Stirlingmotoren für Anfänger: Funktionsprinzipien, Eigenbauten und häufige Verwendung

Ein Stirlingmotor ist ein einzigartiger Motor, der Wärme mithilfe von Temperaturunterschieden und Luft in mechanische Energie umwandelt. Er vereint Kreativität und Wissenschaft – ideal für Schüler, Heimwerker und alle Interessierten. In dieser Anleitung erfahren Sie, wie er funktioniert, können Ihre eigene Version zu Hause bauen und praktische Anwendungen entdecken, die Sie wahrscheinlich überraschen werden. Tauchen wir also ein in diese faszinierende Analyse!

 

Abbildung Nr. 1 Stirlingmotor-Anleitung

1) Was ist ein Stirlingmotor?

 

Ein Stirlingmotor ist ein Beispiel für eine Wärmekraftmaschine, die thermische Energie in mechanische Energie umwandelt. Anders als bei herkömmlichen Motoren wird der Kraftstoff nicht im Inneren verbrannt. Stattdessen wird eine externe Wärmequelle genutzt – beispielsweise die Sonne oder eine heiße Wasserkerze. Dies verbessert die Effizienz, Sauberkeit und Geräuschentwicklung des Stirlingmotors deutlich.

Zu Ihrer Information: Robert Stirling hat das Gerät erstmals im Jahr 1816 entwickelt und es ist auch über zwei Jahrhunderte später noch in modernen technologischen Anwendungen nützlich.

 

Abbildung Nr. 2 Verwendung eines Stirlingmotors

 

➔ Wo werden Stirlingmotoren eingesetzt?

In der Praxis werden Stirlingmotoren in Solarstromanlagen, geräuscharmen Generatoren und U-Booten eingesetzt. Der Grund für ihre Vielseitigkeit liegt darin, dass sie im Vergleich zu herkömmlichen Motoren weniger bewegliche Teile haben, wodurch sie zuverlässiger sind und deutlich weniger Wartung erfordern.

2) Wie funktioniert ein Stirlingmotor ?

 

Stirlingmotoren basieren auf dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik (Energie wird von Wärme in Bewegung umgewandelt, bleibt aber erhalten). Möchten Sie jedoch besser verstehen, wie ein Stirlingmotor funktioniert ? Dann schauen Sie sich zunächst einige seiner Hauptkomponenten an, die zusammen die Stromerzeugung ermöglichen.

 

➔ Komponenten von Stirlingmotoren

 

Zylinder: Dies bezeichnet den abgedichteten Teil des Stirlingmotors, der das Arbeitsgas ( Luft , Helium oder Wasserstoff) für die inneren Motorteile enthält. In diesem Bereich arbeitet das Gas normalerweise und unterliegt dabei besonderen Bewegungen oder Temperaturänderungen.

 

Kolben: Ein Kolben ist ein bewegliches Bauteil im Zylinder, das in einer Linie mit diesem geschoben oder gezogen werden kann.

 

Heißes Ende: Dies ist der Teil des Zylinders, der normalerweise durch heiße Luft, loderndes Feuer oder die Sonne auf bis zu 700 °C erhitzt wird.

 

 

Abbildung Nr. 3 Komponenten des Stirlingmotors

 

Kaltes Ende: Dies ist das Gegenteil des heißen Endes, das normalerweise unter 100 Grad Celsius kühl gehalten wird, um den zum Antrieb des Motors erforderlichen Temperaturunterschied aufrechtzuerhalten.

 

Regenerator: Dieser Teil befindet sich zwischen dem heißeren und dem kälteren Ende. Normalerweise speichert es die Wärme der Gase und gibt sie bei Bedarf wieder ab, wodurch die Effizienz maximiert wird.

 

Schwungrad: Dies ist die auf dem Kolben angebrachte Komponente, die aufgrund der Dynamik (Bewegungsmenge) einen mühelosen Betrieb des Motors auf seinem Weg zum Abschluss des Zyklus ermöglicht.

 

➔ Schritt-für-Schritt-Arbeitsanleitung

 

Nachdem Sie nun mit den Komponenten vertraut sind, folgt hier der Betriebsablauf:

 

Schritt 1) Zunächst muss der Motor mit einer geeigneten Heizquelle ausgestattet werden. Dies kann alles sein, von einer Gasflamme bis hin zu Solarenergie. Nur das heiße Ende des Motors wird erhitzt, und diese Seite kann eine Temperatur von bis zu 600 °C erreichen.

 

Schritt 2) Beim Erhitzen dehnt sich das Gas (Helium, Luft oder Wasserstoff) im Zylinder aus. Die Kreisbewegung des Kolbens ist eine Folge der Ausdehnung. Dies ist der erste Schritt bei der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie.

