Wie ist ein Stirlingmotor aufgebaut?

Ein Stirlingmotor wandelt thermische Energie in eine mechanische Bewegung um. In Mini-Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen wird diese mechanische Energie weiter genutzt, um über einen Generator Strom zu erzeugen.

Damit diese Umwandlungsprozesse ablaufen können, besteht der Stirlingmotor in einem Heizgerät in der Regel aus folgenden Bauteilen:

  • Erhitzer
  • Verdrängerkolben
  • Arbeitskolben
  • Generator

Die folgende Abbildung zeigt einen einfachen Aufbau eines Stirlingmotors, der sich gut zum Erklären der Funktionsweise eignet. Am Markt sind heute eine Reihe verschiedener Bauformen vorhanden, die aber alle dem gleichen Prinzip folgen.

Skizze Ansicht Stirlingmotor

Wie ist die Funktionsweise eines Stirlingmotors?

Stirlingmotoren wandeln thermische Energie in eine Bewegung. Die Funktionsweise möchten wir Ihnen hier Schritt für Schritt erklären.

Im ersten Schritt wird dem Stirlingmotor über eine externe Quelle Wärme zugeführt, die in einer Heizungsanlage zum Beispiel über einen Gasbrenner bereit gestellt wird. Die Wärmezufuhr führt zu einem Temperaturanstieg der Luft im Verdrängerzylinder, die sich dadurch ausdehnt. Der steigende Druck verursacht gleichzeitig eine Vorwärtsbewegung des Kolbens.

Wie im vorhergehenden Abschnitt beschrieben, bestehen Stirlingmotoren aus einem Verdränger- und einem Arbeitszylinder. Wichtig für die Funktionsweise ist dabei, dass beide in einem geschlossenen System miteinander verbunden sind. Denn dadurch verursacht die Vorwärtsbewegung des Verdrängerkolbens eine Kompression der Luft im Arbeitszylinder, wodurch sich auch der zweite Kolben nach vorn bewegt.

Beide Kolben sind jeweils über eine Pleuelstange mit einer Schwungscheibe verbunden, über die die lineare Bewegung in eine Drehbewegung umgewandelt wird. Mit einem Generator kann aus dieser Drehbewegung elektrischer Strom gewonnen werden.

Die folgende Abbildung zeigt den ersten Schritt noch einmal grafisch.

Funktionsbild 1 - Stirlingmotor: Heiße Phase

Im zweiten Schritt der Funktionsweise eines Stirlingmotors wird die Luft im Verdrängerzylinder wieder gekühlt, wodurch ihr Volumen kleiner wird. Der Druck im Zylinder reduziert sich und der Verdrängerkolben wird wieder nach hinten „gesogen“.

Über die Verbindung zum Arbeitszylinder fällt auch der Druck in diesem ab, wodurch gleichzeitig auch der Arbeitskolben nach hinten „gesogen“ wird.

Über die Verbindung der beiden Kolben mit der Schwungscheibe, wird die Drehbewegung fortgesetzt.

Die folgende Abbildung zeigt auch den zweiten Schritt noch einmal grafisch.  

Funktionsbild 2 - Stirlingmotor: Kalte Phase

Während der Strom aus der Drehbewegung über einen Generator in elektrische Energie gewandelt wird, kann die Abwärme des Prozesses für die Gebäudebeheizung verwendet werden. In der Regel ist das Verhältnis der elektrischen zur thermischen Leistung dabei etwa 1:5. Das heißt, wenn das Stirling-Heizgerät 1 kW Strom produziert, können etwa 5 kW Wärme genutzt werden.

Auch wenn in der Praxis oft Stirlingmotoren mit einer ausgereifteren Bauform verwendet, ist die Funktionsweise immer ähnlich.

Was unterscheidet einen Stirlingmotor von einem herkömmlichen BHKW?

Konventionelle Blockheizraftwerke werden oft mit einem Otto-Motor betrieben. Der aus der Automobilindustrie bekannte Motor treibt dabei zur Stromerzeugung einen Generator an. Die Abwärme des Verbrennungsmotors kann unterdessen zur Gebäudebeheizung verwendet werden. Zu den deutlichsten Nachteilen dieser Technologie zählen hohe Abgaswerte, hohe Wartungskosten und eine hohe Lautstärke im Betrieb.

Vor allem im Bereich moderner Mikro- oder Nano-KWK-Anlagen, können BHKWs mit Stirlingmotor diese Nachteile auf Grund Ihrer Funktionsweise gut ausgleichen.

Die bedeutendsten Vorteile von BHKWs mit Stirlingmotor sind:

  • Geringere Emissionen durch effiziente Brenner
  • Geringerer Verschleiß durch einen geschlossenen Arbeitsraum
  • Längere Wartungszeiträume und dadurch geringere Wartungskosten
  • Höhere Laufruhe und geringere Lautstärken

Auf Grund der speziellen Funktionsweise, eignen sich Stirlingmotoren sehr gut in Kombination mit Gas-Brennwertgeräten, über die heute bereits ein Wirkungsgrad von über 90% möglich ist. Da der Motor über eine externe Wärmequelle angetrieben wird, ist es sogar möglich Stirlingmotoren mit anderen Heizgeräten, wie zum Beispiel Pelletkesseln, zu betreiben. 

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