80mm und 110mm vom oberen Rand 5mm Löcher gebohrt. Nun können die zwei Winkel angeschraubt werden.

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45 Der Festplattenmotor wird ebenfalls mit Schrauben befestigt. Meist besitzt dessen Gehäuse-Boden 3 Bohrungen im Winkel von 120 zueinander. Diese sind für die Befestigung jedoch ungeeignet. Wir zeichnen deshalb genau 180 gegenüber von einem dieser Löcher an und bohren mit dem gleichen Durchmesser der schon im Gehäuse vorhandenen Löcher. Bei all diesen Arbeiten ist sorgsam mit dem Motor umzugehen und darauf zu achten, dass sich das Motorengehäuse nicht verzieht oder anders beschädigt wird.

46 Durch die Alu-Leiste werden nun passende Löcher zur Befestigung gebohrt. Hier können keine Maßangaben gemacht werden, da sich der Abstand und Durchmesser der Löcher nach dem Hersteller der Festplatte richtet. Wichtig dabei ist, Eine Aussparung für alle aus dem Motorboden hervorstehenden Teile (z.b.achse, Kontakte) in die Leiste zu bohren feilen, um beim Spannen der Schrauben ein Verziehen des Motorgehäuses zu unterbinden. Bei Modell 3 wurden zusätzliche Abstandshalter aus 3mm AluminiumBlech gefertigt, sodass die Belastung nur auf dem äußeren Ring des Motorgehäuses liegt und die Motorleistung nicht beeinträchtigen kann.

47 Der Motor kann nun an die Aufhängung geschraubt werden, jedoch ohne die Alu-Scheiben.Der Abstand den das Exzenter vom Mittelpunkt des Schwungrads hat, gibt die Hälfte des Hubs des Arbeitskolbens an (2,5cm außerhalb des Mittelpunktes =5cm Hub). Wir bohren ein Loch durch eine der Aluscheiben, durch das sich das Ende mit Gewinde des Lesekopf Lagerstiftes stecken lässt. Auf der anderen Seite wird der Stift mit einer möglichst flachen Kontermutter befestigt. Auf den Festplattenmotor wird jetzt der Distanzring aufgelegt, die erste Alu-Scheibe, die Vynylplatte, die zweite Alu-Scheibe. Das ganze wird schief sitzen und wackeln, da die Kontermutter auf der Vynylplatte aufliegt. Wir nehmen deshalb die beiden Scheiben wieder ab und feilen mit einer runden Schlüsselfeile von der Mitte ein Langloch in die Schallplatte um platz für die Mutter zu schaffen.

48 Jetzt sollte sich alles problemlos aufeinander schieben lassen, und kann montiert werden.(wenn die Mutter zu dick ist muss gegebenenfalls auch durch die zweite Alu-Scheibe gebohrt werden, diesmal mit dem außen Durchmesser der Mutter.)

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50 Das Schwungrad und die Arbeitseinheit sind nun fertiggestellt und funktionsfähig. Was fehlt, ist eine Verbindung zwischen diesen beiden Komponenten: Der Arbeitspleuel. Dieser muss verlängert werden damit der schon im Kolben vorhandene Pleuel in einem flacheren Winkel geführt wird und nicht die Glaswand des Arbeitszylinders beschädigt. Die Pleuel-Verlängerung wird aus der Fahrradspeiche und dem Plexiglas sowie den Kugellagern gebaut.zunächst sucht man sich in einem Modellbaugeschäft ein Kugellager, dass sicher auf unserem Exzenterstift sitzt und nicht wackelt. Dann wird auf demplexiglas eine Tropfenform aufgezeichnet, die rundherummindestens 3mm größer als das Kugellager ist. In diesen Tropfen wird ein Loch mit dem Außendurchmesser des Kugellagers gebohrt und selbiges eingepresst (vorher unbedingt in Holz testen). Wenn dies nicht möglich ist, das Loch 0,5mm kleiner bohren und vorsichtig auffeien. Die Fahrradspeiche nun auf 155mm kürzen und das Ende ohne Gewinde ca. 10mm in den Tropfen einschmelzen.(vorher kleiner vorbohren, bei 2,5mm=2mm bohren). Für die Verbindung von Pleuel und Fahrradspeiche wird ein kleines Rechteck hergestellt(20x10mm), welches auf einer Seite 10mm tief und 1mm breit eingesägt/feilt wird. 6mm vom oberen (langen) Rand und 3mm vom rechten Rand wird ein 3mm Loch gebohrt. Nun das Ende mit Gewinde einschmelzen. Anstatt aus Plexiglas kann man die Verbindung auch aus Aluminium herstellen. Das erhüht die Lebensdauer und reduziert Kraftverluste durch wegfedern des Pleuel oder Spiel in der Verbindung. Bei der Weiterentwicklung von Modell 3 wurde solch eine Verbindung aus Aluminium verwendet. Dazu wurde ein Massivesstück Alu aus einem Festplattengehäuse gesägt, mit einer entsprechenden Bohrung versehen und die Speiche mit Gewinde eingeschraubt.(siehe Anhang) Der Arbeitspleuel ist nun fertiggestellt.

