Was ist der Stirling-Zyklus?
Der Stirling-Kreislauf ist eine Art regenerativer thermodynamischer Kreislauf, bei dem ein in sich geschlossenes Arbeitsfluid und eine interne Wärmeaustauschkomponente verwendet werden können, um entweder Wärme in mechanische Bewegung umzuwandeln oder umgekehrt. Dies macht den Stirling-Kreislauf für Motoren, Wärmepumpen, Kälteanlagen und zahlreiche andere Anwendungen nützlich. Eine Reihe verschiedener Motorkonstruktionen verwenden den Stirling-Zyklus, von denen die meisten entweder einen oder zwei Zylinder enthalten. Unabhängig von der spezifischen Konstruktion durchläuft ein Motor, der diesen Zyklus verwendet, die vier Schritte der Komprimierung, der Wärmezufuhr, der Expansion und der Wärmeabfuhr.
Es gibt eine Reihe verschiedener Verbrennungsmotoren, von denen jeder eine andere Art von thermodynamischem Zyklus verwendet. Dampfmaschinen arbeiten nach den Prinzipien des Rankine-Kreislaufs, bei dem ein Arbeitsfluid wie Wasser sowohl in flüssigem als auch in gasförmigem Zustand verwendet wird. Von Zeit zu Zeit müssen zusätzliche Flüssigkeiten hinzugefügt werden, was die Effizienz dieser Systeme verringert. Der Stirling-Zyklus, der ursprünglich 1816 als Rivale für den Rankine-Zyklus erfunden wurde, verwendet eine Arbeitsflüssigkeit, die im System eingeschlossen ist. In den meisten Fällen ist das in Stirlingmotoren verwendete Arbeitsmedium Luft.
Die Grundidee hinter dem Stirling-Zyklus dreht sich um das Erhitzen und anschließende Abkühlen eines einzelnen Volumens Arbeitsflüssigkeit. Dies verursacht die Wärmeausdehnung und -kontraktion des Fluids, mit der mechanische Arbeiten ausgeführt werden können. In den meisten Fällen wird dies durch Anbringen von Kolben an einem Schwungrad erreicht. Während sich die Flüssigkeit im System ausdehnt und zusammenzieht, werden die Kolben auf und ab bewegt, wodurch sich das Schwungrad dreht. Der Stirling-Zyklus wird als Regenerationszyklus bezeichnet, da das Fluid in sich geschlossen ist und sowohl in der Kompressionskammer als auch in der Expansionskammer das gleiche Fluidvolumen verwendet wird.
Die Verwendung des Stirling-Zyklus ist nicht auf Motoren beschränkt, da der Prozess auch umkehrbar ist. Dies bedeutet, dass ein Gerät, das diesen Zyklus verwendet, als Wärmepumpe fungieren kann, wenn mechanische Energie zugeführt wird. In diesem Fall werden die Kolben mit externer mechanischer Energie angetrieben, die das Arbeitsfluid zwischen Expansionskammer und Kompressionskammer pumpen. Abhängig von der Art und Weise, wie ein Gerät eingerichtet ist, kann diese Umkehrung des Kreislaufs in einer Wärmepumpe, einem Kältegerät oder einer anderen Anwendung verwendet werden, die die Übertragung von Wärmeenergie erfordert.