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Wärmekraftmaschine

Stirling-Kreislauf

Ein Stirling-Kreislauf läßt sich in zwei Richtungen betreiben.

Anlegen einer Temperaturdifferenz (Heizen oder Kühlen) =>> Abgabe von mechanischer Arbeit
Zufuhr von mechanischer Arbeit =>> Herstellung einer Temperaturdifferenz (Heizen oder Kühlen)

Bei einer Dampfmaschine oder Turbine besteht nur die erste Möglichkeit.

Robert Stirling hat 1816 eine Wärmekraftmaschine entwickelt, die nun seinen Namen trägt.
https://de.wikipedia.org/wiki/Stirlingmotor

0. Kraftmaschinen, Kraft des Feuers
1. Eigenschaften von Gasen
2. Stirling Motor, Geräte im Praktikum
3. Kältemaschine
4. Antriebsmotoren nach dem Stirling Kreislauf
5. Sonstiges, Thermoakustischer Effekt, Rijke-Rohr

0. Kraftmaschinen (Antrieb oder Motor, Generator) und Arbeitsmaschinen (Wärmepumpe, Kältemaschine)

Die Kraft des Feuers

Erhitzt man Wasser oder Luft in einem geschlossenen Gefäß z.B mit Feuer, dann steigt der Druck.
Wirkt dieser Druck auf einen verschiebbaren Kolben in einem Zylinder, dann baut sich am Kolben eine Kraft auf.

Schon im 18. Jahrhundert gab es feuerbetriebene Kraftmaschinen.
Zunächst hat man "atmosphärische" Maschinen gebaut, bei denen nicht der Dampfdruck von erhitztem Wasser den Kolben bewegt hat, sondern der Luftdruck der Atmosphäre. Den Dampf benötigte man nur, um die Luft aus dem Zylinder zu treiben.
War der Zylinder luftfrei und enthielt nur noch Dampf, ließ sich dieser mit Einspritzen von ein wenig kaltem Wasser kondensieren.
Das entstehende "Vakuum" bewegt dann den Kolben.

Abb. 00-01: Beziehungen von Kraft, Druck und Fläche, Experimentelle Erfahrungen mit "Hubmaschinen", Fig. 1: Bläst man den Lederbehälter auf, hebt sich das Gewicht.
(Leupold, Tafel 38, Theatrum Machinale Generale 1724)

Abb. 00-02: H. Potters Feuermaschine (Leupold, Tafel 44, Theatrum Machinale Generale 1724)
Atmosphärische Maschine, nach dem Kondensieren des Dampfes im Zylinder bewegt sich der Kolben nach unten und zieht die Pumpenstange nach oben. Der große Holzbalken darüber (Balancier) sorgt für die Umlenkung der Kraft.

Abb. 00-03: Dampfbetriebene Wasserpumpe
Der wichtigste Teil, nämlich die Steuerung des Drehventils, ist weggelassen (Leupold, Theatrum Machinale Generale 1724)

Abb. 00-04: "Maschine in Profil zur Anweisung wie durchs Feuer eine Gewalt zuverschaffen und hier Wasser zu heben" (Leupold, Theatrum Machinale Generale 1724)
Hier erzeugt der Dampfdruck die Bewegung des Kolbens, bzw. das Ausströmen aus der Kugel.

Abb. 00-04a: Erste Deutsche Dampfmaschine, 1785, Nachbau von 1985, Museum Hettstedt
Weil man solch große Eisenzylinder nicht aus einem Stück gießen konnte, besteht dieser aus acht Teilen. Als Teil einer atmosphärischen Maschine mußte der Zylinder nur Unterdruck aushalten. (FB)

Abb. 00-05: Dampfmaschine für den Bergbau, atmosphärische Maschine
(Héron de Villefosse, Über den Mineral-Reichthum 1820)

Abb. 00-06: Riesiger Kolben der Dampfmaschine der Saline Königsborn, 1799,
Je größer die Fläche des Kolbens ist, umso größer ist die erreichbare Kraft bei vorgegebenem Dampfdruck. Deutsches Bergbaumuseum Bochum, zum Vergleich Schuhgröße 45 (FB)