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52 Die Öse am Ende des Pleuels vom Luftzylinder wird nun in den Schlitz gesteckt und mit einer Schraube,die durch das gebohrte Loch gesteckt wird,und mit Muttern befestigt. Jetzt das Kugellager auf den Exzenterstift aufstecken. Der nächste Schritt besteht darin, den Abstand von Schwungrad zu der Druckeinheit zu bestimmen. Dazu werden die beiden Komponenten soweit auseinander bewegt, bis der obere Totpunkt des Kolbens, Also der Punkt an dem die Abwärtsbewegung endet und ein Richtungswechsel stattfindet, ca. 2-3mm vor die Blende (Ende des Zylinders in Richtung Erhitzer) gelegt. Der Kolben darf beim laufen nicht hinten anstoßen! Wenn die Richtigen Positionen gefunden wurden, die Winkel mit den 8 Schlüsselschrauben befestigen. Sie besitzen nun ein lauffähiges Modell eines Thermoakustischen-Heissluftmotors und haben sich einige der wichtigsten Grundlagen der Thermodynamik angeeignet. Im folgenden werden einige der Einfluss auf die Leistung eines Motors nehmenden Faktoren betrachtet wie Dichtung, Resonator/Regenerator, Hub und das Volumen des Erhitzerraums.

53 Probleme und Lösungen Zunächst machte sich beim Bau des ersten Modells das Problem der Dichtung bemerkbar. Ein geeignetes Material ist nicht leicht zu finden, da sehr viele wichtige Kriterien erfüllt werden müssen. Das Material der Dichtung muss -weich -dicht -hitzeunempfindlich -leicht zu bearbeiten -leicht erhältlich -zerlegbar -glatt -flexibel und relativ dünn sein damit es sich für den Einsatz eignet. Vor der endgültigen Lösung wurden -O-Gummiringe (alleine zu hart) -Moosgummi (alleine zu weich, undicht, hitzeempfindlich) -Silikon (nicht zerlegbar, da zusammengeklebt) -Wachs ( hitzeempfindlich, undicht, nicht zerlegbar) -Heißkleber (undicht, nicht zerlegbar, zu hart nach erkalten) -Zwei-Komponenten-Kleber (nicht zerlegbar, nicht flexibel) -Fett (hitzeempfindlich, zu weich, beschädigung des Kolbens durch Ablagerungen) -Öl (hitzeempfindlich, zu weich, beschädigung des Kolbens) -Schlauch (undicht, zu dick) -Instrumentenklappenpolster ( hitzeempfindliches Leder) -RG-Stopfen (zu dick, Wulst muss abgetrennt werden) Ein weiteres Problem stellt der Resonator/Regenerator dar.

