Stirling - Kolin, Ivo - Historische Stirlingmotoren 1815-1990.pdf - Stirling dokumenty - robocz

l STIRLING -1815

Zwei getrennte Zylinder

Das früheste und einfachste Modell befindet sich in der

Universität Edinburgh. Es wurde höchstwahrscheinlich um

1815 gebaut, also noch vor der Patenterteilung von 1815.

Nach der allgemein anerkannten Klassifizierung bezeichnet

man dieses Modell als Gamma-Typ. Da die Maschine

jedoch mit Luftkühlung arbeitet, stellt das Heinrici-Modell

(Nr.20), das mit Wasserkühlung arbeitet, den Gamma-Typ

besser dar. Das Heinrici-Modell eignet sich besonders gut

als Schulbeispiel, um das Arbeitsprinzip zu erklären.

2 STIRLING-1816

Zwei Kolben in einem Zylinder

Wenn für beide Kolben nur ein Zylinder verwendet wird,

läßt sich der Fließwiderstand im Verbindungsrohr

vermeiden. Man spart dadurch aber nicht viel ein. Der

Arbeitsmechanismus bringt technische Schwierigkeiten mit

sich, weil der Verdrängerkolben durch den Arbeitskolben

bewegt werden muß. Dieses Problem wurde im Laufe der

Zeit von vielen Erfindern durch eine Reihe erfolgreicher

Lösungen überbrückt. Lehmann (Nr. 10) führte später die

Wasserkühlung ein. Seine Maschine stellt daher den Beta-

Typ besser dar als die Original-Stirling-Maschine.

3 STIRLING-1827

Maschine mit Regenerator

Die Stirling-Methode: "Die erste Verbesserung besteht

darin, den Luflbehälter und den Plungerkolben so

auszuformen und zu konstruieren, daß die dünnen Plättchen

im Plungerkolben, die den Wärmedurchlauf nach oben

verlangsamen sollen, gleichzeitig zum Erwärmen und

Kühlen der Luft dienen können. Die zweite Verbesserung

besteht darin, zwei oder auch mehr dieser Luftbehälter und

Plungerkolben an einen Zylinder anzuschließen. Dadurch

entsteht eine wechselnde und gleich große Einwirkung auf

die entgegengesetzten Seiten des gleichen Kolbens."

4 STIRLING-1840

Getrennter Regenerator

Zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche führte

Stirling röhrenförmige Wärmetauscher ein, die später

weitgehende Verbreitung fanden. In der Patentspezifikation

wird statt des Wortes "Regenerator" das Wort "Plate-box"

verwendet. Der Behälter wurde "mit ungefähr 1/40 Zoll

dicken Blechplatten gefüllt. Der Abstand zwischen den

einzelnen Platten betrug 1150 Zoll. Dieser Abstand wurde

durch kleine Stege oder Markierungen erzielt. Die einzelnen

Platten bestehen aus mindestens vier Teilen. Dadurch

verzögert sich die Wärmeübertragung vom heißen zum

kalten Teil des Plattenstapels"

5 STIRLING - 1845

Kreisprozeß unter Druck

Die getrennt arbeitende Pumpe (die hier nicht gezeigt wird)

diente dazu, ein extra Reservoir mit komprimierter Luft zu

füllen. Von hier aus konnte die Maschine aufgeladen

werden, bis der Arbeitsdruck erreicht war. Diese Maschine

mit 2,5 PS diente acht oder zehn Monate lang als Antrieb

für die gesamte Maschineneinrichtung der Dundee-Gießerei.

Als sich herausstellte, daß die Antriebskraft zu niedrig war,

wurde eine stärkere Maschine des selben Typs konstruiert,

die über zwei Jahre lang ohne Unterbrechung arbeitete.

6 NAPIER-RANKINE - 1854

Heiße und kalte röhrenförmige Wärmetauscher

Weniger als zehn Jahre nach der Konstruktion der letzten

Stirling-Maschine setzten Napier und Rankine auch in der

heißen Seite röhrenförmige Wärmetauscher ein. Sie

verwendeten ungefähr 20 Röhren, um den

Wärmeübertragungsbereich so weit wie möglich zu

vergrößern. Die Maschine enthielt zusätzlich noch

zahlreiche Stangen und Hebel (die nicht dargestellt sind),

die dazu dienen sollten, das Kolbenspiel des

Verdrängerkolbens und des Arbeitskolbens während des

Betriebes zu ändern. Es ist nicht überliefert, ob dieser

Maschinenprototyp jemals in Betrieb genommen wurde.

Der Grund dafür war wahrscheinlich der übermäßig große,

tote Raum innerhalb der Maschine.