Abb. 00-07: Dampfmaschine mit Stromgenerator, Museum für Arbeit und Technik in Mannheim
Hier treibt der Dampfdruck und nicht Unterdruck den Kolben an. Zur Optimierung der Maschine bekommt der Kolben abwechselnd von beiden Seiten den Dampf (doppelwirkend).
Damit die Volumenausdehnung beim Entspannen des Dampfes besser ausgenutzt werden kann, gibt es zwei Kolbensysteme auf der gleichen Kurbelstange. Das eine arbeitet mit dem Kesseldruck, das zweite mit dem Abdampf aus der ersten Stufe. (Tandem-Maschine).
(FB)

Abb. 00-07a: Tandem-Maschine, der rechte Kolben mit dem kleineren Durchmesser bekommt den Kesseldruck, der linke mit dem größeren Durchmesser den Abdampf der ersten Stufe.
Zwillings-Tandem-Fördermaschine der Friedrich-Wilhelm-Hütte, Mühlheim a.d.R. (Matschoss, S. 383)

Abb. 00-08: Noch im Jahr 2002 im Reserve-Betrieb: Dampfmaschine zur Stromerzeugung bei der Fa. Miele in Gütersloh (FB)

Abb. 00-09: Indikator für ein pV-Diagramm an einer Dampfmaschine, Schiffahrtsmuseum Flensburg,
Kolbenstellung (Volumen V) und Länge der gespannten Feder (Dampfdruck p) bewegen jeweils Papierwalze und Schreibfeder (FB)

Abb. 00-10: pV-Diagramm, Hin- und Herbewegung eines auf beiden Seiten jeweils mit Dampf beaufschlagten Kolbens. (FB)

Abb. 00-10a: pV-Diagramm einer Dampfmaschine, das Volumen ist nach links aufgetragen
Indikator-Kurven von Expansionsmaschinen: Corliss-Steuerung, einfache Expansion
(Conrad Matschoss, Die Entwicklung der Dampfmaschine, zweiter Band, Springer, Berlin 1908, S. 19)

Abb. 00-11: links: Lok 99-5901, Baujahr 1898, noch 2019 in Betrieb: Harzer Schmalspurbahn in Wernigerode, rechts: Lok 99-9502, Mallet-Lokomotiven mit zwei eigenständigen Antriebsystem in Reihe, daher geeignet für enge Bogenradien.
https://www.hsb-wr.de/Unternehmen/Fuhrpark/Dampflokomotiven/Malletlokomotiven-99-5901-99-5903/ (FB)

Abb. 00-11a: Blick von der anderen Seite, jede Lok hat zwei Zylindersysteme auf jeder Seite (FB)

Abb. 00-12: Doppelt wirkender Dampfzylinder und Kolben einer Lokomotive. Sowohl bei der Hin- als auch bei der Herbewegung wird Dampf auf die jeweilige Seite gegeben.
Technikmuseum Berlin (FB)

Abb. 00-13: Modell mit Generator ( links) und Turbinensatz, im Kernkraftwerk Grohnde
links zwei Niederdruckturbinen, rechts eine Hochdruckturbine
Die Schaufeln sind jeweils links und rechts (symmetrisch) angeordnet, damit der Dampf keine axialen Kräfte auf die Welle überträgt. (FB)

Abb. 00-14: Modell einer Dampfturbine, Niederdruckteil,
In der Mitte herrscht noch hoher Druck bei kleinem Volumen, nach links und rechts ist es umgekehrt.
Deutsches Museum (FB)

Abb. 00-15: Niederdruckturbinenläufer, Kernkraftwerk Unterweser im Freigelände im Jahr 2001 (FB)

Abb. 00-16: Niederdruckturbinenläufer, Kernkraftwerk Unterweser im Freigelände im Jahr 2001
in Betrieb von 1978 bis 1995, mittlere Leistung 275 MW (FB)

Verbrennunsmotore, Dampfmaschine als Vorbild

Abb. 00-17: Atmosphärischer Explosionsmotor (Schießpulvermaschine) Christian Huygens, 1673
Wenn die Rauchgase im Zylinder abkühlen, drückt der äußere Luftdruck den Kolben nach unten und hebt das Gewicht an. (Mauel, S. 15)

Abb. 00-18: Atmosphärische Gaskraftmaschine von Otto & Langen in Cöln
Nach der Explosion und der Abkühlung im Zylinderraum wird der Kolben nach unten gezogen und verrichtet über die Zahnstange die Arbeit. Es ist der Luftdruck, der den Kolben antreibt. (Mauel, S. 23)

Abb. 00-19: Hockscher Benzinmotor vom Jahre 1873, Die Zündung erfolgt mit einer Zündflamme von außen (links) (Lieckfeld, S. 22)

Abb. 00-20: Daimlers Benzinmotor, Zündung mit Hilfe einer erhitzten Oberfläche (Flamme rechts oben) (Lieckfeld, S. 54)

Abb. 00-21: Stehender Daimler-Motor (Standuhr)
rechts oben: Flamme mit Glührohr, Mercedes-Benz Museum Stuttgart (FB)

Abb. 00-22:stationärer Gasmotor (Bauart ähnlich wie bei einer Dampfmaschine, Deutz, die Zündung erfolgt über eine Flamme , Deutsches Museum (FB)

Abb. 00-23: der erste Dieselmotor, 1897, 20 PS, Deutsches Museum (FB)

Abb. 00-24: Motor, Nockenwelle und Zündverteiler beim Ford T in Zwickau (FB)

Abb. 00-25: Strahlturbine, Rolls-Royce, 1966, PEGASUS Deutsches Museum (FB)

1. Eigenschaften von Gasen

Bei Gasen hängen Druck p, Volumen V und Temperatur T voneinander ab.

Für ideale Gase gilt (p V) / T = const.

d.h. erwärmt man ein Gas bei konstantem Volumen, steigt der Druck.   ( "Kraft des Feuers" )
Mit der   Universellen Gaskonstante R ergibt sich:

          (p V) = R T

Für reale Gase ist die Gleichung zu erweitern (Van-der-Waals-Gleichung) um einen Zusatzterm für den Druck a/V², der sich aus der Wechselwirkung der Gasmolküle untereinander ergibt, und einen Anteil für das Volumen der Gasmoleküle b.
Der Unterschied zu idealen Gasen tritt dann auf, wenn die Bedingungen in der Nähe zur Kondensation des Gases sind.

         (p + a/V²) (V-b) = R T

Ausgewählte Kurven im einem pV Diagramm
Isothermen   p,V, T= const.                          Hyperbel     pV= const.
Isobaren      V, T p=const.        senkrechte Linie
Isochoren     p,T      v= const.                          waagerechte Linie
Adiabaten     p,V,T    keine Zu- oder Abfuhr von Wärme ...
                  ... während der Veränderung            steiler als Hyperbel z.B. pV^5/3 = const.
                                   der Exponent entspricht dem Verhältnis der spezifischen Wärmen c_p/c_V

In einem pV-Diagramm entspricht ein Stückchen Fläche einer Arbeit.

Verändert man nun die Parameter zyklisch, so daß sich eine geschlossene Linie (ähnlich wie ein Kreis) ergibt, dann spricht man von einem Kreisprozeß. Die eingeschlossene Fläche ist dann ein Maß für die umgesetzte Arbeit.

Wenn die Grenzkurven z.B. Isothermen und Isochoren sind, dann hat die Fläche im Idealfall spitze Ecken.
Bei den meisten technischen Geräte verschiebt man jedoch Kolben und Ventilstangen aus praktischen Gründen über Kurbelantriebe und erhält somit abgerundete Flächen ( "Oster-Ei"). Dadurch geht ein Teil der zur Verfügung stehenden Arbeit verloren.

Abb. 01-00: pV-Diagramm für ideales Gas mit Adiabate (rot) und Isotherme (grün)
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/91/Adiabate-Isotherme.png

Abb. 01-00a: pV-Diagramm, Zustandsgleichung für reale Gase, van-der-Waals-Gleichung mit Isothermen
Unterhalb vom kritischen Punkt K gibt es Gas und Flüssigkeit nebeneinander im Gleichgewicht.
Links von F gibt es jeweils nur Flüssigkeit und rechts von G jeweils nur Gas, dazwischen kommen beide Zustände vor.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3e/Real_Gas_Isotherms.svg?download

Abb. 01-00b: Kreisprozess, pV-Diagramm bei einem Dieselmotor, idealisiert
2-3: Isobare, 4-1: Isochore,
3-4: adiabatische Expansion, 1-2: adiabatische Kompression.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f7/PvDiagramm-Diesel_0110.png

Abb. 00-00c: pV-Diagramm Dieselmotor, gemessen 12.12.1896
untere Kurve: ausblasen und ansaugen (Kurt Mauel, S.53)

Abb. 00-00d: pV-Diagramm, erster Viertaktmotor von Otto, 18.5.1876 (Kurt Mauel, S. 30)

Abb. 00-00e: reales Gas: Flüssigkeit und Dampf von Wasser.
Mit dieser "Dampfdruckkurve" läßt sich z.B. die Temperatur von siedendem Wasser über den gemesenen Druck bestimmen. Dampfdruckthermometer (FB)

Abb. 01-01: Praktikumsversuch, (Entwurf: FB, Januar 2004)
Bestimmung der Abhängigkeit von Temperatur T, Volumen V und Druck p bei Gasen (Luft)
vorne: Druck / Temperatur
hinten: Druck / Volumen / Temperatur, über den Ölzylinder im Hintergrund läßt sich das Gasvolumen in der Kugel verändern. (FB)

Abb. 01-02: Vorgabe der Temperatur durch heizbares Wasserbad (FB)

Adiabatenkoeffizient
$\kappa$
Als spezifische Wärme bezeichnet man die Energiemenge, die man für die Temperaturerhöhung um 1° benötigt.
Bei einer eingeschlossenen Gasmenge kann man zwei Sonderfälle definieren:
Erwärmung bei konstantem Volumen c_V und Erwärmung bei konstantem Druck c_p .

Die spezifischen Wärmen sind nicht gleich, sie unterscheiden sich um den Betrag der Universellen Gaskonstante R.

Das Verhältnis Κ = $\kappa$     c_p/c_V
ist eine "stark materialabhängige Konstante bei realen Gasen" (https://de.wikipedia.org/wiki/Isentropenexponent)

Von ihr hängt es ab, wie stark die Temperatur ansteigt, wenn ein Gas ohne Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr komprimiert wird.

pV^Κ = const.

Aus der Sicht des Models mit Gasatomen bzw. Gasmolekülen hängt der Wert mit der Anzahl der Freiheitsgrade f zusammen.

                                       Κ = (f + 2 ) / f

Bei f= 3 (einatomiges Gas) ergibt sich Κ=5/3 = 1,666    und    bei f = 6 Κ = 8/6= 1,333

Je mehr Freiheitsgrade (für mechanische Bewegung) vorhanden sind, um so mehr geht der Wert gegen 1, und um so weniger erhöht sich die Temperatur bei gleicher Zufuhr von Energie.

Mit einem sehr einfachen Versuch mit der Frequenz einer Luftfeder lassen sich somit
die Anzahl der Freizeitsgrade und damit Informationen zum Aufbau der Gasmoleküle bestimmen.

Abb. 01-03: Praktikumsversuch (Entwurf und Entwicklung: FB, Mai 2005)
Bestimmung des Verhältnisses der spezifischen Wärmen von Gasen Κ= c_p/c_V
Über die beiden Kolbenprober links und rechts läßt sich das eingesperrte Volumen verändern.
honnef_balck01.pdf (FB)

Abb. 01-04: Ein kleiner Aluminiumkolben mit Neodym-Magnet kann auf dem Luftpolster im Kolben Schwingungen ausführen. Dabei wird in der Spule eine Wechselspannung induziert. Die Frequenz ist ein Maß für die Meßgröße cp/cV (FB)

Abb. 01-05: Signal mit gedämpfter Wechselspannung bei der Gasmenge "50+20+25" ml.
gedaempft.htm (FB)

Abb. 01-06: Frequenzanalyse: 11,6 Hz. (FB)

Abb. 01-07: Signal mit gedämpfter Wechselspannung bei der Gasmenge "100+20+25" ml. (FB)

Abb. 01-08: Frequenzanalyse: 9,8 Hz. (FB)

