Energie. Stirlingmotor. Führen Sie den Versuch durch. Beantworten Sie die Fragen auf dem Arbeitsblatt.

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1 Energie Stirlingmotor Material: Die Arbeitsblätter Das Informationsblatt Ihr Physikbuch Der Stirlingmotor mit Parabolspiegel Arbeitsaufträge: Führen Sie den Versuch durch. Beantworten Sie die Fragen auf dem Arbeitsblatt. Als Kopiervorlage freigegeben. Ernst Verlag GmbH, Stuttgart 2002 ISBN X

2 Station 2: Arbeitsblatt 50 Der Stirlingmotor Beachten Sie: Benutzen Sie beim Ausrichten des Parabolspiegels eine Sonnenbrille! Der Parabolspiegel darf nicht berührt werden. Verschmutzungen nur mit einem weichen Lappen reinigen! Der Heizzylinder wird sehr heiß (300 ). Versuch: Ziehen Sie eine dunkle Sonnenbrille auf. Der Parabolspiegel muss zur Sonne ausgerichtet werden. Die Ausrichtung ist richtig, wenn die Sonnenstrahlung einen gleichmäßigen Ring auf dem Heizzylinder bildet. Drehen Sie nach einiger Zeit an den Schwungrädern. Die Funktionsweise: 1. Beschriften Sie die Abbildung. 2. Welche Teile erkennt man nicht? Lesen Sie den Text auf der folgenden Seite durch und beantworten Sie die Fragen. 3. Wann wurde der erste Stirlingmotor gebaut? 4. Ordnen Sie die Abbildungen 2 5 den Vorgangsbeschreibungen A D zu. 2: 3: 4: 5: Zusatz: Überlegen Sie sich, wo es sinnvoll ist, den Stirlingmotor einzusetzen. Als Kopiervorlage freigegeben. Ernst Verlag GmbH, Stuttgart 2001 ISBN X

3 Station 2: Arbeitsblatt 51 Bild 1 zeigt eine Bauweise des Stirlingmotors: Im Zylinder befinden sich ein eng anliegender Arbeitskolben A und ein nicht abdichtender Verdrängerkolben V. Von beiden Kolben führen Pleuelstangen zu einer gemeinsamen Kurbelwelle. Die beiden Pleuelstangen sind um 90 versetzt an der Schwungscheibe angebracht. Im Zylinder befindet sich durch den Arbeitskolben völlig abgeschlossen Luft oder ein beliebiges anderes Gas. Wie der Motor funktioniert, zeigen die Bilder 2 5. Nach Stirlings Idee baute der Schwede John Ericsson 1853 einen Schiffsmotor. Von einem kleineren Modell verkaufte er bis 1860 über 3000 Exemplare als Industriemotoren. Nach der Erfindung der Elektromotoren geriet Stirlings Motor in Vergessenheit. Heute beginnt man aber wieder, sich für ihn zu interessieren. 2 A Anschließend bewegt sich der Arbeitskolben nach links und komprimiert die Luft. Durch diese Kompression wird die Luft aber nicht erwärmt, da mit Hilfe der Kühlrippen die Energie abgeführt wird. Der Verdrängerkolben bewegt sich kaum. Wieder bleibt die Temperatur konstant (T 2 ). 3 4 B Die Sonne oder eine andere Wärmequelle gibt Wärme an die Luft im Zylinder ab. Dabei wird die Luft aber nicht erwärmt, sondern sie schiebt den Arbeitskolben nach rechts. Der Verdrängerkolben bewegt sich kaum. Bei diesem Vorgang bleibt die Temperatur (T 1 ) konstant, während sich das Volumen vergrößert. C Erneut steht der Arbeitskolben praktisch still. Der Verdrängerkolben bewegt sich nach rechts und gibt Wärme an die Luft im Zylinder ab. Dabei steigt dietemperatur wieder auf T 1. Der Vorgang beginnt von vorn. 5 D Nun befindet sich der Arbeitskolben ganz rechts und bewegt sich praktisch nicht. Gleichzeitig wird der Verdrängerkolben nach links bewegt, wobei er Wärme von der heißen Luft aufnimmt. Dadurch sinkt die Temperatur auf den Wert T 2 < T 1. Als Kopiervorlage freigegeben. Ernst Verlag GmbH, Stuttgart 2001 ISBN X

4 Station 2: Arbeitsblatt 52 INFO: Die Vorgänge beim Stirling Motor kann man auch in einem V-p-Diagramm darstellen: Bei diesem Stirlingschen Kreisprozess unterscheidet man 4 Teilprozesse (entsprechend der Bilder 2 5): 2: Isotherme Expansion 3: Isochore Abkühlung 4: Isotherme Kompression 5: Isochore Erwärmung Der Wirkungsgrad lässt sich mit folgender Formel berechnen: T T η = Wie kann man einen großen Wirkungsgrad erzielen? Im Internet können Sie vieles über den Stirlingmotor erfahren. Falls Sie Adressen finden, geben Sie sie hier an: Als Kopiervorlage freigegeben. Ernst Verlag GmbH, Stuttgart 2001 ISBN X

5 Station 2: Arbeitsblatt 53 Die Heißluftmaschine Unter den Kraftmaschinen, die für Industrie und Gewerbe im 19. Jahrhundert zur Verfügung standen, hat die Heißluftmaschine, die zwischen 1816 und 1880 in verschiedenen Formen gebaut worden war, eine nur geringe Rolle gespielt. Das gilt im Hinblick auf ihre Stückzahl, den Leistungsbereich und die Anwendungsgebiete. Sie war eine Kraftmaschine ohne Kessel. Die geschlossene war die ursprüngliche und wichtigste Bauart der Heißluftmaschinen. Erstmals wurde sie 1816 von dem Schotten Robert Stirling ( ) mit Regenerator, der eine Verbesserung des Wirkungsgrades bedeutete, entwickelt. In der verbesserten Form von 1827 stellte sie dann eine geniale Konstruktion dar: Der von Stirling vorgeschlagene Arbeitsprozess brachte theoretisch den höchsten Wirkungsgrad aller Wärmekraftmaschinen; die praktische Verwirklichung vor allem des Regenerators war jedoch noch nicht vollkommen möglich. Eigentlicher Pionier der Heißluftmaschine war der Schwede John Ericsson ( ), der mit ihr einen Ersatz für die unwirtschaftliche Dampfmaschine bauen wollte. Seine ersten Maschinen mit Regenerator waren erfolgreich, eine große Schiffsheißluftmaschine blieb dagegen ein Misserfolg. Später, 1860, baute Ericsson mit großem Erfolg offene Heißluftmaschinen mit kleiner Leistung. Bei der geschlossenen Heißluftmaschine wird immer dasselbe Arbeitsmedium Luft erhitzt und wieder abgekühlt. Der Zylinder ist an der einen Seite von der Feuerung beheizt, an der anderen durch einen Wassermantel gekühlt. Ein Verdrängerkolben schiebt die am Feuertopf erhitzte Luft in die kalte Zone, wo sie den Arbeitskolben treibt und die Restwärme an das Kühlwasser abgibt. Die nunmehr erkaltete Luft wird vom Verdrängerkolben vor den Feuertopf geschoben und dort erneut erhitzt. Die erfolgreichsten waren die in Deutschland und in Schweden entwickelten geschlossenen Heißluftmaschinen, die auch größere Leistungen erzielten und ab 1945 eine Neuentwicklung erfuhren: Mit Edelgas anstelle von Luft in geschlossenem Kreislauf betrieben, konnten sie mit einem äußerst wirksamen Regenerator und mit einem neuartigen Getriebe zum Bewegen der beiden Kolben (des Arbeitskolbens und des Verdrängungskolbens) weit höhere Wirkungsgrade erzielen als alle anderen Kraftmaschinen, der Dieselmotor eingeschlossen. Die Konstruktion war allerdings sehr aufwändig. Das zu verwendende Material musste hoch hitzebeständig sein, und die Möglichkeit einer mehrzylindrigen Ausführung war und ist noch sehr begrenzt. Nach 1945 kamen geschlossene Heißluftmaschinen noch im Stirling-Prozess zum Einsatz. Bei einer offenen Heißluftmaschine, die im wesentlichen zwischen 1851 und 1865 zum Teil mit Erfolg gebaut wurde, bewegt sich ein Kolben in einem von einer Seite beheizten Zylinder. Die Kolbenstange ist mit der eingehängten Arbeitsmaschine verbunden. Es wird eine bestimmte Menge Luft angesaugt und zwischen Kolben und heißen Zylinderboden gebracht. Die Luft erhitzt sich, dehnt sich aus und treibt den Arbeit leistenden Kolben vor sich her. Nach der Expansion wird die Luft mithilfe eines Verdrängerkolbens durch einen Regenerator getrieben, dem sie ihre Restwärme hinterlässt. Die frische Luft für das nächste Arbeitsspiel wird durch den Regenerator gepumpt und gelangt bereits angewärmt in den Zylinder. Bei den Feuerluftmaschinen wird hingegen der Arbeitskolben nicht von erhitzter reiner Luft, sondern von den Abgasen der Feuerung selbst getrieben. Der Feuerungsraum dieser Maschinen ist daher nach außen luftdicht abgeschlossen, der Brennstoff wird durch eine Schleuse und die Verbrennungsluft durch eine Pumpe zugeführt. Sobald die Luft sich in heißes Abgas verwandelt, setzt sich der Arbeitskolben in Bewegung. Die Abgase geben einen Teil ihrer Wärme an einen Regenerator ab, der die Frischluft wieder vorwärmt. Die erste Feuerluftmaschine von George Cayley ( ) aus dem Jahre 1807 erlangte keine praktische Bedeutung. Erst von Beginn der 60er bis in die 90er Jahre des 19. Jahrhunderts fand diese Art von Maschine eine praktische Verwendung. Als Kopiervorlage freigegeben. Ernst Verlag GmbH, Stuttgart 2001 ISBN X