 

 

Abbildung Nr. 4: Funktionsdiagramm des Stirlingmotors

 

Schritt 3) Wenn sich der Kolben bewegt, dreht sich auch das Schwungrad (am Kolben befestigt). Diese Bewegung kann dann zum Drehen von Ventilatoren oder Generatoren führen.

 

Schritt 4) Nun gelangt das Gas in den kalten Teil des Motors. Dieser wird durch einen Luftstrom oder einen anderen Kühlmechanismus gekühlt. Durch die Abkühlung zieht sich das Gas weiter zusammen, wodurch der Kolben in seine Ausgangsposition zurückkehren kann.

 

Der Prozess des Erhitzens, der starken Ausdehnung, der Abkühlung und der Kontraktion erfolgt gleichzeitig. Der Temperaturunterschied versetzt den Kolben in Bewegung, und das Schwungrad hält alles synchron. Bei einem Temperaturunterschied von ca. 500 °C arbeitet der Stirlingmotor mit einem Wirkungsgrad von satten 40 %.

 

Darüber hinaus ein Quora  Benutzer Bryan Todd , Flugsteuerungsingenieur bei Boeing, meinte, die Effizienz von Stirlingmotoren könne durch die Reduzierung des Wärmeverlusts gesteigert werden. Ich stimme jedoch zu, dass kein Motor 100 % effizient sein kann.

 

3) Was sind die Hauptmerkmale des Stirlingmotors?

 

Interessiert es Sie, warum Stirlingmotoren in so vielen verschiedenen Geräten – von Solaranlagen bis hin zu U-Booten – zu finden sind? Wenn ja, dann werde ich hier einige ihrer bemerkenswerten Eigenschaften erläutern, die hoffentlich Ihre Verwirrung beseitigen können.

 

● Nutzung externer Wärmequellen: Der Rührmotor verbrennt zwar keinen Kraftstoff, nutzt aber Wärme von außen, beispielsweise Sonnenlicht, Feuer oder sogar Abwärme.

 

● Sauber und schadstoffarm: Da er externe Wärmequellen nutzt, entsteht nur sehr wenig Rauch und schädliche Gase. Daher ist dieser Motor ideal für umweltbewusste Menschen.

 

● Abgedichtet und wartungsarm: Darüber hinaus wird das Arbeitsgas auch in die Motorkomponenten eingeleitet. Dadurch entstehen weniger bewegliche Teile, was im Laufe der Zeit zu weniger Verschleiß und niedrigeren Wartungskosten führt.

 

● Leiser Betrieb: Da es im Inneren weder zu Explosionen noch zu Funkenbildung kommt, läuft der Motor geräuschlos, was sich gut für ruhige Orte wie Labore oder Unterwasserfahrzeuge eignet.

 

● Hohe Effizienz: Stirlingmotoren können einen thermischen Wirkungsgrad von fast 40 % haben, was sie durchschnittlichen Motoren überlegen macht, die normalerweise bei etwa 25–30 % liegen.

 

● Anpassbar an verschiedene Wärmequellen: Flexibilität ist ein weiteres wunderbares Merkmal. Dieser Motor kann Strom aus Sonnenlicht, heißer Luft, Gas oder sogar brennendem Holz erzeugen.

 

Kunden, die etwas Sauberes, Leises und Effizientes suchen, können den Stirlingmotor in Betracht ziehen.

 

4) Wie verwendet man den Stirlingmotor?

 

Bevor Sie einen Stirlingmotor einsetzen, ist es wichtig, dessen Funktionsprinzip zu kennen, das wir bereits in den vorherigen Abschnitten erläutert haben. Für optimale Ergebnisse sollten Sie jedoch eine konstante Wärmequelle, eine kühlere Umgebung am kalten Ende sowie regelmäßige Wartungen hinsichtlich Luftleckagen und Schmierung sicherstellen.

 

Darüber hinaus muss auch die Ausrichtung der Teile überprüft werden, da falsch ausgerichtete Teile ebenfalls Energieverschwendung verursachen. Lassen Sie uns nun einige der wichtigsten Anwendungen besprechen, bei denen die Vielseitigkeit und Effizienz des Stirlingmotors in vielen Branchen einen bleibenden Eindruck hinterlassen hat.

 

i) Erneuerbare Energiequellen

 

Stirlingmotoren erfreuen sich in solarbetriebenen Systemen großer Beliebtheit. Solarkollektoren erhitzen das heiße Ende des Motors, wodurch die thermische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird. So kann die mechanische Energie in Strom umgewandelt werden, was Stirlingmotoren zu einer der umweltfreundlichsten Möglichkeiten der Energieerzeugung macht.