Abb. 01-09: Tabelle mit Meßwerte bei unterschiedlichen Volumina für Luft
Es ergibt sich für Κ = c_p/c_V ein Wert im Bereich von 1,4 (FB)

Akustisches Rohr, stehende Welle

Die Schallgeschwindigkeit von Gasen hängt von folgenden Größen ab:

     Dichte p , Druck ρ, Adiabatenkoeffizient Κ


                  c =   √ ( Κ * p/ ρ)

Abb. 01-10: Akustische Rohre im Anfängerpraktikum (FB)

Abb. 01-11: Die Rohre werden mit einem Kopfhörer (Ohrstöpsel) am rechten Ende mit passender Frequenz angeregt. Mit einem Mikrofon an der Stange läßt sich die Lautstärke im Rohr abtasten und so kann man die Orte von Knoten und Bäuchen der stehenden Wellen bestimmen.
(Entwurf und Entwicklung: FB, 2007) (FB)

Abb. 01-11: Akustisches Rohr in der Vorlesung, 10 m lang, Resonanz bei 17 Hz
(Entwurf und Entwicklung: FB ) honnef_balck01.pdf (FB)

2. Stirling Motor, Geräte im Praktikum

Abb. 02-01: Stirlingmotor mit Meßwerterfassung, bei dem großen Anzeigegerät lassen sich Druck und Volumen als analoge Spannungen abgreifen. (FB)

Abb. 02-02: Der Arbeitsraum wird mit einer Spiritusflamme (rechts) beheizt. Der Verdränger ist der gläserne Zylinder im verrußten Glaskolben. Der Arbeitskolben besteht aus Metall und befindet sich im Aluminiumgehäuse. Über die Kühlrippen im Aluminiumklotz wird der linke Arbeitsraum gekühlt.
Die Bremszange mit Gegengewicht und Zeiger (rechts vorne) läßt sich auf den Edelstrahlzylinder auf der Motorwelle stecken. Damit läßt sich der Motor mit einem konstanten Drehmoment belasten. (FB)

Abb. 02-03: Druck p, Volumen V und Intergral p dV sind über der Zeitachse aufgetragen (FB)

Abb. 02-04: pV-Diagramm, Belastung des Motors mit der Bremszange 12 mNm. Die Fläche innerhalb entspricht der umgesetzten Arbeit pro Umlauf. Die Form der Fläche ähnelt einem Osterei.
Diagramm gespiegelt, da das Volumen einen anderen Nullpunkt und das umgekehrte Vorzeichen hätten haben müssen. (FB)

Abb. 02-05: Belastung mit 16 mNm. Die eingeschlossene Fläche ist gegenüber dem vorherigen Bild größer. (FB)

Abb. 02-06: Versuchsmodell eines anderen Lehrmittel-Herstellers.
vorne unten: die Bremszange aus Holz am Schwungrad des Motors (FB)

Funktionsfähiges Modell

Abb. 02-07: Bausatz von AstroMedia
An der gekröpften Kurbelwelle ist die Phasenverschiebung von 90 Grad zwischen Verdränger- und Kompressionskolben zu erkennen (FB)

Abb. 02-08: Als Verdrängerkolben wirkt die weiße Schaumstoffscheibe, als Kompressionszylinder ein Fingerling von einem Latex-Handschuh.
Die beiden Aluminiumplatten darüber und darunter begrenzen jeweils den warmen und den kalten Arbeitsraum. Die Wärmeenergie für den Antrieb stammt vom Dampf über der heißen Flüssigkeit in der Tasse. Die obere Platte ist luftgekühlt. (FB)

Wärmepumpe, vom Autor für das Anfängerpraktikum Physik an der TU Clausthal entwickelt (2005):

Die Kolben für Kompression und Verdrängung müssen zeitlich nacheinander (phasenversetzt) betrieben werden.

1. Kompression
2. Verschieben in den Arbeitsraum 2
3. Expansion
4. Verschieben in den Arbeitsraum 1

Je nach Reihenfolge der Schritte wird entweder der Arbeitsraum 1 oder Arbeitsraum 2 geheizt und der andere gekühlt.