54 Der Regenerator/Resonator Der Resonator, der für die akustische Welle verantwortlich ist, und der Regenerator, der Hauptträger der Thermodynamik unseres Modells, lassen sich sehr vielfältig verändern. Beispielsweise lässt sich die Länge, der Ort, der Abstand zur Blende, die Dichte, die Oberfläche (grob oder fein) sowie das Material(Edelstahl, Stahl,...) variieren. Diese Faktoren spielen alle zusammen um die Leistung des Motors. Experimentieren sie, verändern sie aber immer nur einen Faktor um die Auswirkungen direkt nachvollziehen zu können. Der Hub Durch Einstellen des Arbeitsweges des Arbeitskolbens und Verlängern oder Verkürzen des selbigen können interressante Phänomene beobachtet werden. Es gibt Bereich, an denen sich schon kleinste Veränderungen des Hubs stark bemerkbar machen und der Motor seine Drehzahl plötzlich halbiert oder aber auch verdoppelt. Es ist sinnvoll den Hub nicht sofort beim ersten Modell zu definieren, sondern Tests durchzuführen und den Hub mit bester Leistung an dem endgültigen Modell zu verwenden. Heiz-Volumen Je länger der Heizzylinder ist, desto mehr Totvolumen entsteht. Da wir eine gewisse Länge benötigen um eine stehende Welle zu erzeugen, aber nur punktuell erhitzen können, war das Ziel, das Volumen zu verringern ohne den Raum zu verkleinern. Verwendet wurde dazu ein Glasstab, um den die Stahlwolle gewickelt wurde und der dann in dem RG plaziert wurde. Leider ergaben sich jedoch nicht die gewünschte Leistungsteigerung sondern es wurde sogar ein Leistungsabfall verzeichnet. Aus diesem Grund ist das Nachahmen dieser Methode nicht erstrebenswert.

55 Vorteile dieses Modells: -hohe Leistungsanstieg -optisch ansprechend -betrieb mit Teelicht möglich -geringe Geräuschemission -robuste Konstruktion -leicht zu beschaffene Komponenten -gut zerlegbar Nachteile -mehr Kaufteile -größerer Aufwand -genaues arbeiten nötig

56 Daten: Komponent Art Erhitzerraum RG (14mm außen D.) 10,5cm lang Arbeitszylinder Airpot 160P Regenerator/ Resonator Topfkratzer(fein) 7cm lang Dichtung Fahrradschlauch,O-Ringe, weiches Gummi Montagematerial Alu-Profilleiste,Winkel,Diverse Schrauben Schwungrad Festplatte mit Schallplatte Arbeitspleuel Fahrradspeiche mit Kugellager Teelicht U/min. Spiritusbrenner klein U/min. Brennpaste 350U/min. Spiritusbrenner groß U/min Die Drehzahl kann je nach Flammenhöhe und Position variieren.

57 Modell 3.1 Bei Modell 3.1 wurden Verbesserungen ausgeführt, die die Leistung erheblich steigerten. Alle Maßnahmen bauen jedoch auf Modell 3.0 auf. Die Änderungen betreffen den Regenerator, den Arbeitspleuel und den Massenausgleich des Schwungrades. Der Regenerator Anstatt des Topfkratzers in Modell 3 wurde hier feine Stahlwolle der Sorte 00 verwendet. Die Flamme des Brenners ist hier direkt am vorderen Ende des Regenerators in Richtung Arbeitskolben zu positionieren. Arbeitspleuel Die Verbindung zwischen der Verlängerung und dem eigentlichen Pleuel bestand bei Modell 3 aus Plexiglas, welches bei Modell 3.1 durch eine Aluminium-Variante ersetzt wurde. Diese Möglichkeit verringert die Schwingungen im Betrieb, erhöht die Lebensdauer und Stabilität und wertet zudem optisch auf. Massenausgleich Durch einen nahezu vollständigen Masseausgleich am Schwungrad konnten Unwuchten beseitigt und die Leistung gesteigert werden. Der Ausgleich fand durch Neodymmagnete statt, die an das Schwungrad geheftet wurden und sich verschieben lassen, sodass ein feintuning möglich ist. Ergebnis: Der Motor läuft jetzt auch mit kleiner Flamme mit ca. 500U/min bei exakter Arbeitsgasmenge im innern. Die folgenden Bilder zeigen die Neuerungen an den einzelnen Komponenten.

