Kann ein Stirlingmotor eine Wärmepumpe antreiben?
Aus der Ecke „perpetuum mobile“ habe ich eine Frage:
Könnte man so eine Kiste bauen?
- In der man immer 20°C hat.
- Die eine Wärmepumpe hat, die Wärme von der Hülle der Kiste nach innen pumpt, so dass ersteinmal keine Wärme aus dem Inneren der Kiste entkommen kann.
- Die einen Stirlingmotor hat, der zwecks Wärmeerzeugung Wärmeenergie aus dem Inneren kontrolliert nach draußen in eine Wärmesenke ablässt (so entkommt eben doch etwas Wärme aus der Kiste) und dabei Bewegungsenergie für die Wärmepumpe erzeugt.
Nehmen wir an, dass die Wärmepumpe 1kWh Bewegungsenergie braucht, um 3kWh in die Kiste zu bringen, und dass der Stirlingmotor 3kWh Wärme braucht, um 1kWh Bewegungsenergie zu erzeugen, dann würde man doch Wärmeverluste komplett verhindern. Oder? Wo ist da mein Denkfehler? Gibt es keinen Stirlingmotor, der so gut ist? Oder braucht eine Wärmepumpe Strom und nicht Bewegungsenergie?
Was wäre eigentlich, wenn die Wärmepumpe auch an der Wärmesenke des Stirlingmotors saugt?
5 Antworten
Würde funktionieren, aber die Energie kommt von der Umwelt, du pumpst ja wärme von aussen in die Kiste, diese wärme wird vom Motor abgegriffen und strömt wieder nach aussen.
Das ist demnach kein perpetuum mobile, der Umwelt wird Energie für den Motor entzogen.
Solange sich der Motor dreht ist die Umwelt kühler, sobald aber der Motor abgebremst wird, ist die wärme wieder ausgeglichen.
Diese Maschinen macht also eigentlich überhaupt nichts, wäre aber sicher interessant anzusehen.
Ja genau, du brauchst aber eine Startenergie welche en Motor antreibt. Also zu Beginn hast du Bewegungsenergie welche danach in Wärmeenergie umgewandelt wird und danach wieder in Bewegungsenergie. Allerdings funktioniert dies nur mit einer Kiste die absolut dicht ist und sowas gibt es nicht.
die mangelnde Wärme-„Dichtigkeit“ soll ja gerade die Wärmepumpe kompensieren...
Wir haben also eine Wärmegedämmte Kiste in der sich der einte Wärmetauscher der Wärmepumpe befindet und der einte Teil des Stirlingmotors. Der andere Wärmetauscher der Wärmepumpe befindet sich ausserhalb der Kiste und der andere Teil des Stirlingmotors auch. Nun sind die Wärmepumpe und der Stirlingmotor mit einer Welle miteinander verbunden. Ganz zu Beginn passiert nichts, man muss zuerst einen Wärme unterschied ereichen damit sich der Motor bewegt. Treiben wir also die Wärmepumpe kurz mit einem Elektromotor an. Die Wärmepumpe entzieht nun der Aussenluft wärme und Transportiert sie in die Kiste. Wir haben also einen Wärmeunterschied. Der Motor fängt nun an sich zu bewegen und wandelt thermische Energie in kinetische Energie um. Dieser Prozess entzieht der Kiste Wärme. Nun wird aber die Wärmepumpe durch den Motor angetrieben und fügt der Kiste Wärme hinzu. Gehen wir davon aus, dass der Stirlingmotor 100% der thermische Energie in kinetische Energie umwandeln kann (was es nicht gibt) und die Kiste 100% dicht ist (was es nicht gibt), dann würde die thermische Energie der Kiste in kinetische Energie umgewandelt welche dazu genutzt wird die Pumpe anzutreiben und der Aussenluft wird erneut Wärme entzogen und in die Kiste gepumpt. Dies führt dazu, dass noch mehr thermische Energie in kinetische Energie umgewandelt wird und immer so weiter.
Wir hätten also ein Gerät welches thermische Energie der Umgebung entzieht und in kinetische Energie umwandelt, könnte man als Kühlgerät nutzen.
Sofern ich keinen Denkfehler gemacht habe müsste dies passieren.
hmm... das liest sich so, als ob durch die Wärmepumpen&Stirlingmotor-Combo alles eher noch schlimmer werden würde...
dass man eigentlich den Wärmewiderstand nicht höher macht, sondern im Gegenteil niedriger... als wäre der Stirlingmotor eine Riesen-Wärmebrücke....
In der box wird die Wärme einfach abgebaut und in kinetische Energie umgewandelt. Was war dann dein Plan?
Der Plan war: Mit wenig Dämmmaterial auszukommen...
Es ist jetzt schon eine Zeit her, aber ich möchte meine Antwort revidieren.
Da ich mich jetzt intensiver mit Wärmepumpen beschäftige ist mir deine Frage wieder in den Sinn gekommen.
Da ist mir aufgefallen, dass das so nicht stimmt was ich hier geschrieben habe.
Und zwar geht es um diese Teil von mir:
"dann würde die thermische Energie der Kiste in kinetische Energie umgewandelt welche dazu genutzt wird die Pumpe anzutreiben und der Aussenluft wird erneut Wärme entzogen und in die Kiste gepumpt. Dies führt dazu, dass noch mehr thermische Energie in kinetische Energie umgewandelt wird und immer so weiter."
Das was ich hier geschrieben habe stimmt zwar, aber da gehe ich davon aus, dass der Motor sofort einen Temperaturausgleich macht und somit die neu hinzugegügte Wärme sofort aus der Kiste führt und in kinetische Energie umwandelt.
Der Motor würde so immer schneller und schneller werden.
Man würde hier demnach die Umgebungstemperatur in kinetische Energie umwandeln.
Der Motor muss aber nicht, und kann übrigens auch nicht, beliebig schnell werden.
Die Geschwindigkeit des Motors kann man sehr wohl regulierend und irgendwann würde er selbst an seine Grenzen stossen.
Der Motor muss ja nur jene Mechanische Energie der Pumpe abgeben, damit 20° in der Kiste gehalten werden.
Dies ist durchaus möglich. Hierbei hätte man eine sich selbst versogende Wärmepumpe.
Allerdings müsste sie grösser dimensioniert werden um die selbe Heizleistung zu erlangen, da sie ja ein Teil ihrer Wärme selbst braucht.
Die Frage ist jetzt nur, wie einfach dies technisch umsetzbar ist.
Hierbei müsste nämlich der Wirkungsgrad des Motors hoch genug sein damit dies auch so funktionieren kann.
Dies könnte sich noch als schwer erweisen.
ja... der Wirkungsgrad wäre in dem Temperaturbereich wohl unter 10%... wenn ich mich recht entsinne...
Wo ist da mein Denkfehler? Gibt es keinen Stirlingmotor, der so gut ist?
Bei der Tempoperaturdifferenz, die die Wärmepumpe erzeugt, liegt der Wirkungsgrad des Sterlingmotors höchstens bei 10 %. Von den 3 kW Wärmefluss kannst du also höchstens 0,3 kW Strom herausziehen, was dann aber nicht für den Antrieb der Wärmepumpe reicht.
Es ist auch von vornherein unsinnig, aus Strom Wärme und dann aus Wärme wieder Strom zu machen, da du aufgrund der zwangsläufig auftretenden Verluste bei den Umwandlungen garantiert immmer weniger Strom rauskriegst als du reinsteckst.
Da kannst du den Strom effinzinter direkt verwenden.
Ich will ja keinen Strom rausziehen, sondern die Drehbewegung, die die Wärmepumpe antreibt... Oder dreht sich in einer Wärmepumpe nix?
Du willst aber Energie herausziehen. Woher soll die kommen, wenn alle erzeugte Energie dazu verwendet wird, das Ding am Laufen zu halten?
eben war 10% noch der Wirkungsgrad zur Stromerzeugung... Wie hoch ist denn der Wirkungsgrad der Bewegungsenergie-Erzeugung?
Die „Verluste“ entstünden ja innen in der Kiste, so dass sie keine echten Verluste sind...
ich weiß ja, dass es nicht gehen kann, weil wir ja sonst seit Jahrzehnten kaum noch Erdgas bräuchten, aber ich verstehe nicht, warum es nicht gehen kann....
Wieso will ich Energie herausziehen? Ich will nur, dass die Kiste nicht unter 20°C geht...
Welchen Sinn soll das Teil haben, wenn es sich nur bewegt, und man nichts damit anfangen kann?
der Nutzen wäre, dass die Heizung keine Primärenergie braucht...
An der Welle stehen nur rund 10% zur Verfügung. Um damit konkret eine WP zu betreiben, müsstest du das somit in Strom wandeln und sie damit betreiben.
Die „Verluste“ entstünden ja innen in der Kiste, so dass sie keine echten Verluste sind...
Du solltest dich noch einmal in das Thema Wirkungsgrad einlesen. Es sind echte Verluste.
also würden 90% über die Wärmesenke abfließen und somit die Kiste verlassen?
Welche Heizung? Wie du selbst geschrieben hast, bleibt sämtliche Energie, also auch die Wärme, 'in der Kiste'. Wenn keine Energie nach draussen abgegeben wird, was fängt man mit dem Teil an?
Man legt sich einfach in die Kiste rein... man muss sie vielleicht etwas größer machen, als du es dir grad vorstelst... vielleicht 5m·5m·3m... 😋
Und dann kann sie dich trotzdem nicht wärmen, weil du der Apparatur dadurch Wärme entziehen würdest.
Ja, ist leider so. Verbrennungsmotoren oder Elektromotoren sind da anders aufgestellt.
Du kannst einen Stirlingmotor selber als Wärmepumpe laufen lassen, siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Stirlingmotor
Dazu brauchst dann aber wieder einen Motor oder etwas, was den Stirling dreht.
ey! mich braucht man nicht zu wärmen. Das mache ich schon selbst (ich schwitz grad wie Sau nach ner Stunde trocken rudern...)... Ich will nur nich zu sehr gekühlt werden. 20°C Umgebungstemperatur sind ok... 30°C wären optimal.
damit ich nicht vom Schnee meiner Körperwärme beraubt werde... mit 20°C Umgebungstemperatur komme ich gut zurecht... aber alles darunter geht gar nicht...
Oder dreht sich in einer Wärmepumpe nix?
Doch, die Welle des Kältemittelkompressors bewegt sich. Die wird durch einen Elektromotor angetrieben.
Dieser Elektromotor benötigt aber mehr Leistung, als der Stirlingmotor abgeben kann.
Dann macht also die Wärmepumpe keinen Sinn, wenn man nur mit den Einwohnern heizen will? Oder kann man wenigstens ein Drittel der Wärme „retten“, die sonst aus der Kiste „entkommen“ wäre?
der Stirlingmotor hat theoretisch den Carnot-Wirkungsgrad, aber gerade am Beispiel einer Carnot-Wärmekraftmaschine, die eine umgekehrte Carnot-Wärmekraftmaschine (also eine Wärmepumpe) antreibt, kann man zeigen, dass ein höherer Wirkungsgrad als der Carnot-Wirkungsgrad nicht erreichbar ist - und nur dann würde das Ganze funktionieren.
Es gibt kein Perpetuum Mobile. Erster und zweiter Hauptsatz der Thermodynamik verhindern das.
Nun fragt natürlich jeder "Erfinder", warum sein Konstrukt stehenbleibt und hat in seinen Augen alles logisch durchdacht, aber erstens enthält seine Logik meist eine zeitlich gerichtete Kausalkette, bei der er implizit abwechselnd die eine physikalische Wirkung betont und die andere vergisst, und zweitens funktioniert die Natur nicht nach menschlicher Logik.
Diskussionen sind sinnlos, weil der Erfinder aus seiner Logik nicht entkommt und sich ewig mit "ja, aber wenn" windet.
Und dann gibt es natürlich Videos von laufenden Perpetuum Mobiles, die allesamt getürkt sind (zu manchen gibt es fairerweise ein Making-Of).
Noch eine Zusatzfrage: Wieviele Menschen müssten in der Kiste jeweils 100W absondern, damit die Heizung ohne weitere Hilfe?
Oder wäre es besser, einfach gleich den Bienenstock-Trick zu verwenden? Also ganz viele Menschen in einer Kiste. Und nicht viele kleine, von eiskalter Luft umspülten Kisten mit wenigen Menschen...
also kurz gesagt: Meine Vermutung, dass es keinen hinreichend effizienten Stirlingmotor gibt, ist zutreffend?
Du kombinierst hier zwei ganz verschiedene Konzepte. Im Vordergrund Deiner Beschreibung steht das perpetuum-mobile-Konzept des gegenseitigen Antriebs zweier Maschinen, das bekanntlich aus prinzipiellen Gründen scheitern muß. Nebenbei erwähnst Du aber noch die zusätzliche Wärmesenke, die dieses Konzept umschifft.
Könnte man so eine Kiste bauen?
Die zusätzliche Wärmesenke muß noch kälter sein als die Umgebung der Kiste, dann funktioniert es.
Wo ist da mein Denkfehler?
Die Energiequelle, die Deinen Apparat antreibt, ist letztlich nicht das Temperaturgefälle zwischen Innenraum und Umgebung der Kiste. Die Energiequelle ist das Temperaturgefälle zwischen der Umgebung und der noch kälteren Wärmesenke.
Du brauchst den Stirlingmotor deshalb auch gar nicht in die Kiste mit hinein zu tun. Für das Ziel, das Kisteninnere zu erwärmen, ist damit nämlich nichts gewonnen. Es hat nur zur Folge daß beide Maschinen dann mit einem Teil ihrer Leistung gegeneinander arbeiten.
Was wäre eigentlich, wenn die Wärmepumpe auch an der Wärmesenke des Stirlingmotors saugt?
Dann hast Du wieder ein reines perpetuum mobile und es läuft nicht.
Und wenn man das Innere der Kiste in kleinere Kisten aufteilt und die dann an Menschen vermietet, die die große Kiste nie verlassen wollen? Dann käme man doch irgendwann mit einer Wärmesenke aus, die so warm ist, wie die Umgebung.... oder?
Dein Denkfehler liegt darin, dass nicht nur Wärme hin- und hergepumpt werden muß, sondern durch die Bewegungen des Motors Reibungsverluste entstehen.
Weiterhin: Selbst, wenn dein Modell funktionieren würde, welchen Nutzen hätte es? Es würde sich selbst am Laufen halten, aber nutzbare Energie abgeben könnte es nicht.
Die Reibungsverluste würden ja in der Kiste bleiben und durch die Kistenwand kriechen, bis sie von der Wärmepumpe eingefangen werden...
Man könnte die Kiste in Groß bauen und könnte sie heizen, ohne Primärenergieeinsatz... Und ich würde nochmal 100W obendrauf packen (chemische Energie aus der Nahrung in Wärmeenergie)...
Reibunsverluste können nicht kriechen. Die bremsen das Ganze ab, bis es stehengeblieben ist. Wie groß die Kiste ist, spielt keine Rolle.
Wenn du 100W von aussen reinsteckst, ist es kein perpetuum mobile.
in meinem Beispiel wären es ja -1kW+3kW-3kW+1kW also komplett ausgeglichen...
Die Reibunsverluste entstünden ja innen in der Kiste... also sind sie noch keine echten Verluste... sie sind ja noch da...
Die Reibung bremst die Bewegung ab. Wie die Reibung entsteht, soll welche Bedeutung haben?
Und nochmal: Selbst, wenn es keine Verluste gäbe und man -1kW+3kW-3kW+1kW rechnen könnte, hätte das Ding welchen Nutzen? Es würde sich selbst am Laufen halten, mehr nicht.
der Nutzen wäre, dass die Heizung keine Primärenergie braucht...
Die Reibunsverluste entstünden ja innen in der Kiste... also sind sie noch keine echten Verluste... sie sind ja noch da...
Innen in der Kiste sitzt der Stirlingmotor. Ein Stirlingmotor läuft nur, so lange er ein warmes und ein kaltes Ende hat, zwischen denen ein Temperaturgefälle herrscht. Die Reibungswärme fließt nicht dorthin, wo es warm ist, sondern dorthin, wo es kalt ist. Sie erwärmt nun den kalten Teil des Motors, verflacht das Temperaturgefälle und der Wirkungsgrad des Motors geht gegen null. Er wird nach kurzer Zeit stehenbleiben.
Zum Thema Wirkungsgrad, aus https://www.leifiphysik.de/mechanik/arbeit-energie-und-leistung/grundwissen/wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie bei einer Umwandlung in die gewünschte Energieform umgewandelt wird.
Es spielt keine Rolle, wo was bleibt, es geht nur darum, dass du immer mehr Energie reinstecken musst, als du hinterher bekommen wirst.
Gnadenlos und unerbittlich.
nee... es ist ja kein richtiger Verlust, bspw. wenn die Wärme in der Kiste bleibt...
OK, ich sehe jetzt erst: Du willst außer "innen" und "außen" noch eine zusätzliche Wärmesenke benutzen, ein Kältereservoir. Damit hast Du noch ein zusätzliches Temperaturgefälle, und das kann den Stirlingmotor antreiben. Aber dann ergibt es wenig Sinn, ihn mit in die Kiste zu tun.
Es ist ein Verlust, da diese Wärmeenergie eigentlich dazu genutzt werden könnte, mehr Energie an der Welle zu bekommen. Darin liegt der Verlust.
Beispiel: Benzin hat einen Heizwert von 8,5 kWh pro Liter, Das willst du mit einem Generator in Strom wandeln. Maximal bekämst du damit 8,5 kWh an elektrischer Energie. Ein schlechte Wirkungsgrad bedeutet allerdings, du bekommst nur noch 1 kWh an elektrischer Energie.
Ein schlechter Deal und ein schlechter Wirkungsgrad. Du verlierst in meiner Rechnung rund 7,5 kWh an Energie von dem, was im Benzin eigentlich drinsteckt.
ok... aber die Reibunsverluste in irgendwelchen Lagern und Zahnrädern und Getrieben würden ja in der Kiste bleiben...
Also ist ein Stirlingmotor wirklich so ineffizient... 90% in die Wärmesenke und nur 10% bleiben in der Kiste und erzeugen dann zu 100% Bewegungsenergie? Oder wie teilt sich das nun auf?
nein, die Wärmeenergie, die in der Kiste bleibt, weil sie in Getrieben oder so steckenbleibt und deswegen nicht als Bewegungsenergie auf die Welle der Wärmepumpe gelangt, zählt nicht zum Verlust, weil sie ja nicht verloren ist...
es mag aber sein, dass dieser Anteil der Ineffizienz des Stirlingmotors gering ist...
ie Wärmeenergie, die in der Kiste bleibt, weil sie in Getrieben oder so steckenbleibt und deswegen nicht als Bewegungsenergie auf die Welle der Wärmepumpe gelangt, zählt nicht zum Verlust, weil sie ja nicht verloren ist...
Mit der kannst du nichts anfangen, daher ist sie verloren. Die fehlt als mechanische Energie an der Welle und nur dort kannst du die nächste Maschine antreiben. Was im Getriebe hängen bleibt, ist weg und verloren aus Sicht desjenigen, der mit dem Rest etwas anders machen möchte.
Versteh das oder nicht, ich mach Schluss.
Verlust, was die Effizienz des Stirlingmotors angeht, aber nicht was die Kiste angeht...
Okay, noch ein Versuch. Möglicherweise ist die Bedeutung von verloren unser Problem.
Energie kann nicht verstehen, so sagt es die Physik. Das aber gilt nur für abgeschlossene Systeme. Mein verloren bezieht sich auf die Menge an Energie, die man reinsteckt und in anderer Form wieder entnimmt.
Dass ein Teil der reingesteckten Energie ein Getriebe erwärmt oder andere Bauteile durch Reibung erwärmt werden, geht die Energie nicht in dem Sinne verloren, dass sie einfach verschwindet. Das ist richtig. Aber sie ist für den Zweck selber verloren.
ja ok.... aber sie ist dann ja noch in der Kiste, weil das Getriebe ja innen in der Kiste ist... darum würde ich es bei der Betrachtung des Wirkungsgrades eigentlich als gar nicht erst „reingesteckt“ werten...
Im Sinne der Physik schon. Denk an den Generator mit Benzin. Das Benzin kann pro Liter 8,5 kWh Arbeit leisten. Du bekommst aber nur 1 kWh Arbeit in Form elektrischer Arbeit heraus. Für deinen Zweck, Strom zu erzeugen, sind die restlichen 7,5 kWh verloren. Die sind natürlich noch da, aber verpuffen als für dich nutzlose Wärme.
Und darum geht es ja. Man will Systeme, die nicht unnötig Wärme in die Umwelt abgeben. Denn gerade weil ja die Physik allgemein sagt, dass nichts verloren geht, haben wir ja eine Aufheizung (neben anderen Faktoren).
Die Energie des Benzin ist für dich verloren, das ist das Kernthema.
Es gilt also immer, den Wirkungsgrad zu erhöhen, aber der 2. Hauptsatz der Thermodynamik liefert die Grenzen.
Der Begriff "verloren" hat verschiedene Bedeutungen je nach Kontext. Das solltest du bitte beachten. Er bedeutet nicht automatisch, dass etwas sich in nichts auflöst.
nochmal: Wenn du nur den Smotor allein betrachtest, hättest du Recht.
aber: der Verlust des Smotors bleibt teilweise in der Kiste, so dass er keinen Verlust für die Kiste darstellt. Dies muss natürlich berücksichtigt werden.
und: da jedoch die Effizienz des Smotors bei geringen Temperaturdifferenzen dermaßen schlecht ist, ist es sowieso egal, weil er sich sowieso nicht lohnt. Ob er nun 10% oder 20% Wirkungsgrad hat, ist egal. Man bräuchte offenbar mindestens 30%, was aber (wie von mir gleich Eingangs vermutet) nicht geht...
das was zur Wärmesenke (also nach außerhalb der Kiste) wandert, ist natürlich Verlustenergie... ich meinte aber doch die Erwärmung von Getrieben innerhalb der Kiste... langsam verstanden jetzt?
bei Luftkühlung geht sie zurück in die Luft in der Kiste.... von dort wandert sie dann wieder in den Smotor, in die anderen Bereiche der Kiste, in die Bewohner der Kiste und wieder aus den Bewohnern der Kiste (aus denen kommt übrigens mehr Wärme raus als rein geht, wenn sie nicht vor Längerem gestorben sind)... aber auch irgendwann in die Wandbereiche und von dort eben in die Kühlschlangen der Wärmepumpe...
nö... der kommt zum Stillstand, wenn die Wärmesenke die gleiche Temperatur hat, wie die Wärmequelle... das Getriebe zähle ich nicht zur Wärmesenke... du willst offenbar gar nicht verstehen, was ich meinte... es ist selbstverständlich zutreffend, dass ein Teil der Ineffizienz nicht dazu führt, dass Wärme in die Wärmesenke des Smotors fließt... dieser Teil sollte in diesem Beispiel weder als Eingangsleistung noch als Verlustleistung gezählt werden...
Für die Betrachtung des Wirkungsgrades an sich spielt es keine Rolle. Es sei denn, die Abwärme würde wie bei der Kraftwärme-Kopplung zusätzlich noch genutzt werden können.
Kannst du sie für deinen Zweck sinnvoll nutzen, ist alles okay. Wenn nein, dann ist die Wärme nur Abfall.
der „Nutzen“ wäre, dass sie einfach noch da ist... der Zweck der Kiste ist doch, dass sie innen 20°C hat... erinnerst dich?
aber die Kiste enthält ja immer dieselbe Wärmemenge (nämlich in dem 20°C warmen Inventar)... also gibt die unterm Strjch weder Energie ab noch nimmt sie Energie auf...