Abb. 02-09: Prototyp eines handbetriebenen Stirling-Gerätes: Wärmepumpe
links der Kolben für Kompression/Expansion oben und unten jeweils ein Kolben für die Verdrängung.
Deren Kolbenstangen sind miteinander verbunden. (FB)

Abb. 02-10: rechts oben ein Drucksensor (FB)

Abb. 02-11: Wärmepumpe mit Handbetrieb
Es gibt zwei Schubstangen mit jeweils einem schwarzem Handgriff (Kugel) und drei Plastikkolbenprober.
Die obere Stange bedient zwei Kolbenprober, mit denen das Arbeitsgas (Luft) vom linken zum rechten Zylinder und umgekehrt verschoben (verdrängt, Verdrängerkolben) werden kann. An jedem dieser beiden Arbeitsräume befindet sich ein Thermoelement, mit dem die jeweilige Temperatur gemessen werden kann.
Die untere Stange ist der Antrieb für die Kompression bzw. Expansion.
Mit dem ganz unten liegenden vierten Kolbenprober läßt sich der mittlere Druck im System vorgeben.
(FB)

Abb. 02-12: oben: linker Verdrängerkolben mit Thermoelement,
unten: Arbeitskolben und darunter der Kolbenprober zum Einstellen des Vordrucks (FB)

Abb. 02-13: rechter Verdrängerkolben und Schiebepotentiometer zur Erfassung der Stellung des Arbeitskolbens. (FB)

Abb. 02-14: pV-Diagramme, aufgenommen bei unterschiedlichen Gasmengen (mittleren Arbeitsdrücken) im System.
Die vier Arbeitstakte entsprechen den "Seiten" der "Rechtecke".
Linke Randkurve: Verschieben des Gases in den anderen Arbeitsraum bei hohem Druck
rechte Randkurve: Verschieben des Gases in den anderen Arbeitsraum bei niedrigem Druck
untere Randkurve: Bewegung nach links: Kompression
obere Randkurve: Bewegung nach rechts: Expansion

keine abgerundeten Ecken: optimale Bedingungen für guten Wirkungsgrad.
(FB)

Abb. 02-15: Optimierte Version:
Die Kolbenprober aus Plastik sind durch industrielle Druckluftzylinder ersetzt.
Gerät in der Anwendung: https://video.tu-clausthal.de/film/physikalisches-praktikum-a.html

3. Kältemaschine

Stickstoffverflüssigung mit Stirling-Kreislauf

Abb. 03-01: Kältemaschine bei einem Stickstoff-Verflüssiger, Philips
unten: Wasserkühler (gelb), mit Datum "2.90": Regenerator aus Drahtgeflecht,
oben: Verdrängerkolben (FB)

Zwei Kältemaschinen mit Stirlingkreislauf bei einem Heliumverflüssiger

Abb. 03-02: Heliumverflüssiger Phillips, PlHe 209, Baujahr 1969, 1978 von der Uni Würzburg übernommen und in der Angewandten Physik der TU Clausthal aufgebaut und rund 20 Jahre betrieben.
Als Arbeitsgas wird Wasserstoff bei rund 20 Bar verwendet.

Kältemaschine Nr. 1,
im Vakuumkessel (Bildmitte) über der Mechanik befinden sich die Teile für den Stirling-Kreislauf. Die erzeugte Kälte wird über Heliumgas (Kupferrohre in dem verchromten Rohr) nach rechts zum Verflüssiger weitergeleitet. (FB)

Abb. 03-03: Kältemaschine Nr. 2.,
der warme Arbeitsraum des Stirlingkreislaufs befindet sich im Wasserkühler (gelb), der kalte oben im Vakuumkessel. Bei dieser Maschine gehen die Kupferrohre mit dem abgekühlten Helium nach links. (FB)

Abb. 03-04: Prinzip, Aufbau des Heliumverflüssigers.
In der Anlage wird sauberes Helium (blaue Leitungen) in einem Kreislauf umgepumpt.
Zum Kreislauf gehört ein ölfreier Kompresser, der bei Zimmertemperatur verdichtet. In einem Isoliergefäß befindet sich eine Säule mit mehreren Wärmetauschern, oben strömt warmes Heliumgas ein bzw. aus, unten befindet sich der kalte Bereich für die Verflüssigung bei einer Temperatur von etwa 4 K. Im Zwischentemperaturbereich gehen die blauen Leitungen ab zu den beiden externen Kühlmaschinen, wo das Gas in vier Stufen bis auf 15 k abgekühlt wird.
Hat man nach etwas drei Stunden Vorlaufzeit diese Temperatur erreicht, läßt sich das Gas durch Expansion an einer Drossel (Joule-Thomsen-Ventil) verflüssigen (gelbe Leitungen).
Über die roten Leitungen wird Roh-Helium (d.h. mit Verunreinigungen) dem Kreislauf zugeführt. Dabei sind mehrere Absorber eingebaut, die bei entsprechenden niedrigen Temperaturen Verunreinigungen wie Kohlendioxid, Sauerstoff, Stickstoff, Argon u.a. kondensieren lassen.
Für die Beseitung von größeren Mengen Luft im Rohgas, gibt es ein Kondensationsgefäß mit über Schwimmer gesteuertem Magnetventil zum Abblasen sowie ein Paar von Absorbern, die abwechselnd vom Kreislauf abgetrennt und durch Aufheizen regeniert werden können.
Das flüssige Helium (gelb) gelangt über einen Heber in das Isoliergefäß. (FB)

Abb. 03-04a: oben: warm, unten: kalt
blau: sauberes Helium, rot: verunreinigtes Roh-Helium
links oben: Komressor, darunter: die beiden Kühlmaschinen
in der Mitte: die Säule mit den Wärmetauschern (FB)

Abb. 03-04b: oben: warm, unten: kalt
rote Leitungen: Reinigungsstufen für Luft und andere Fremdgase
gelbe Leitungen: flüssiges Helium (FB)

Abb. 03-04c: zweistufiger ölfreier Kompressor mit Kunststoff-Membranen,
die rechte Stufe (Hochdruck 20 bar) wird hydraulisch angetrieben.(FB)

Abb. 03-04d: Die Kolben des Kompressors sind mit einer Kunststoff-Membran überzogen, damit kein Öl in das Helium gelangt. Diese Membranen werden im Betrieb 1500 mal pro Minute umgefaltet. (FB)

Abb. 03-05: Kalter und warmer Teil einer Stirlingmaschine,
blanke zylindrische Teile in der Mitte: zweistufiger Verdrängerkolben, oben dünner als unten
unten: Wasserkühler,
mitte und oben: Es gibt zwei kalte Bereiche mit unterschiedlichen Temperaturen. Die mit braunen Dichtband umgebenen Zylinder sind Regeneratoren, durch die das Gas bei jedem Arbeitszyklus durchströmt.
Beim Hinströmen zum warmen Arbeitsraum wird die im kalten Arbeitsraum gerade erzeugte Kälte im Regenerator abgelegt und beim Zurückströmen des Gases wieder aufgenommen (regeneriert).
Diese Regeneratoren sind Metallkörper mit großen Oberflächen.
Der untere besteht aus Drahtsieben, der obere aus extrem feinen Bleikügelchen. (FB)

Abb. 03-06: Blick auf Verdrängerkolben und auf die Poren in beiden Regeneratoren, unten ist der Wasserkühler zu sehen. (FB)

Abb. 03-06a: In diesem Innenraum bewegt sich der Verdrängerkolben. Über das Kupfer wird die Kälte nach außen abgegeben. (FB)

Abb. 03-07: Aussenansicht: Die Abnahme der Kälte erfolgt durch das Heliumgas in den Kupferrohren,
ganz oben ist ein kleiner Hohlraum, der mit Wasserstoff als Dampfdruckthermometer gefüllt ist. (FB)

Abb. 03-07a: Dampfdruckthermometer, über den Dampfdruck vom Wasserstoff im Hohlraum läßt sich die Temperatur mit einfachsten Mitteln, einer Kapillare und einem groben Manometer, sehr genau im Bereich von 15 bis 25 K bestimmen.

