SCHÜLERPROJEKT: COOL PHYSICS HANDBUCH ZUR STATION STATION: EIN MOTOR ZUM KÜHLEN DER STIRLING MOTOR

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1 SCHÜLERPROJEKT: COOL PHYSICS HANDBUCH ZUR STATION STATION: EIN MOTOR ZUM KÜHLEN DER STIRLING MOTOR

2 EIN MOTOR ZUM KÜHLEN DER STIRLING MOTOR INHALTSVERZEICHNIS Hinweise zu Gefährdungen ab Seite 3 Genaue Versuchsdurchführungen ab Seite 4 Hintergrundwissen ab Seite 6 Handbuch zur Station Seite 2

3 EIN MOTOR ZUM KÜHLEN DER STIRLING MOTOR Hinweise zu Gefährdungen Umgang mit brennbaren Flüssigkeiten: Vorsicht heiß! Flamme nicht immer sichtbar Flüssigkeitsbehälter erhitzt sich stark Auch nach Löschen der Flamme aufpassen Brandgefährlich! Immer die vorgesehenen Metallkappe zum Löschen verwenden (Pusten oder Wasser könnten die Flamme vergrößern) Flamme sofort nach Versuchsdurchführung löschen Umgang mit Stirling- und Elektro-Motor: Vorsicht heiß! Bei Betrieb mit offener Flamme wird der Kolben überall heiß Geräte schonen! Elektromotor mit maximal 12V betreiben Nicht länger als notwendig betreiben Unter Strom! Spannungsquelle ausgeschaltet lassen, solange Schaltung nicht fertig Handbuch zur Station Seite 3

4 EIN MOTOR ZUM KÜHLEN DER STIRLING MOTOR Versuch zur Wärmekraftmaschine Aufbau ohne Abnehmer: 1. Das Schwungrad kann sich frei bewegen (keine Verbindung zum Elektromotor). 2. Die Kappe vom Brenner (mit Spiritus gefüllt) ist abgenommen. Abnehmer Aufbau mit Abnehmer: 1. Das Schwungrad ist durch einen Gummiring mit dem Elektromotor verbunden. 2. Der Schalter am Elektromotor zeigt in Richtung Boden (die LED ist dann zugeschaltet). Tipp: Der Versuch klappt besser, wenn der Motor vorher schon ohne Abnehmer warmgelaufen ist. Durchführung: 1. Entzündet den Brenner mit einem der Streichhölzer. 2. Wartet einen Moment, bis der Kolben sich erhitzt hat (Tipp: ab ca. 150 C sollte der Motor warm genug sein). 3. Startet den Motor, indem ihr das Schwungrad im Uhrzeigersinn drei- bis viermal von Hand anwerft. 4. Das Messgerät zur Bestimmung der Drehfrequenz ist nicht immer zuverlässig, messt daher mehrfach, bis ihr sicher seid, dass die Werte stimmen. Handbuch zur Station Seite 4

5 EIN MOTOR ZUM KÜHLEN DER STIRLING MOTOR Versuch zur Kältepumpe Aufbau: 1. Das Schwungrad ist durch einen Gummiring mit dem Elektromotor verbunden. 2. Der Schalter am Elektromotor zeigt Richtung Decke (die Buchsen sind dann zugeschaltet). 3. Der Elektromotor ist mit der Spannungsquelle verbunden. Ein Voltmeter ist parallel geschaltet. 4. Für die Durchführung sollte der Motor auf unter 30 C abgekühlt sein (andernfalls abwarten!). A B Durchführung: 1. Dreht die Spannungsquelle auf den gewünschten Wert. 2. Messt die Temperatur bei jedem Spannungswert an den markierten Punkten A und B. Tipp: Wartet nach Einstellen der Temperatur mindestens eine Minute, solange bis sich ein fester Wert eingestellt hat. 3. Notiert auch die Drehzahl für jeden Spannungswert. Handbuch zur Station Seite 5

6 SCHÜLERPROJEKT: COOL PHYSICS HINTERGRUNDWISSEN STATION: EIN MOTOR ZUM KÜHLEN DER STIRLING MOTOR Handbuch zur Station Seite 6

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11 EIN MOTOR ZUM KÜHLEN DER STIRLING MOTOR Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Wir reden und essen mit dem Mund. Zwei völlig verschiedene Funktionen bei ein und demselben Körperteil. So ähnlich ist es auch mit der Kraft-Wärme-Kopplung. Man benutzt einen Motor im Keller, um elektrische Energie zu erzeugen und gleichzeitig zweigt man die Abwärme des Motors ab und heizt damit das Haus. (Kraft=Elektrizität / Wärme=Abwärme) Sie haben noch keinen Motor im Keller? Aber sicher ein Auto in der Garage. Nun, dann kennen Sie die mobile Variante von Kraft-Wärme-Kopplung: Sobald der Motor warm genug ist, gibt er nicht nur Kraft auf die Räder ab, sondern auch wohlige Wärme in den Innenraum im Winter für uns eine absolute Selbstverständlichkeit. Aber einfach einen Automotor in den Keller stellen, das geht nicht. Der Motor ist zu laut und hat nur 3000 Stunden Lebensdauer. Außerdem sind die Abgase mit Schadstoffen belastet. Hier würde er tatsächlich helfen, der Stirlingmotor. Er ist leise und kann das Zehnfache an Lebensdauer erreichen, die Abgase sind dank kontrollierter Verbrennung super und außerdem kann man regenerative Brennstoffe wie Holz verwenden. Allerdings ist eine solche Anlage auch doppelt so teuer, da der Motor alleine dreimal so teuer wäre wie ein Motor mit innerer Verbrennung. Trotzdem, auf Dauer würde er sich lohnen. Für eine Kilowattstunde (kwh) Strom benötigt eine kleine KWK-Anlage 4,5 kwh Brennstoff-Energie. Außerdem erhält man 3 kwh Wärmeenergie. Leider gibt es auch Verluste wie immer in der Technik in dem Fall eine halbe kwh, die aus dem Schornstein geht. Wer auch die noch nutzen will, kann das tun, aber er muss dann auch das Kleingeld für einen Kondensator-Kühler übrig haben und eine immer hungrige Fußbodenheizung besitzen. Handbuch zur Station 11 Bild- & Textquelle: Stand:

12 EIN MOTOR ZUM KÜHLEN DER STIRLING MOTOR Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Vergleicht man eine Kraft-Wärme-Kopplung mit einer getrennten Erzeugung der Energieformen Strom und Wärme, dann kommt heraus, dass man genauso viel Brennstoff-Energie allein für die Stromerzeugung im Kraftwerk aufwenden muss. Und diese 4,5 kwh Primär-Energie muss ich als Privatkunde zahlen, ohne dass ich bereits meine 3 kwh Wärme im Haus habe. Die 3,3 kwh Primär-Energie, die dafür notwendig werden, muss ich außerdem noch zahlen. Das sind 73% mehr, und das Winter für Winter. Jeder kann sich selber ausrechnen, wann sich da eine Kraft-Wärme- Kopplung amortisiert. Handbuch zur Station 12 Bild- & Textquelle: Stand: