Physikalisches Praktikum

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1 Physikalisches Praktikum Versuch 26: Stirling-Motor UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Physik Oktober 2015

2 2 Versuch 26 Stirling-Motor Der Stirling-Motor ist nach der Dampfmaschine die zweitälteste Wärmekraftmaschine. Er wurde von Robert Stirling im Jahr 1816 entwickelt. Im Unterschied zu den gängigen Motoren, wie z.b. Otto- oder Dieselmotor, erfolgt beim Stirling-Motor keine innere Verbrennung. Die Wärmeenergie wird stattdessen in Form von Heißluft von außen an den Motor herangeführt. Somit ist der Stirling-Motor relativ geräuscharm, da keine Explosions- oder Auspuffgeräusche auftreten. Eine weitere Besonderheit des Stirling-Motors besteht darin, dass er von außen angetrieben werden und somit als Wärmepumpe oder Kältemaschine wirken kann. 1. Lernziele dieses Versuchs Die Studierenden sollen 1.1 sich an die Vorlesungsinhalte zum Thema Kreisprozesse erinnern. 1.2 die Besonderheiten des Stirling-Motors nennen können. 1.3 den Stirling-Kreisprozess beschreiben und daraus die wichtigen zu messenden Parameter des Experiments bestimmen können. 1.4 die Unterschiede beim Betrieb als Wärmekraftmaschine und als Wärmepumpe aufzeigen können. 1.5 aus den gemessenen Werten einen vollständigen Kreisprozess und dessen Wirkungsgrad berechnen können. 2. Voraussetzungen Vorlesungsstoff zu den Themen: thermodynamische Prozesse, Kreisprozesse, Wärmekraftmaschinen, Wirkungsgrad, ideales Gas, thermodynamische Zustandsgrößen Selbststudium zu den Themen: Stirling-Motor, Stirling-Kreisprozess, Wärmepumpe, Kältemaschine, Elektromotor, Generator 3. Literatur Hering, Martin, Stohrer, Physik für Ingenieure, 11. Auflage, S (als.pdf-datei über die Uni-Bibliothek downloadbar) Mitschrift zur Vorlesung Physik 1

3 3 4. Versuchsbeschreibung In diesem Versuch arbeiten Sie mit einem fast völlig transparenten Stirling-Motor, der es Ihnen ermöglicht, die einzelnen Schritte des Kreisprozesses im Detail zu beobachten. Beim Stirling-Motor bleibt das Arbeitsgas (in unserem Fall Luft) vollständig im Inneren des Motors und wird nicht ausgetauscht. Abgesehen von der evtl. durch Verbrennung erzeugten externen Energiezufuhr produziert der Stirling-Motor also keine eigenen Abgase. Daher eignet er sich z.b. auch für den Betrieb mit Solar- oder Erdwärme. Abbildung 1: Stirling-Motor 4.1 Der ideale Stirling-Prozess Der Motor durchläuft im Idealfall einen reversiblen, das heißt umkehrbaren, Kreisprozess. Er besteht aus vier Takten: 1. Arbeitstakt: Das Arbeitsgas dehnt sich isotherm (T 1 = const.) von (V 1 p 1 ) nach (V 2 p 2 ) aus. Dabei verrichtet das Gas Arbeit und nimmt eine äquivalente Wärmemenge Q 12 aus der Umgebung auf. Der Arbeitskolben wird nach oben gedrückt und gibt Arbeit an die Umgebung (Schwungrad) ab.

4 4 Abbildung 2: Arbeitstakt 2. Verdrängungstakt I: Das Arbeitsgas erfährt von (V 2 p 2 ) nach (V 2 p 3 ) eine isochore Abkühlung. Vom Gas wird dabei die Wärmemenge Q 23 an den Verdrängerkolbenabgegeben, während der Verdrängerkolben die heiße Luft in den gekühlten Bereich schiebt. Dabei verrichtet das Gas keine Arbeit gegenüber seiner Umgebung. Dies führt dazu, dass die Temperatur des Gases von T 1 nach T 2 sinkt, der Druck sinkt ebenfalls. Abbildung 3: Verdrängungstakt I 3. Kompressionstakt: Das Arbeitsgas wird isotherm von (V 2 p 3 ) nach (V 1 p 4 ) komprimiert. Die dabei am Gas verrichtete Arbeit, die durch das Schwungrad geliefert wird, wird bei konstanter Temperatur