58 Die Pleuel-Verbindung aus Aluminium Der Neodymmagnet als Massenausgleich

59 Der feinere Regenerator/Resonator Der neu angefertigte Brenner aus Alu und Kupferrohr

60 Das Modell 3.1 im ganzen. Hier ist das System noch auf einer provisorischen Testplatte montiert. Bei derer Endgültigen Montage wird ein Buchen-Multiplex Brett verwendet. Pläne: Für die Zukunft ist das optische Aufwerten und Kratzunempfindlicher machen der Aluminiumteile durch Elektrolytische Oxidation geplant. Pläne hierfür liegen schon vor und die Durchführung verzögert sich einzig durch die Materialbeschaffung und den Gefahrenwert dieser Prozedur.

61 Tipps: Bohren: bohren sie größere Löcher mit einem 3mm Bohrer vor, dann erst groß aufbohren. Wenn Löcher ungenau sind und der Bohrer verlaufen ist,feilen sie die Löcher passend. Design: Natürlich kann die Befestigung der Komponenten Umgestaltet werden, oder das Schwungrad z.b mit zusätzlichen Bohrungen versehen werden. Schwungrad: Durch einen vollständigen Masse-Ausgleich am Schwungrad kann der Motor dentotpunkt leichter überwinden. Bringen sie ein Gegengewicht an oder entfernen sie Masse in der Nähe des Exzenters. Grundsätzlich sollte sich die Masse am Schwungrad nach außen konzentrieren. Resonator: Wenn der Motor schlecht läuft, experimentieren sie mit Länge, Dichte und Masse der Stahlwolle im RG Reibung:Prüfen sie alle mechanischen Verbindungen auf erhöhten Widerstand. Befestigung:Stellen sie sicher, dass die einzelnen Komponenten fest mit der Grundplatte verschraubt sind. Ansonsten bewegen sie sich während der Kompressions- und Expansions-Phase durch die Druckschwankungen hin und her wobei Energie verloren geht.

62 Heutige Anwendung Heutzutage werden größere Stirlingmaschinen in Privaten Haushalten als Blockheizkraftwerk genutzt. Sie werden meist mit Holz, Erdgas oder Biogas befeuert und kosten ungefähr genauso viel wie eine normale Heizung erzeugen zudem aber noch Elektrizität. Außerdem finden sie in U-Booten und normalen Booten,Lokomotiven und als Prototypen in Pkws und Künstlichen Herzen Anwendung. Einfachstgebaute Modelle dienen zurzeit in Entwicklungsländern zur Stromerzeugung durch Sonnenenergie mittels Parabolspiegel. Alternative Antriebsmöglichkeiten: Ein Stirling kann mit jeglicher Wärmequelle betrieben werden: Kernenergie, Termalenergie, Solarenergie, fossile Brennstoffe... Einen Stirlingmotor mit Solarenergie zu betreiben ist nicht nur sehr Umweltfreundlich, sondern auch einfach: -Satellitenschüssel Eine Satellitenschüsse beklebt mit Alufolie(80% Reflektionen) oder der Innenseite von Chipstüten lässt die Temperatur im Brennpunkt auf etwa 350 steigen. -Parabolspiegel selber herstellen Ein Wachs-Wasser Gemisch wird erhitzt und auf ein sich drehendes Rondell zum abkühlen gestellt. Ist der Wachs erkaltet und ausgehärtet, kann man einen Negativ Abdruck und von dem Negativ noch einen Negativ-Abdruck aus Gips machen und bekommt einen Gips-Paraboloid. Einfach mit reflektierendem Material Auskleiden und testen. Eventuell braucht es mehrere Versuche und manchmal muss man den fertigen Paraboloiden etwas mit feinem Sandpapier nachschleifen.

