Applikation Modellierung und Simulation einer Freikolben-Stirling-Maschine

Transkript

1 Applikation Modellierung und Simulation einer Freikolben-Stirling-Maschine Einleitung und Überblick Stirling Maschinen Maschinen die mit Heißer Luft laufen sind Konstruktionen, die bereits im Jahr 1816 patentiert wurden. Im Vergleich zu anderen Motoren haben sie eine Reihe von Vorteilen: sie laufen mit jedem Brennstoff sind vergleichsweise kompakt und leicht haben einen leisen Lauf durch interne Verbrennung erfordern einen geringen Wartungsaufwand, da das Arbeitsgas im inneren der Maschine eingeschlossen und gegen die Außenwelt abgedichtet ist. Bild 1: Prototyp einer Stirling Maschine für eine Solarkrafteinheit der Firma Cummins Power Generation Quelle: h-stirling/chapter7/free-piston.html Diese Maschinen belegen heutzutage Nischen in Anwendungsfeldern, wie bei der Stromerzeugung (dezentrale Stromerzeuger, Spannungsversorgung in Raumfahrzeugen) oder U-Boot-Antriebe. Dennoch kann ein wachsendes Interesse beobachtet werden. Die Umkehrung des Problems die Anwendung des Stirling-Prinzipes für Wärmepumpen und Kühlmaschinen wurde mit viel größerem Erfolg realisiert. Ein Haupthindernis für die Anwendung von Stirling-Maschinen zur Erzeugung mechanischer Kraft ist die Tatsache, dass die Gestaltung einer Maschine mit befriedigender Effizienz eine schwierige und schwer zu verwirklichende Aufgabe ist. Das Verhalten einer solchen Maschine ist sehr sensitiv in Bezug auf ihre Parameter und die Erreichung einer erfolgreichen Lösung hängt nicht nur vom tiefen Verständnis der Physik, sondern auch vom umfangreichen Feintuning der endgültigen Konstruktion ab. Simulationen können bei der Auswertung des Verhaltens ab einem sehr frühen Stadium der Entwicklung hilfreich sein und den Aufstieg der Stirling-Maschinen zu einer erfolgreichen und weit verbreiteten Anwendung in der Krafterzeugung vorantreiben. An Hand des Testmodells in dieser Applikation wird beschrieben, wie mit ein solches Simulationsproblem einschließlich der Thermodynamik des Gases in der Maschine behandelt wird. Dieser Versuch wurde in Kooperation mit der italienischen Fa. ENERTEC s.r.l. die sich mit der Entwicklung einer Konfiguration für eine Freikolben-Stirling-Maschine befasst und die aktuelle Testkonfiguration zur Verfügung stellt, entwickelt. Die Modellierung zielt auf eine Implementierung einer lauffähigen Maschine auf der Basis von mechanischen Konstruktionsdaten und einigen Betriebsschätzungen, wie Kraftabgabe, Arbeitstemperatur oder Arbeitsgas. Die restlichen Parameter wurden währen der Abstimmung gefunden. Multidisziplinäre Systemmodellierung enthält alle physikalischen Domänen für den benötigten Umfang Komplette Modelle, die alle verhaltensrelevanten Effekte abbilden Spezifikation des Arbeitsgases und Darstellung des Gasverhaltens mit idealen oder realen Gasmodellen Lauffähiges Modell, das einen Stirlingzyklus veranschaulicht Modellentwicklung und Abstimmung mit einem begrenzten Parametersatz

2 Seite 2 von 5 Die Erzielung einer guten Effizienz ist eine der kunstreichsten Teile bei der Gestaltung einer Stirling- Maschine und lässt viel Freiraum für die Verbesserung und Abstimmung im Modell. Arbeitsprinzip einer Freikolben-Stirling-Maschine Auf dem Weg zwischen den Arbeitsräumen durchströmt das Gas einen so genannten Regenerator, der ein Wärmespeicher ist und das Gas vor Eintritt in den Kompressionsraum abkühlt und auf dem Weg zurück wieder erwärmt. Das erhöht den Wirkungsgrad. Der prinzipielle Aufbau einer Stirling-Maschine ist in Bild 2 zu sehen. In einer Freikolben-Maschine bewegt sich der Kolben (Piston) nur gegen eine Gas- oder Metallfeder, der Verdränger (Displacer) ist komplett frei oder wirkt auch gegen eine Feder. Im Betrieb schwingt die Feder-Masse Konfiguration mit der Bewegung des Gases zwischen den Arbeitsräumen. Bild 2: Aufbau einer Freikolben-Stirling-Maschine Quelle: stirling/engines/beta.html Modellierung Das Ziel dieser Modellstudie war eine Freikolben-Stirling-Maschine, bei der der Kolben einen Linear-- Stromerzeuger antreibt. Solch eine Maschine vereint eine Vielzahl von physikalischen Domänen: die Mechanik (Kolben, Verdränger, Federn) die Pneumatik (Verhalten des Arbeitsgases, Thermodynamischer Zyklus, Zylinder, Arbeits- und Totvolumen, Flusswiderstand) die Thermik (Wärmefluss im Expansions- und Kompressionsraum, Wärmekapazität des Regenerators, thermische Verluste, usw.). die Magnetik (Magnetisches Feld im Wechselstromerzeuger) die Elektrik (Spulen imstromerzeuger, Verteilung der erzeugten Energie in ein elektrisches Netz) Alle diese Domänen werden von eingeschlossen, so dass die Erstellung eines hoch entwickelten und detaillierten Modells möglich ist. Zu Demonstrationszwecken wurde ein einfacherer Ansatz der auf die Domänen Mechanik, Pneumatik (inklusive Erwärmung und Abkühlung mit konstanter Wandtemperatur und konstantem Wärmeübertragungskoeffizienten und CO 2 als Arbeitsgas) und Thermik (für die Regenerator-Wärmekapazität) beschränkt ist, eingesetzt. Der Stromerzeuger wurde als mechanische Last (Dämpfer) modelliert. Bild 3 zeigt das Simulationsmodell. Um eine geometrische Spezifikation der Feder-Vorspannung zu vermeiden, wurden Kraftelemente mit Null-Koordinaten eingesetzt. Die Zylinder arbeiten beide in einem Raum, wobei der eine mit konstantem atmosphärischem Druck verbunden ist. Das Modell wurde an Hand von Konstruktionsunterlagen und Arbeitsparametern, die der Aufgabensteller bereitstellte, parametriert. Nichtspezifizierte Parameter wurden in Richtung einer arbeitenden Maschine abgestimmt. CO 2 wurde als Arbeitsgas verwandt, um ein Realgas-Modell nach der Bender-Zustandsgleichung zu nutzen. Schweriner Straße Dresden Germany T +49 (0) F +49 (0) sales@simulationx.com

3 Seite 3 von 5 Bild 3: Modell der Freikolben-Stirling-Maschine Simulation Das Kernziel der Simulation war die Darstellung eines funktionierenden Modells auf der Basis des thermodynamischen Prozesses, das mit den Verhaltensbeschreibungen in der Literatur korrespondiert. Wie aus den Kurvenverläufen (Bild 4) für die mechanischen Teile (Kolben und Verdränger) ersichtlich ist, beginnt das Modell sehr schnell zu arbeiten. Es kann deutlich beobachtet werden, dass Kolben und Verdränger mit einer Phasenverschiebung schwingen, die wesentlich für den Betrieb der Maschine ist. Bild 4: Simulierte Bewegung von Kolben und Verdränger in der Maschine (Mass1 Verdränger, Mass 2 Kolben) Bild 5 veranschaulicht, das das Modell in der Tat einen Stirling-Zyklus ausführt. Das Diagramm stellt den Druck im Kühler über dem Gesamtvolumen in der Maschine dar. Schweriner Straße Dresden Germany T +49 (0) F +49 (0) sales@simulationx.com

4 Seite 4 von 5 Bild 5: Stirling-Zyklus des Maschinenmodells (Druck im Kühler/Gesamtvolumen) Eines der Haupt-, aber schwer zu erreichenden Gestaltungsziele ist eine gute Effektivität der Maschine, d. h. ein bestmöglicher Faktor zwischen der bereitgestellten Wärmeenergie und der erhaltenen mechanischen Arbeit. In sind der Wärmefluss (thermische Energie) durch die Wand der Heizung und auch die Energie, die durch die mechanische Last verbraucht wird, als Ergebnisgrößen verfügbar. Von diesen kann durch Integration über die Zeit die Gesamtenergie berechnet werden. Die Effektivität ergibt sich dann als Quotient der Energien. Diese Operation wurde mit einer Signalstruktur entsprechend Bild 6 modelliert. Bild 7 zeigt die Wärmeenergieaufnahme und die mechanische Energieabgabe. In diesem Testmodell, das keine Bemühungen zur Abstimmung in Richtung der Effektivität enthält, ist zweifellos Raum für Verbesserungen. ist in diesem Sinne eine geeignete Modellierungs- und Simulationsplattform. Bild 6: Signalstruktur für die Berechnung der Effektivität Schweriner Straße Dresden Germany T +49 (0) F +49 (0) sales@simulationx.com

5 Seite 5 von 5 Bild 7: Wäremeenergie-Eingang (oben) und mechanische Energieabgabe (unten) Schweriner Straße Dresden Germany T +49 (0) F +49 (0) sales@simulationx.com