 

ii) Abwärmerückgewinnung

 

Stirlingmotoren eignen sich ideal zur Rückgewinnung der Abwärme motorbetriebener Industrieprozesse oder auch von Kraftfahrzeugen. Der Stirlingmotor kann eine bestimmte Menge an thermischer Abwärme, die sonst in die Atmosphäre verloren gehen würde, zurückgewinnen und in nutzbare mechanische oder elektrische Energie umwandeln. Dadurch wird die Effizienz des Systems verbessert.

 

iii) Kühlung und Kühlung

 

Stirlingmotoren können auch in Umkehrzyklen arbeiten und als Kühlsystem dienen. Durch die Umkehrung der Temperaturdifferenz kann der Motor auch zur Kühlung und Klimatisierung eingesetzt werden, was ihn im Vergleich zu herkömmlichen Kühlsystemen zu einer umweltfreundlicheren Alternative macht.

 

iv) Weltraummissionen

 

Stirlingmotoren werden in verschiedenen Weltraummissionen eingesetzt, um die beim radioaktiven Zerfall von Brennstoffen entstehende Wärme in elektrische Energie umzuwandeln. Sie dienen als zuverlässige Energiequelle für Raumfahrzeuge, insbesondere bei Langzeitmissionen, bei denen herkömmliche Energiequellen nicht möglich sind.

 

v) Stromerzeugung außerhalb des Stromnetzes

 

Stirlingmotoren können netzunabhängige Stromversorgung in abgelegenen Gebieten gewährleisten. Unabhängig davon, ob sie mit Solarenergie oder Abwärme betrieben werden, bieten Stirlingmotoren zuverlässige Stromerzeugung an Orten ohne konventionelle Energiequellen.

vi) Marineanwendungen

 

Zur Stromerzeugung in Booten und Schiffen werden Stirlingmotoren im maritimen Bereich eingesetzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Schiffsmotoren sind Stirlingmotoren eine sehr effiziente und emissionsarme Alternative.

 

vii) Elektrofahrzeuge

 

Einige Elektrofahrzeugmodelle nutzen Stirlingmotoren, um die Reichweite des Fahrzeugs zu erhöhen. Während der Fahrt laden diese Motoren die Batterie auf, wodurch eine größere Reichweite möglich wird und keine zusätzlichen Emissionen entstehen.

 

Diese Anwendungen zeigen, dass der Stirlingmotor unterschiedlichen Branchen und Umgebungen effiziente und nachhaltige Energielösungen bieten kann.

 

5) Wie man einen Stirlingmotor baut

Möchten Sie zu Hause einen Stirlingmotor bauen ? Dann keine Sorge! Der Bau eines Stirlingmotors kann ein unterhaltsames Heimwerkerprojekt sein. Es ist gar nicht so schwierig, wie es scheint. Hier finden Sie eine Übersicht über die Vorgehensweise beim Bau eines Stirlingmotors zu Hause mit einem Stirlingmotor-Bausatz .

➔ Erforderliche Komponenten:

 

● Stirlingmotor-Bausatz: Dieser enthält die meisten benötigten Teile wie Kolben, Kurbelwellen, Schwungräder und einen Rahmen.

 

● Schraubendreher: Um sicherzustellen, dass die einzelnen Bestandteile richtig miteinander verbunden werden.

 

● Schraubenschlüssel: Zum festen Anziehen der Schrauben.

 

● Schmiermittel: Damit die beweglichen Teile leichtgängig funktionieren.

 

● Wärmequelle: Die beste Wärmequelle für den Motor ist eine Kerze oder ein kleiner Spiritusbrenner.

➔ Schritt-für-Schritt-Montageanleitung:

 

Schritt 1) Auspacken des Kits:

 

Öffnen Sie das Kit vorsichtig und legen Sie alle Komponenten auf eine saubere Arbeitsfläche. Überprüfen Sie alle benötigten Teile gemäß den Anweisungen. In den meisten Fällen liegt den Kits eine Anleitung bei. Nutzen Sie diese als primäre Ressource.

 

Schritt 2) Befestigen Sie die Basis:

 

Befestigen Sie zunächst den Motorsockel am Rahmen. Dieser Teil ist entscheidend für die Stabilisierung der gesamten Baugruppe und muss daher unbedingt mit Schrauben befestigt werden.

 

Schritt 3) Einbau von Kolben und Zylinder:

 

Setzen Sie den Kolben in den Zylinder ein. Der Kolben sollte frei im Zylinder gleiten. Wenn er zu eng sitzt, überprüfen Sie die korrekte Ausrichtung.

 

Schritt 4) Kurbelwelle anschließen:

 

Die Kurbelwelle ist das Bindeglied zwischen Kolben und Schwungrad. Die Kurbelwelle muss positioniert und arretiert werden. Wichtig: Die Kurbelwelle muss so positioniert sein, dass sie sich ohne Widerstand drehen kann.

