3.3.4 Heißluftmotor – Realisierung des Stirling‘schen Kreisprozesses

Aufbau des Heißluftmotors

Mit einem Heißluftmotor lässt sich der Stirling’sche Kreisprozess näherungsweise realisieren. Er kann sowohl als Wärmekraftmaschine als auch als Wärme- bzw. Kältepumpe betrieben werden. Im Folgenden wird zunächst der Aufbau als Wärmekraftmaschine beschrieben.

Aufbau des Heißluftmotors als Wärmekraftmaschine

Arbeitszylinder beim Aufbau als Wärmekraftmaschine.

p(V)-Indikator zur Anzeige eines p(V)-Diagramms.

Der Heißluftmotor besteht im Wesentlichen aus einem Arbeitszylinder mit zwei Kolben, die um 90° phasenverschoben arbeiten. Den aus hitzebeständigem Glas gearbeiteten Arbeitszylinder umgibt im unteren Teil ein durchsichtiges Kühlwassermantelrohr aus Kunststoff. Damit wird der untere Teil des Zylinders auf niedriger Temperatur gehalten. Im oberen Zylinderteil kann das Arbeitsgas (Luft) mit einer Glühwendel erwärmt werden.

Im Innern des Arbeitszylinders befinden sich zwei Kolben: Arbeits- und Verdrängerkolben.
Der Arbeitskolben schließt das Zylindervolumen gegen die Umgebung ab. Über ihn lässt sich das Volumen des Arbeitsgases ändern und mechanische Arbeit zuführen (beim Betrieb als Kältemaschine / Wärmepumpe) bzw. abführen (Wärmekraftmaschine).
Der Verdrängerkolben erzwingt den Übergang des Arbeitsgases aus dem unteren in den oberen Zylinderteil und umgekehrt. Er ist ebenfalls aus hitzebeständigem Glas hergestellt und hat einen axialen Hohlraum zum Durchgang des Arbeitsgases. Dieser ist mit Kupferwolle ausgefüllt, um die Energiebilanz durch Wärmespeicherung für die isochoren Zustandsänderungen des Arbeitsgases zu verbessern.

An der hohlen Kolbenstange des Arbeitskolben lässt sich ein Manometer anschließen, mit dem der Innendruck des Zylinders gemessen werden kann. Mit Hilfe eines p(V)-Indikators kann über einen Lichtstrahl (z.B. Laser) die Änderung von Druck und Volumen auf einem p(V)-Diagramm aufgetragen werden. Der Indikator besteht aus einem drehbar gelagertem Spiegel. Der Druck wird über einen beweglichen PVC Schlauch auf ein um seine vertikale Achse drehbares Manometer übertragen. Zudem ist der Spiegel mechanisch an die Bewegung des Arbeitskolbens gekoppelt, so dass sich Volumenänderungen über eine horizontale Drehung zeigen.

Film: Stirling-Maschine als

Wärmekraft-maschine	Wärmepumpe	Kältepumpe
Aufbau	Aufbau	Aufbau
Betrieb	Betrieb	Betrieb
Arbeitszyklus	Arbeitszyklus	Arbeitszyklus
p(V)-Diagramm	p(V)-Diagramm	p(V)-Diagramm
Energiefluss	Energiefluss	Energiefluss