Stirling-Kreisprozess

Der Stirling-Kreisprozess hat zwar keine grosse technische Bedeutung. Er ist vermutlich der einfachste Kreisprozess aller Wärmekraftmaschinen und eignet sich deshalb sehr gut, um diese besser zu verstehen.

Robert Stirling (1790 – 1878) war ein schottischer Pastor und Ingenieur. Im Jahre 1816 patentierte er die „Heissluftmaschine“, die später nach ihm als Stirlingmotor bezeichnet wurde. Als ich den ersten Stirlingmotor das erste Mal in Betrieb gesehen habe, hat er mich total verblüfft. Er funktioniert tatsächlich nur mit heisser Luft! Ausserdem ist diese Luft im Stirlingmotor eingeschlossen.

Zum Funktionieren braucht der Stirlingmotor nur eine Wärmequelle – egal um welche Art von Wärme es sich handelt. Stirlingmotoren können deshalb auch mit Hilfe der Sonnenstrahlung angetrieben werden. Leider sind ihre Wirkungsgrade relativ schlecht, so dass sie nie wirklich wirtschaftlich betrieben werden konnten.

Funktion eines Stirlingmotors

Die eingeschlossene Luft im Stirlingmotor umfliesst einen sog. Verdrängerkolben. Dieser hat als Aufgabe, die Luft innerhalb der Kammer auf die eine oder andere Seite zu verdrängen. Die eine Seite hat Kontakt zum “heissen Reservoir” bei der Temperatur \(T_H\) und die andere Seite ist in Kontakt mit dem “kalten Reservoir” bei der Temperatur \(T_K\). Als heisses Reservoir kann beispielsweise ein Stück Metall im Brennpunkt eines Hohlspiegels dienen. Dieser Punkt wird durch die Sonnenstrahlung stark erhitzt. Als kaltes Reservoir kann beispielsweise ein Stückmetall mit Kühlrippen auf der Schattenseite des Hohlspiegels dienen.

Die eingeschlossene Luft wird auf der heissen Seite stark erhitzt und auf der kühlen Seite kann sie ihre Abwärme abgeben. Ohne Verdrängerkolben würde die Wärme in der Luft von der heissen zur kalten Seite fliessen. Der Verdrängerkolben ist jetzt aber auf der kühlen Seite, so dass die Luft auf die heisse Seite verdrängt wird und sich dort aufwärmt. Da das Volumen, in welchem sich die Luft befindet, praktisch konstant bleibt, ist die Zustandsänderung der Luft eine isochore Erwärmung.

Die Luft ist zwar eingeschlossen, sie kann sich aber leicht ausdehnen, indem Sie den Arbeitskolben wegdrückt. Der Arbeitskolben treibt seinerseits eine Welle an, über welche der Motor seine Arbeit abgibt.

Mit dem Wegdrücken des Arbeitskolben wird auch der Verdrängerkolben bewegt. Er geht zur heissen Seite hin und drängt die Luft weg zur kalten Seite. An der kalten Seite kühlt sich die Luft ab, indem sie ihre Wärme abgibt. Durch die Abkühlung zieht sich die Luft wieder zusammen. Der Arbeitskolben kommt wieder zurück und das Volumen der Luft wird wieder kleiner. Dann geht der Verdränerkolben wieder in die erste Position und bringt die Luft auf die heisse Seite, so dass der Kreisprozess wieder vorne beginnen kann.

Stirling-Kreisprozess im p,V-Diagramm

Der ideale Stirling-Kreisprozess ist im obigen p,V-Diagramm dargestellt:

1 ➝ 2 : Isochore Wärmeaufnahme: Die eingeschlossene Luft nimmt die Wärme \(Q_{in,a}\) auf und geht mit der Temperatur von \(T_1\) auf \(T_3\) hoch

2 ➝ 3 : Isotherme Expansion (\(W_{out}\)): Die Luft expandiert und gibt dabei die Arbeit \(W_{out}\) ab. Gleichzeitig nimmt die Luft an der heissen Seite bei \(T_3\) weitere Wärme \(Q_{in,b}\) auf

3 ➝ 4 : Isochore Wärmeabgabe: Die eingeschlossene Luft gibt Wärme \(Q_{out,a}\) isochor ab

4 ➝ 1 : Isotherme Kompression (\(W_{in}\)): Die eingeschlossene Luft wird isotherm bei der tiefen Temperatur \(T_1\) komprimiert und gibt dabei noch Wärme \(Q_{out,b}\) abVideos