Abb. 03-08: links: zweistufiger Verdrängerkolben mit Kolbenringen bzw. Dichtungsringen,
Mitte und rechts: die beiden Regeneratoren (FB)

Abb. 03-09: Wasserkühler, durch die dünnen Röhrchen strömt das Arbeitsgas zum Zylinder, in der großen Öffnung bewegt sich der Verdrängerkolben. (FB)

Abb. 03-10: Arbeitskolben mit Kolbenringen, in der Mitte die Öffnung für die Stange zum Antrieb des Verdrängerkolbens. (FB)

4. Antriebsmotoren nach dem Stirling Kreislauf

Abb. 04-01: Stirlingmotor aus dem Anfang des zwanzigsten Jahrhundert. Vielleicht zum Antrieb eines Ventilators ? Als Energiequelle dient eine offene Flamme (Bunsenbrenner). (FB)

Abb. 04-02: Drehgeber auf der Welle zur Messung der Drehzahl (FB)

Abb. 04-03: Potentiometer mit Schweißdraht zur Datenerfassung der Kolbenstellung (FB)

Abb. 04-04: in Bewegung (FB)

Abb. 04-05: Stirlingmotor von Philips, Bauteile ähnlich wie beim Stickstoff- oder Heliumverflüssiger (FB)

Abb. 04-06: oben: heißer Arbeitsraum, unten: luftgekühlter Arbeitsraum, Verdränger und Kompressionskolben sind konzentrisch angeordnet. Die Verdrängerstange geht durch eine Bohrung im Kolben (unten im Bild, Kolben aufgeschnitten) (FB)

Abb. 04-07: Deutsches Museum, Vorstufe eines U-Boot-Stirlingmotors, Arbeitsgas Helium
Diese Motoren arbeiten ohne Explosion des Brennstoffs, sind daher sehr viel leiser als Dieselmotoren.
(FB)

Abb. 04-08: Deutsches Museum, Vorstufe eines U-Boot-Stirlingmotors
Das Arbeitsgas Helium steht unter hohem Druck (110 bar) und kann damit entsprechend viel Energie bei jedem Takt umsetzen. (FB)

Abb. 04-09: Gastherme mit vorgeschaltetem Stromgenerator,
dieser arbeitet nach dem Stirlingprinzip mit Lineargenerator, d.h. ohne rotierende Teile mit
Freikolben, für den Stirling-Kreislauf gilt: elektrische Leistung 0,6 - 1 KW, thermische Leistung 3,6 bis 5,3 kW http://www.bhkw-prinz.de/viessmann-vitotwin-300-w-mikro-kwk/1666 (FB)

Abb. 04-10: Blockheizkraftwerk mit Stirlingmotor, Solo 161 KWK-Modul,
aufgestellt im CUTEC, Baujahr 2002 (FB)

Abb. 04-11: Typenschild,
Die abgegebene Leistund ist regelbar von 2 - 9 kW elektrisch bzw. 8 - 24 kW elektrisch

5. Sonstiges, Thermoakustischer Effekt, Rijke-Rohr

https://de.wikipedia.org/wiki/Rijke-Rohr

" Pieter Leonard Rijke, hat der als Erster 1859 den zugrundeliegenden Effekt beschrieben."

https://www.ki-portal.de/wp-content/uploads/featured_image/24_26_wissen_altenbokum.pdf

Abb. 05-01: Ein früherer Kollege in der Clausthaler Experimentalphysik, Dr.Klaus Faulian, hat dieses Rijke-Rohr für die Weihnachtsvorlesung zusammengebaut. Man kann die Schwingung als hellen Ton hören. Bauteile: Reagenzglas, Stahlwolle und ein Spiritusbrenner (FB)

Abb. 05-02: Stromgenerator: Die Schwingung der Luftsäule treibt einen Kolben mit kleinen Neodym-Magneten an. Stellt man die blaue Spule in die Nähe des Magneten, lassen sich kleine LEDs zum weihnachtlichen Leuchten anregen. (FB)

Abb. 05-03: Glasrohr mit Stahlwolle und Spritusbrenner. Das rechte Ende ist mit einer Gummimembran (Luftballon) abgeschlossen. Die Membran gerät zusammen mit dem Gas in Schwingungen.
Diese bewegen die Luft in der Nähe der Kerzenflamme. (FB)