 

Schritt 5) Schwungrad montieren:

 

Das Schwungrad sitzt auf der Kurbelwelle. Dieses Teil sorgt dafür, dass der Motor nach dem Start weiterläuft. Achten Sie darauf, dass es richtig sitzt und sich frei drehen kann.

 

Schritt 6) Installieren Sie den Verdrängerkolben (falls vorhanden):

 

Einige Kits enthalten einen Verdrängerkolben. Dieser dient der Luftzirkulation im Motor, um die für den Motorbetrieb erforderliche Temperaturdifferenz zu erzeugen. Installieren Sie ihn gemäß den Anweisungen und stellen Sie sicher, dass keine Reibung entsteht.

 

Schritt 7) Wärmequelle montieren:

 

Der Stirlingmotor funktioniert durch einen Temperaturunterschied zwischen heiß und kalt. Platzieren Sie eine Wärmequelle, z. B. eine Kerze oder einen kleinen Spiritusbrenner, unter dem heißen Teil des Motors, um die Luft im Kolben zu erhitzen. Dadurch wird der Kolben bewegt.

 

Schritt 8) Führen Sie eine begrenzte Schmierung durch:

 

Vergessen Sie nicht, eine kleine Menge auf die beweglichen Teile wie Kurbelwelle und Schwungrad aufzutragen. Dies verbessert die Motorleistung durch Reibungsreduzierung. Achten Sie darauf, kein Schmieröl auf Kolben und Zylinder aufzutragen. Die Viskosität des Schmieröls beeinträchtigt die reibungslose Bewegung des Kolbens im Zylinder.

 

Schritt 9) Versuchen Sie, den Motor laufen zu lassen:

Nach Abschluss der Montage ist es an der Zeit, den Motor zu starten. Zünden Sie das Heizelement und platzieren Sie es unter dem heißen Ende des Motors. Das Heizelement dehnt die Luft aus und drückt den Kolben, wodurch das Schwungrad dreht. Sollte der Motor nicht anspringen, ziehen Sie alle zu lockeren Teile fest und prüfen Sie, ob der Widerstand jedes beweglichen Teils gering genug ist.

 

➔ Tipps für eine effektive Leistung:

 

➢ Überprüfen Sie doppelt, ob jede Komponente befestigt ist, um sicherzustellen, dass nichts locker ist und sich die Komponenten nicht bewegen.

 

➢ Verwenden Sie ein Heizelement mit niedriger Wattzahl und erhöhen Sie diese schrittweise, um den Motor ausreichend aufzuheizen.

 

➢ Wenn der Motor nicht reagiert, prüfen Sie, ob die beweglichen Teile blockiert sind.

 

Ein Stirlingmotor lässt sich mithilfe von Anleitungen effizient zusammenbauen. Dies ermöglicht dem Benutzer, die Grundlagen mechanischer Arbeit und Wärmeenergie zu verstehen. Ganz abgesehen davon macht es Spaß, einen Motor zu bauen!

 

Wenn Sie einen Stirlingmotor-Bausatz zum Selberbauen kaufen möchten , besuchen Sie unsere Website. Wir bieten DIY-Modelle zu erschwinglichen Preisen an und fördern so die Kreativität von Heimwerkern und Schülern.

 

6) Zusammenfassung

 

Alles in allem bieten Stirlingmotoren eine umweltfreundliche Alternative zu konventionellen Antriebssystemen. Wenn Sie tiefer in diese faszinierende Technologie eintauchen möchten, besuchen Sie unsere Produktkategorieseite auf EnginDIY. Wir bieten zahlreiche Materialien und Werkzeuge für verschiedene Stirlingmotor-Projekte. Beginnen Sie Ihre Reise zu sauberer Energie mit EnginDIY – hier treffen Qualität und Expertise aufeinander.

 

 

7) FAQs

 

i) Wie hoch ist der Wirkungsgrad eines Stirlingmotors?

 

Stirlingmotoren erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 40 % und sind damit deutlich effizienter als viele konventionelle Motoren. Der Wirkungsgrad steigt jedoch deutlich mit dem Temperaturunterschied an den beiden Enden.

 

ii) Welche Arten von Wärmequellen können verwendet werden?

 

Es können verschiedene Wärmequellen genutzt werden, darunter Sonne, Flammen oder sogar die Restwärme von Industriemaschinen. Stirlingmotoren sind angepasst und können mit einer Vielzahl externer Wärmequellen arbeiten.

 

iii) Ist der Bau eines Stirlingmotors schwierig?

 

Stirlingmotoren sind schwierig zu bauen, aber wenn Sie die richtigen Schritte befolgen und die richtige Materialliste verwenden, ist es ein Kinderspiel. Denken Sie daran, dass funktionierende Modelle mit etwas Geduld möglich sind.