7 ERICSSON- l860

Offener Stirling-Zyklus

Um technische Schwierigkeiten mit dem Kühlwasser zu

vermeiden, konstruierte Ericsson den offenen Zyklus. Nach

jedem Hub wurde die heiße, ausgedehnte Luft durch neue,

kalte Luft aus der Umgebung ersetzt. Bei dieser Betriebsart

ging sehr viel Wärme verloren, so daß nur eine

Gesamtleistung von 2% erreicht wurde. Trotz dieses

Nachteils fand die Maschine weite Verbreitung und wurde

als Antrieb für Buchdruckerpressen, Nebelhörner auf

Leuchttürmen, Wasserpumpen und viele andere Zwecke

eingesetzt

8 LAUBEREAU -1861

Vergrößerte Wärmeübertragungsfläche

Die Maschine hat Ähnlichkeit mit der unter -7-

beschriebenen Ericsson-Maschine, aber sie weist auch

große Unterschiede dazu auf. Laubereau vergrößerte die

Wärmeübertragungsfläche auf der kalten und heißen Seite

durch die Verwendung eines engen Ringspalts um einen

hohlen Zentralkolben herum beträchtlich. Dadurch

vergrößerte er leider auch die Strömungsverluste durch den

komplizierten Luftdurchlaß innerhalb des Zylinders.

Infolgedessen erreichte die Maschine nur eine

Gesamtleistung von 1,8%. Als Vergleich kann die

Lehmann-Maschine (Nr. 10) dienen, die eine Gesamtleitung

von 4% erreichte.

9 YOUNG und KIRK - 1865

Gezahnter Wärmeübertragungsbereich

Die Maschine wurde mit kondensiertem Dampf geheizt.

Dadurch erhöhte sich der Wärmeübertragungskoeffizient

beträchtlich. Als Auslöser für diese Konstruktion scheint

das zweite Stirling-Patent (Nr.3) gewirkt zu haben. Die

Konstrukteure verwendeten jedoch eine wesentlich größere,

gezahnte Fläche. Das ursprüngliche Konzept der Flachplatte

erscheint auch in dieser Maschine, die dadurch einen

interessanten Konstruktionsversuch aus der frühen

Entwicklungsphase darstellt. Leider gibt es keinerlei

Berichte über eine Weiterentwicklung in dieser Richtung.

10 LEHMANN-1866

Der charakteristische Beta-Typ

Wasserkühlung ist der Hauptvorteil der Lehmann-Maschine

im Vergleich zu der ähnlichen, luftgekühlten Stirling-

Maschine (Nr.2). Die Lehmann-Maschine repräsentiert also

den Beta-Typ besser als die ursprüngliche Stirling-

Maschine. Den besten und ausführlichsten Bericht über die

Erprobung der Lehmann-Maschine lieferte Ingenieur Eckert,

Direktor der Weitzer Kutschen-Fabrik, "Weitzer Coach

Co.", in Graz, Österreich. Seine Erprobungen sowie die

Kommentare von Delabar bilden die Grundlage, auf der

Professor Schmidt (1871) seine Theorie über alle

Maschinen vom Typ Stirling aufbaute.

11 LAUBEREAU - 1869

Unterbrochene Bewegung

Der französische Erfinder Laubereau führte eine Art

unterbrochene Bewegung ein. Er benutzte das Homblower-

Dreieck für die Bewegung des Verdrängerkolbens. Da die

technischen Schwierigkeiten größer waren als die

praktischen Vorteile, ließ er bei späteren Konstruktionen

das Dreieck fort. Seine Maschine fand vor allem

Anwendung als Antrieb von Mischwerken und kleinen

Umwälzpumpen in vielen chemischen Laboratorien jener

Zeit.

12 ERICSSON -1870

Die erste Heißluftmaschine mit Solarantrieb

Hier die Beschreibung, die Ericsson selbst gab: "Der erste,

durch direkte Sonneneinstrahlung betriebene Motor wurde

in New York gebaut. Er sollte ein Geschenk für die

französische Akademie der Wissenschaften sein. Ein

Solarmotor von l PS braucht die gespeicherte

Sonnenwärme einer Fläche von 10 Quadratfuß. Die Zeit

wird kommen, in der Europa aus Kohlenmangel seine

Fabrikanlagen stillegen muß. Dann wird Oberägypten, ein

Land mit nie nachlassender Sonneneinstrahlung, die

europäischen Industriellen auffordern, ihre

Maschinenanlagen abzubauen und auf dem festen

Untergrund am Nilufer neu zu errichten"

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