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Heißluftmotoren
Allgemeine Bemerkungen zu Heißluft- bzw. Stirlingmotoren:
Iin der Presse taucht immer wieder euphorisch die Meldung auf => der
Stirlingmotor hat eine große Zukunft.
Ich habe mich schon einige Zeit mit Heißluftmotoren beschäftigt,
zwar nicht mit Leistungsstirlingmotoren, sondern mit Modellmotoren.
Grundsätzlich sind die Erfahrungen auch auf den Leistungsbereich
übertragbar ( bevor die ersten bemannten Flugzeuge in die Luft gingen,
gab es erstmal Versuche mit Modellflugzeugen).
Meine Versuche bezüglich Heißluftmotoren beschränken
sich auf die grundsätzlichen Varianten dieser Motoren, dennoch wage
ich Rückschlüsse auf Leistungsstirlingmotoren zu ziehen.
Bei den Leistungsstirlingmotoren ist der technische Aufwand enorm,
um z.B. einen Wirkungsgrad von ca. 40% zu erhalten.
Das Problem aller Heißluftmaschinen ist die notwendige große
Temperaturdifferenz und die hohen Arbeitsdrücke des Gases, um einen
vernünftigen Wirkungsgrad und Leistung zu erzielen und das ist technisch
nicht einfach zu beherrschen. Die hohen Temperaturdifferenzen lassen sich
meiner Meinung nach momentan nur mit fossilen Brennstoffen erzielen und
da sind die Verbrennungsmaschinen und Gasturbinen den Heißluftmaschinen
noch überlegen. Wenn der Wirkungsgrad nicht die Rolle spielt, dann
ist mit der Sonnenergie einiges zu machen.
Ich sehe die praktische Anwendung von Stirlingmotoren in der Zukunft
auch eher in der Ausnutzung der Sonnenenergie.
Bei Verwendung von fossilen Brennstoffen scheint mir ein auf
konstante Drehzahl optimierter Diesel- oder Gasmotor mit einem Wirkungsgrad
von 45 % günstiger und ausgereifter (auch was die Lebensdauer anbetriftt)
zu sein, als ein Stirlingmotor mit einen praktischen Wirkungsgrad von 40
% ( der theoretische Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses liegt bei
ca. 66-67%, der des Stirlingprozesses bei ca. 52 %). Die Wirkungsgrade
beziehen sich auf eine max. Temperatur von ca. 800-900 Grad Kelvin, bei
einer Umgebungstemperatur von ca. 300 Grad Kelvin.
Der reale Stirlingprozess hat wegen der abgeführten Wärme
einen kleineren Wirkungsgrad als der Carnot-Prozess.
Wenn ich meine Modell-Heißluftmotoren unter dem Gesichtspunkt
Leistung betrachte, dann muss ich die Motoren geradewegs auf den Müll
befördern.
Da setze ich z.B. einen Brenner (Teelicht oder Spiritusbrenner), der
eine Leistung von ca. 10-100 W! hat ein, und heraus bekomme ich, selbst
wenn ich alles gut und optimiert gefertigt habe, vielleicht eine Leistung
mechanisch oder elektrisch von 1-10 W heraus. Grob überschlagen
kommt da nur 1/10 der eingesetzen Leistung raus. Das ist eine
Leistunggsbilanz!
Zum Vergleich:
ein bürstenloser Elektromotor (Brushlessmotor) erreicht einen
Wirkungsgrad von 80-90%.
Bei einem mit Sonnenenergie betriebenen Stirlingmotor spielt der Wirkungsgrad
nicht die entscheidende Rolle, da Sonnenenergie praktisch unbegrenzt zur
Verfügung steht. Vermutlich ist es der richtigere Weg einen Low Temperature
Difference Stirling (LTD-Stirling) mit größerer Leistungausbeute
zu konzipieren, nur ist mit der Sonneneinstrahlung in unseren Breitengraden
auch nicht gerade der Blumentopf mit dem Stirling-Prozess zu gewinnen.
Ich gebe da den Solarzellen für die Zukunft mehr Chancen, da diese
auch bei bedecktem Himmel noch etwas Strom liefern können.
Bemerkung zum Bau von Modell-Heißluftmotoren:
Viele Modellbauer sind sich nicht bewusst, welch geringe Leistung die
(Modell)heißluftmotoren haben. Die Schwierigkeiten, die manche Modellbauer
beim Nachbau dieser Motoren haben, ist auf diese Tatsache zurückzuführen.
Das fängt mit der Kolben/Zylinder-Kombination an, die nicht reibungsarm
und luftdicht genug ausgeführt wird (Schmierung ist auch nicht das
wahre Hilfsmittel und gilt auch nur für größere Motoren
) und hört bei den Übertragungsteilen (Gestänge, Pleuel
etc.) auf. Ein kritischer Punkt ist auch die Führungsbuchse zum Verdrängerkolben,
sie muss reibungsarm und dennoch luftdicht sein und der Verdrängerkolben
sollte so leicht wie möglich sein, vor allem wenn er waagerecht geführt
wird.
Wer schon mal einen kleinen (1ccm) Modellmotor (Diesel oder Glühzünder)
in Betrieb hatte und vergleicht die Leistung dieser Motörchen mit
einem Heißluftmotor gleicher Baugröße (Hubraum und Hub)
der weiß, "wo der Hammer hängt".
Es ist beim Bau von Modellheißluftmotoren unbedingt auf absolute
Reibungsarmut aller Bauteile zu achten und die bekomme ich nur, wenn ich
beim Bau nicht "schludere", sondern präzise arbeite, besonders bei
den Übertragungsteilen wie Gestänge, Pleuel, Pleuelbefestigung,
korrekter Sitz der Kugellager etc.
Es gibt hierzu einen einfachen Test (ich gehe davon aus, dass der Kolben
den Zylinder luftdicht verschließt):
Wird das fertige Motörchen ohne Flamme mit kräftigem Schwung
"angeworfen", dann muss das Schwungrad noch etliche (wenigstens 5) Umdrehungen
weiterdrehen, bevor es stehenbleibt.
Gibt es da nur 1 oder 2 Umdrehungen, dann ist die Reibung zu hoch.
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