Stirlingzyklus

Der Stirlingzyklus ist ein geschlossener thermodynamischer Kreislauf, der die Arbeitsprozesse in einem Stirlingmotor oder einem Stirlingkühlsystem beschreibt. Im idealisierten Zustand ist er regenerativ und basiert auf zwei isothermen sowie zwei isochoren Prozessen, die durch einen Regenerator miteinander verbunden sind.

Die vier Prozessschritte des idealen Stirlingzyklus bestehen aus: 1) Isotherme Expansion bei hoher Temperatur TH, bei der das Arbeitsgas Wärme Q_H aus einer Heizquelle aufnimmt und Arbeit verrichtet; 2) Isochorische Abkühlung (konstante Volumen), bei der Wärme an den Regenerator abgegeben wird und das Gas von TH auf TL abkühlt; 3) Isotherme Kompression bei niedriger Temperatur TL, bei der das Gas Wärme Q_C an die kalte Seite abgibt und Druck aufgebaut wird; 4) Isochorische Erwärmung (konstante Volumen) durch den Regenerator, sodass das Gas von TL wieder auf TH erhitzt wird und der Zustand erneut erreicht wird. Der Regenerator speichert während der isochoren Phasen Wärme und übergibt sie in der anderen Phase.

Die Effizienz des idealen Zyklus entspricht dem Carnot-Wert η = 1 − TL/TH, sofern der Regenerator perfekte Wärmeübertragung ohne Verluste ermöglicht. In realen Systemen verringern Verluste durch endliche Wärmeübertragung, Leckagen, Totvolumen und Regenerator-Design die Effizienz.

In der Praxis wird der Zyklus oft mit zwei Kolben umgesetzt: einem Displacer, der das Gas zwischen heißen und kalten Bereichen bewegt, und einem Arbeitskolben, der den Druck- und Volumenwechsel erzeugt. Typische Arbeitsgase sind Luft, Helium oder Wasserstoff. Der Stirlingzyklus trägt den Namen von Robert Stirling, der ihn im 19. Jahrhundert beschrieb; er findet heute vor allem wegen hoher theoretischer Effizienz, geringer Geräuschentwicklung und guter Regeneration in spezialisierten Anwendungen Verwendung.