5 5 T 2 als Wärme Q 34 abgegeben. Die hier von außen am Gas verrichtete Arbeit ist geringer als die Arbeit, die der Motor im Arbeitstakt an der Umgebung verrichtet. Abbildung 4: Kompressionstakt 4. Verdrängungstakt II: Das Arbeitsgas wird isochor von (V 1 p 4 ) nach (V 1 p 1 ) komprimiert. Da an dem Arbeitsgas keine Arbeit verrichtet wird und somit das Volumen konstant bleibt, muss das Arbeitsgas die Wärmemenge Q 41 aufnehmen. Dies geschieht, während der Verdrängerkolben die kalte Luft in den geheizten Bereich schiebt. Die Temperatur des Gases steigt von T 2 nach T 1. Der Kreisprozess beginnt wieder von vorne. Abbildung 5: Verdrängungstakt II

6 6 Den gesamten idealisierten Stirling-Kreisprozess sehen Sie in Abbildung Abbildung 6: idealer Stirling-Kreisprozess 4.2 Der reale Stirling-Prozess Ein idealer Stirling-Prozess kann nicht realisiert werden, da keine kontinuierlich laufende Maschine gebaut werden kann, in der lediglich eine isochore Zustandsänderung abläuft. Der ideale Stirling-Prozess wird durch den Phasenversatz zwischen Arbeits- und Verdrängerkolben angenähert. Im realen Stirling-Motor überlappen sich aber die Prozessschritte, da der Kurbelantrieb kontinuierlich läuft. Bei der Expansion findet immer auch schon ein Gasaustausch statt, während bei der Kompression der Gaswechsel noch nicht abgeschlossen ist. 5. Vorbereitungsfragen Benutzen Sie bitte zur Beantwortung der Fragen diese Versuchsanleitung und die o.a. Literatur. Bei weiterem Bedarf recherchieren Sie im Internet weitere Quellen und geben Sie diese Quellen hier an. 5.1 Fertigen Sie zu Anfang Ihres Praktikumsprotokolls eine Versuchsskizze mit kurzer Versuchsbeschreibung an.

7 7 5.2 Geben Sie einen kurzen Überblick (jeweils mit Skizze im p-v-diagramm) über die wichtigsten thermodynamischen Zustandsänderungen (isobar, isochor, isotherm, adiabatisch). 5.3 Zeichnen Sie den Stirling-Kreisprozess in einem p-v-diagramm. Benennen Sie hierbei die entsprechenden thermodynamischen Zustandsgrößen und Zustandsänderungen. Beschreiben Sie die einzelnen Prozesschritte in je einem Satz. 5.4 Wie könnte ein realer Stirling-Kreisprozess aussehen? Skizzieren Sie im Diagramm aus 5.3 und beschreiben Sie in einem Satz. 5.5 Wie ändert sich der Kreisprozess, wenn der Stirling-Motor nicht mehr als Heißluftmotor, sondern als Kältemaschine betrieben wird? 5.6 Was ändert sich beim Wechsel von Kältemaschine auf Wärmepumpe? 5.7 Berechnen Sie den Wirkungsgrad eines idealen Stirling-Prozesses. 5.8 Wie unterscheiden sich Stirling-Motoren des -, - und -Typs voneinander? Um welchen Typ (vgl. Abb. 2-5) handelt es sich hier? 6. Versuchsdurchführung 6.1 Betreiben Sie den Stirling-Motor als Heißluft-Motor. Benutzen Sie als Energiequelle den Spiritusbrenner. Achtung: Das Löschen des Spiritusbrenners ist nur mit der beiliegenden Kappe gestattet. Ausblasen führt zu thermischen Spannungen im Kolben und bringt diesen zum Platzen. Wenn der Motor seine volle Drehzahl erreicht hat, messen Sie diese an der Schwungscheibe mit dem Stroboskop und notieren Sie sie in Ihr Messprotokoll. 6.2 Schalten Sie den Generator zu und wiederholen Sie die Drehzahlmessung. 6.3 Greifen Sie die Spannung an den Kontakten des Generators ab und stellen Sie sie auf dem Oszilloskop dar. Ermitteln Sie daraus das Übersetzungsverhältnis von Schwungscheibe und Generator. Kontrollieren Sie Ihr Ergebnis durch Messung der Radien. 6.4 Betreiben Sie den Stirling-Motor jeweils 10 Minuten als Heißluftmotor, als Kältemaschine und als Wärmepumpe. Für die beiden letzteren Betriebsarten benutzen Sie eine Antriebsspannung von 12V. Messen Sie nach Ablauf der Zeit die Temperaturen an den beiden Messstutzen des Glaskolbens.

8 8 6.5 In 6.4 haben Sie Erfahrungen im Betrieb der Motor-Generator-Einheit gemacht. Beschreiben Sie kurz, wie diese funktioniert. Zeichnen Sie hierzu einen kleinen Schaltplan. 7. Auswertung 7.1 Geben Sie die Zustandsgrößen des Kreisprozesses für die drei Betriebsarten aus Aufgabe 6.4 an. 7.2 Berechnen Sie für die drei obigen Fälle jeweils den Wirkungsgrad und die Leistung des Kreisprozesses.