63 -Fresnellinse: Mit einer Fresnellinse gebündelte Sonnenstrahlen reichen vollkommen aus, um unseren thermoakustischen Motor zum laufen zu bringen. Flüssigkolben-Stirling Um den Wirkungsgrad unseres Motors weiter zu steigern, gibt es noch die Möglichkeit einer zusätzlichen Kühlung um das Temperaturgefälle weiter zu unterstützen. Wir verwenden dafür das Prinzip eines Flüssigkolben-Stirlings. Auch diese Maschine nutzt eine äußere Wärmequelle: Die Wassersäule im innern wird instabil wenn die Temperatur genug ansteigt und schwingt hin und her. Das Wasser, das aus dem heißen Zylinder in den kalten strömt,saugt Luft über das Verbindungsrohr in den heißen Zylinder. Die Luft erwärmt sich und lässt im gesamten System den Druck ansteigen. Folge: Der Arbeitskolben wird nach unten gedrückt. Der Zyklus beginnt von vorne, wenn das Wasser zurück in den heißen Zylinder fließt. Die Luft wird dann abgekühlt und der Druck fällt ab. Der entstandene Unterdruck wird vom Arbeitskolben ausgeglichen. Wenn keine Energieentnahme stattfindet schaukelt sich diese Maschine hoch. Der Flüssigkolben-Stirling kann direkt neben dem vorhandenen RG montiert werden, benötigt also keine zusätzliche Wärmequelle. Alle Fragen, Anregungen und Verbesserungsvorschläge sowie Fotos und Daten ihrer eigenen Stirlingmodelle sind unter willkommen.

64 Begriffserklärungen10: Anergie: Der Energieanteil der sich nicht nutzbar machen lässt, wird als Anergie bezeichnet. Carnotfaktor: Der Thermische Wirkungsgrad des Carnot Prozesses wird als Carnotfaktor bezeichnet.... Dissipation/Dissipationsenergie: Durch Reibung und andere Vorgänge wird Energie entwertet, diese wird als Dissipationsenergie bezeichnet. Dissipieren(lat.)zerstreuen Enthalpie Die Enthalpie ist die Summe aus innerer Energie (im System gespeicherter Energie) und Verschiebearbeit. Sie ist eine Funktion der Temperatur und Unabhängig vom Druck. Entropie: Bei jeder Energieumwandlung oder Energieübertragung muss mit einer Entwertung der Energie gerechnet werden. Sie äußert sich dadurch, dass die Energie nicht vollständig in die Ursprüngliche Energieart zurückverwandelt werden kann. Das Maß für die Entwertung der Energie durch die Irreversibilität (Unumkehrbarkeit) heißt Entropie. 10 Kübler Kuno, Werdich Martin, Stirling-Maschinen, ökobuch-verlag Staufen bei Freiburg, 8. Auflage 2001, Seite 20

65 Exergie: Der Umwandlungsfähige und damit der nutzbare Teil der Energie heißt Exergie. Innere Arbeit: Die Kupplungsarbeit abzüglich der auftretenden Äußeren Reibungsarbeit nennt sich innere Arbeit. Isenthalpe Bei unveränderter Strömungsgeschwindigkeit ist die Zustandsänderung eine Isenthalpe, also ein Prozess mit gleichbleibender Entalpie. Isentrope: Bleibt während einer Zustandsänderung die Enthropie konstant so bezeichnet man die Zustandsänderung als Isentrope. Isochore Bei einer Isochoren Zustandsänderung ist das Volumen konstant. Isobare Bei einer Isobaren Zustandsänderung bleibt der Druck konstant. Isotherme Bei einer Isothermen Zustandsänderung bleibt die Temperatur konstant.

66 Literaturverzeichnis: Buch Autor Stirling-Maschinen Kuno Kübler, Martin Werdich Experimente mit dem Stirlingmotor Ullrich E. Stempel Experimente mit Heißluftmotoren Ullrich E. Stempel Der Stirlingmotor Dieter Viebach Wie man eine wissentschaftliche Abschlußarbeit schreibt Umberto Eco Physik Oberstufe Gesamtband Cornelsen-Verlag Physik Gymnasium sek.2 Dorn Bader-Verlag Weitere sehr nützliche Informationen können auf der Homepage eines ambitionierten Modellbauers unter folgender Adresse bezogen werden: