Arbeitsprinzip eines Stirlingmotors
Das physikalische Grundprinzip dieses Prozesses besteht aus einem periodischen Ablauf temperaturbedingter Expansion und Kompression eines unter Druck stehenden Arbeitsgases. Dieses Arbeitsgas ist zwischen zwei Kolben eingeschlossen, welche die auf sie ausgeübte Kraft über Pleuelstangen auf eine Rotationswelle übertragen.
Grundlegende Elemente dieses Volumenänderungsprozesses sind der erhitzte Arbeitszylinder, der gekühlte Kompressionszylinder und ein Regenerator, der zur Energiezwischenspeicherung dient, und damit angenähert isotherme Zustandsänderungen ermöglicht.
Abbildung 1: Thermodynamische Darstellung des idealen Stirlingmotorprozesses
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Abbildung 2: Arbeitstakte eines Stirlingmotors
Der theoretische ideale Arbeitsprozess wird anhand von Abbildung 1 und Abbildung 2 erklärt. Die im folgenden angegebenen Nummern beziehen sich auf die thermodynamischen Eckpunkte des Prozesses wie sie in Abbildung 1 und Abbildung 2 dargestellt sind.
1-2: isochorer Heiztakt:
Das Gas im Kompressionszylinder wird aufgrund der Aufwärtsbewegung des Kompressionskolbens isochor durch den Regenerator in den erhitzten Arbeitszylinder gedrückt, dessen Kolben sich nach unten bewegt. Im Arbeitszylinder wird das Gas erhitzt und der Druck steigt. Es erfolgt also nur eine Verschiebung des Arbeitsgases vom kalten in den heißen Zylinder. Die Erhitzung des Arbeitsgases erfolgt durch den Erhitzer-Wärmetauscher, der direkt in den Rauchgaskanal der Feuerung hineinreicht. Um eine hohe Stromausbeute des Stirlingmotors zu gewährleisten, sind Rauchgastemperaturen von 1.300°C notwendig. Um diese hohen Temperaturen in einer Biomassefeuerung zu erreichen, war eine Neukonzeption der gesamten Feuerung erforderlich.
2-3: isothermer Expansionstakt:
Der Kompressionskolben befindet sich nun am oberen Totpunkt. Das im Arbeitszylinder befindliche Gas wird weiter erwärmt, es dehnt sich aus und drückt den Arbeitskolben nach unten. Der Kompressionskolben beginnt sich etwas zeitversetzt ebenfalls hinunter zu bewegen. Das Gas entspannt sich, mechanische Leistung wird auf die Kolbenstange übertragen.
3-4: isochorer Kühltakt:
Der Arbeitskolben beginnt nach Erreichen seines unteren Totpunktes wieder seinen Aufwärtstakt, drückt das Arbeitsmedium isochor unter Wärmeabgabe durch den Regenerator, wo es Wärme abgibt, zum gekühlten Kompressionszylinder, der sich nach unten bewegt.
Die Kühlung des Kompressionszylinders erfolgt durch den Rücklauf des Fernwärmenetzes. Im Kühler-Wärmetauscher wird das Arbeitsgas gekühlt, während der Rücklauf vorgewärmt wird.
4-1: isothermer Kompressionstakt:
Der Kompressionskolben erreicht seinen unteren Totpunkt, das Arbeitsmedium wird gekühlt, sein Volumen nimmt ab, zusätzlich wird es durch die Bewegung der beiden Kolben nach oben komprimiert, bis der Arbeitszylinder den oberen Totpunkt erreicht. Nun wiederholt sich der gesamte Zyklus wieder von vorne.
Aus Abbildung 1 ist auch ersichtlich, dass sich die Stromausbeute bzw. der Wirkungsgrad des Prozesses mit zunehmender Temperatur im Arbeitszylinder erhöht. Daher sind möglichst hohe Rauchgastemperaturen anzustreben. Vorteile des Stirlingmotors sind sein relativ hoher elektrischer Wirkungsgrad, der vollautomatische Betrieb und der geringe Wartungsaufwand (kein zusätzliches Personal für die Instandhaltung notwendig) sowie die einfache Einbindung in Biomassefeuerungen.
Quelle des Textes: Bios Bioenergy Österreich
