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1. Prototyp des 2 x doppelt wirkenden  a - Typ Stirlingmotors: STMOT21

Zunächst betrachten wir das Schema dieses 2 mal doppelt wirkenden Stirlingmotors

Fig. 1

4 U-förmige Rohre mit jeweils 2 senkrecht stehenden Arbeitszylindern; im horizontalen Bereich jedes "U-Rohres" befindet sich ein doppelt wirkender Arbeitskolben mit Kolbenstange.

Es bedeuten in dieser Skizze:

KW = Kurbelwelle mit Schwungrad,   KU1= unterer Kurbeltrieb, KU2= oberer Kurbeltrieb, M = Mitnehmerkupplung
H1 : Expansionszylinder, K1 : Kompressionszylinder der 1. Teilmaschine
H2 : Expansionszylinder, K2 : Kompressionszylinder der 2. Teilmaschine
H3 : Expansionszylinder, K3 : Kompressionszylinder der 3. Teilmaschine
H4 : Expansionszylinder, K4 : Kompressionszylinder der 4. Teilmaschine
WH1 - WH4 : externe Wärmetauscher für die heissen Zylinder H1 - H4
WK1 - WK4 : externe Kühler für die kalten Zylinder K1 - K4

RC Regelungs Zylinder (hier nur für die kalten Zylinder K4 und K3 skizziert)
Detailierte Information über die Regelung finden Sie im Abschnitt Regelung im Bericht über die Maschine. Die Regelung RC ist im Prototyp nicht vorhanden. Hier erfogt die Regelung über die Pumpendrehzahl.

Die Regeneratoren "R" zwischen den heissen "H"- und den kalten "K"- Zylindern sind zugleich als Gegenstrom Wärmetauscher ausgebildete Verbindungsleitungen.

Jedes der 4 Zylinderpaare dieser kompletten 2 mal doppelt wirkenden Maschine bildet eine Teilmaschine. Es gibt 4 Teilmaschinen mit je einem Expansionszylinder "H", einem Regenerator und einem Kompressionszylinder "K". Diese Teilmaschinen sind bezeichnet mit "H1-K1", "H2-K2", "H3-K3" und "H4-K4". Jede einzelne Teilmaschine ist über 2 Kurbelschwingen-Kurbeltriebe und 4 Kolbenstangen so mit den anderen Teilmaschinen verbunden, dass alle 90 Grad Kurbelwellenumdrehung ein Arbeitstakt erfolgt. Dadurch ist die Maschine selbstanlaufend.

In jedem Zylinderkopf befinden sich Einspritzdüsen für die jeweils kalte oder heisse Arbeitsflüssigkeit, die zur Wärmeübertragung bzw. zu Kühlung des unter Druck stehenden Arbeitsgases dienen. Siehe hierzu auch den Bericht über die Maschine

Das folgende Bild zeigt ein 3D-Modell der kompletten Maschine. Alle 4 Zylinder sowie die Zylinderköpfe von H1 und K1 sind hier durchsichtig dargestellt, sodaß die Kolben und die Düsenplatte in den Zylinderköpfen sichtbar werden. Die externen Wärmetauscher WH1 - WH4 und WK1 - WK4 sind hier der Übersicht halber weggelassen worden.

Nun zum Prototyp.
Es galt zunächst das Funktionsprinzip der hier beschriebenen Maschine nachzuweisen. Des weiteren sollte in dem Prototyp die Leistungsregelung auf einfachste Weise über die Variation der Pumpendrehzahl erfolgen. Dazu wurden alle 8 Pumpen gemeinsam über einen Regeltrafo angeschlossen. Aus Kostengründen wurden einfache Umwälzpumpen aus der Heizungsbranche genommen. Das hatte allerdings zur Folge, dass die Maschine maximal nur mit 120 Grad C heissem Wasser betrieben werden konnte. Eingeschränkt war daraufhin auch der Betriebsdruck in der Maschine. Druckspitzen sollten maximal 8 Bar nicht überschreiten. Kolben- und Kolbenstangendichtungen (Memory Manschetten aus PTFE der Fa. elring-Klinger) jedoch sind auch bis 200 Grad C und 20 Bar einsatzfähig.
Aus Kostengrüden wurde die Maschine elektrisch beheizt. Gekühlt wurde sie mit Wasser von ca 15 - 20 Grad C.

Um es vorwegzunehmen, Die Maschine läuft einwandfrei selbststartend aus jeder Kurbelwellenstellung an, die Regelung mittels Regeltrafo für die Pumpendrehzahl hat sich bewährt. Die Drehzahl war erwartungsgemäss gering 60 - 120 UpM. Eine Wirkungsgradbestimmung und eine Leistungsmessung konnte nicht durchgeführt werden. Das war auch nicht die Absicht; denn mit 120 Grad C maximale Vorlauftemperatur und einem Ruhedruck von 3 Bar kann auch keine grössere Leistung erwartet werden; bei der Bauweise dieses Prototyps musste auch auf eine Isolation der heissen Teile verzichtet werden, somit sind die Wärmaverluste beträtlich und nicht erfassbar für eine Wirkungsgradbestimmung; eine Leistungsmessung war nicht sinnvoll. Die hier gewonnenen Erfahrungen ermutigen aber, diesen Stirlingmotor weiter zu entwickel. Ein 2. Prototyp sollte Leistungsmessung und Wirkungsgradbestimmung möglich machen. Es gilt aber auch noch weitere Parameter zu untersuchen wie den Wärmeübergang, Einfluss des Kurbelradius u.a.

Im folgenden werden einige Fotos vom Bau der Maschine gezeigt:

Ein paar Bauteile:
Links die 90-Grad Bogen je 4 davon mit Durchführung für die Kolbenstangen. In der Mitte die 8 senkrecht stehenden Arbeitszylinder und die el. Heizstäbe. Rechts oben die horizontalen Zylinder; Davor 3 Pumpen. Der Bogen mit 2 Flanschen und Durchführung ganz rechts stammt noch von einer zuvor gebauten Teststrecke mit der Wärmeübergangsmessungen gemacht wurden.

Während des Aufbaues: Man erkennt in der Mitte die senkrecht stehenden 4 heissen Arbeitszylinder, die auf die 90 Grad-Bogen geschweisst sind. Im waagerechten Teil des "U-Rohres" sind die Zylinder mit Kolben und Kolbenstange. Die Zylinderköpfe sind montiert; Parallel zu den Arbeitszylindern die el. Heizer mit Zuleitungen und Pumpen.

Aufbau der Maschine in ganzer Ansicht. Gegenüber Bild 2 um 180 Grad gedreht. Jetzt links die heisse Seite H1-H2 und H3-H4 mit den Heizern WH1 - WH4 (Bezeichnung gem. obiger Skizze). Rechts die kalte Seite mit den "U-Rohren" K4-K3 und K1-K2 und den zugehörigen Kühlern WK1- WK4. Die Kurbelwelle ist noch nicht montiert. Die ganze Maschine mit den Kühlern und Heizern ruht auf einen Gestell aus Boschprofilen.

Mit motierter Kurbenwelle und Schwungscheibe

Bllick auf die Kurbelwelle mit dem hier einfach gestalteten Kurbelschwingen Kurbeltrieb

Kühlwasseranschluss an der kalte Seite ("U-Rohre" K4-K3, K2-K3 mit den zugehörigen Kühlern.) Um die Maschine herum befindet sich eine Ringleitung mit Ventilen zu jedem Arbeitszylinder; über diese Ventile wird die Arbeitsflüssigkeit eingefüllt.

Die Füllventile für die Gaszufuhr befinden sich an den Zylindern auf der kalten Seite. Druckkontrolle über Manometer.

Heisse Seite mit den "U-Rohren" H1-H2 und H3-H4 und den zugehörigen Heizern WH1 - WH4

Mit einer Schlauchwaage wird der exakte Füllstand der Arbeitsflüssigkeit in den Arbeitszylindern kontrolliert. Hier am Zylinder H4. Man erkennt die Ventile (mit blauem Griff) an der Ringleitung für die Zylinder H3 und H4. Oben erkennt man die Kupferrohre der Regeneratorleitungen.

Hier ein Ventil für die Arbeitsflüssikeit aus der Ringleitung zu einem der Arbeitszylinder

Ein Schaltschrank mit Schaltern für die Pumpen und die el. Heizer sowie die Temperaturregelung für die Heizer. Unten der Drehtrafo für die Pumpenspannung.

Eine Gesamtansicht der Maschine

Sehen Sie sich auch ein kurzes Video der arbeitenden Maschine an (als .wmv file Download ca 1,3 MByte.

Die Daten für den Betriebszustand dieses Laufes der Maschine sind:
P0=2,5 Bar Ruhedruck, TE = 120 Grad C, TK = 20 Grad C.

Mit Ruhedruck ist der Gasdruck in der kalten Maschine definiert bei entspanntem Kurbeltrieb. In diesem Zustand haben alle Zylinder das gleiche Gasvolumen; alle 4 Kolben stehen in der Mitte der horizontalen Zylinder.

Sehen Sie hier den animierten Bewegungsablauf der Maschine.