Entwicklung einer neuartigen Niedertemperatur- Stirlingmaschine zum Betrieb mit Solarkollektoren

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1 Veröffentlichung 8. Symp. Thermische Solarenergie Entwicklung einer neuartigen Niedertemperatur- Stirlingmaschine zum Betrieb mit Solarkollektoren B. Johannhörster, O.Mayer Universität der Bundeswehr München Abteilung Regeegenerative Energie, BauV Neubiberg, Germany Tel , Fax Zusammenfassung: Die Abteilung Regenerative Energien des Instituts für Wasserwesen der Universität der Bundeswehr München beschäftigt sich seit nunmehr 3 Jahren mit der Entwicklung, Vermessung und Applikation von solaren Niedertemperatur-Stirlingmotoren. Im Projekt NISMEK wurde hier ein Konzept entwickelt, wonach große Maschinen mit vielen Kubikmetern Arbeitsvolumen und fast eben so vielen Kilowatts Nutzleistung gebaut werden könnten. Nach einigen Geometriestudien konstruierte und fertigte man ein Labormuster als doppeltwirkende HEC-Gammamaschine mit einem Arbeitsvolumen von über 600 Litern, 100 Liter Regeneratorvolumen und 80 m 2 Wärmetauscherfläche für die 500 W Leistungsklasse. Die hauptsächlichen Neuerungen, die aus dieser Entwicklung hervorgingen, sind die Möglichkeiten der Verdränger-Fremderregung, die Anordnung der Wärmetauscher und die Art der Doppeltwirkung. Allgemein Wärmeenergie auf niedrigem Temperaturniveau ist wegen ihrer örtlichen und zeitlichen Immobilität zu den meisten Zeiten an den meisten Orten wertlos. Weil sie sich aber in enormen Mengen anbietet z.b. als Geothermik oder Abwärme, aber auch mit einfachsten Mitteln aus der Solarstrahlung zu gewinnen ist, ist die Suche nach Möglichkeiten diese Energie nutzbar zu machen ein Gebot dieser Zeit. Im Hinblick auf die Notwendigkeit, die Anteile der regenerativen Energien bedeutend zu erhöhen und auch die anderen Energien effizienter zu verwerten, wird es in Zukunft einen enormen Bedarf an Kraftmaschinen geben, die in dezentralen Anlagen aus der noch wertlosen Niedertemperatur-Wärme höherwertige Energieformen wie Elektrizität, Pumpenergie oder Kälte schafft. Seite 1 von 5

2 Abb.1: Vision einer Niedertemperatur- Sirlingmaschine nach dem NISMEK-System Die Nutzung von Wärmeenergie bei geringem Temperaturgefälle (kleiner 100 K) ist mit herkömmlichen Wärme-Kraft-Maschinen quasi unmöglich. Jedoch mit einem speziell für diese niedrigen Temperaturen konzipierten Motor, der wie ein Stirling mit einem geschlossenen, regenerativen Gasprozeß arbeitet, lassen sich auch diese Energien mit relativ geringem technischen Aufwand und einem Wirkungsgrad von bis zu 10% verwerten. Physikalische Gesetzmäßigkeiten erfordern im Vergleich zu klassischen Stirlingmotoren eine bedeutend größere Gasmenge (etwa 1-5 m 3 pro KW), eine geringere Drehzahl (kleiner 1s -1 ) und größere Wärmetauscherflächen, um trotz des geringen Temperaturgefälles den nötigen Wärmeübergang zum Gas zu gewährleisten. Die niedrigen Temperatur-belastungen, die geringen Druckschwankungen und Drehzahlen ermöglichen aber auch eine völlig neue Dimension für den Energie-maschinenbau mit Materialien wie Kunststoffen, Holz, Textilmembranen, große Gummi- oder Folienkissen, gemauerten Räumen oder Pipelinerohren. Das Kurbelwellengetriebe als Steuerungs- und Last-abnahmeelement, sowie das Schwungrad als Energiespeicher sind bei der neuen Generation von NT-Stirlings undenkbar, weil sie völlig unwirtschaftliche Dimensionen annehmen müßten. Anstelle eines mechanischen Hebelwerkes kann der Verdränger mit einem pneumatischen, hydraulischen oder elektrischen Hilfsaggregat gesteuert werden. Dadurch können ideale diskontinuierliche Be-wegungen und Fre-quenzen für effiziente Betriebspunkte einge-stellt werden. Die Hub-bewegung des Arbeits-kolbens sollte ohne Glättung eines Massen-schwingers direkt auf eine angepaßte Arbeits-maschine übertragen werden. Abb 2: NISMEK Labormuster. Eine doppeltwirkende fremderregte Niedertemperatur-Sirlingmaschine für T=30-100K in der 500W Leistungsklasse Seite 2 von 5

3 Im Projekt NISMEK wurde hier ein Konzept entwickelt, wonach große Maschinen mit vielen Kubikmetern Arbeitsvolumen und fast eben so vielen Kilowatts Nutzleistung gebaut werden könnten. Mit den Ergebnissen unserer Vorversuche an anderen NT-Stirlingmotoren konnte man den Prozeß theoretisch erfassen, was bei diesen entkoppelten Systemen mit einfachen Mitteln möglich ist. Nach einigen Geometriestudien konstruierte und fertigte man ein Labormuster als doppeltwirkende HEC-Gammamaschine mit einem Arbeitsvolumen von über 600 l, 100 l Regeneratorvolumen und 80 m 2 Wärmetauscherfläche für die 500 W Leistungsklasse (Abb. 2). Konzeption und Auslegung: Entstehen sollte eine möglichst großvolumige Heißluftmaschine, die für unterschiedliche Arbeitsmaschinen und in der Kältetechnik einsetzbar ist. Wir legten fest, daß eine Maschine mit 400 Litern verdrängtem Volumen mit ausreichender Sicherheit mit unseren konventionellen Fertigungsmöglichkeiten bezüglich der Steifigkeit, Dichtigkeit und des Aufwandes zu beherrschen ist. Die Hauptanforderung aber wahr, daß das entstehende System grundsätzlich bis in den 10 kw Bereich vergrößerbar sein soll. Im Stile der Schmidtanalytik stellten wir einfache Simulationsrechnungen an. In iterativen Prozessen wurden so die Einflüsse des Totraumes, das Kompressionsverhältnis der Wärmetauscherwirkungsgrade, die Art der Verdrängerbewegung und Lastabnahme auf die Zyklusarbeit abgeschätzt. Die hauptsächlichen Neuerungen, die aus dieser Entwicklung hervorgingen, sind die Möglichkeiten der Verdränger-Fremderregung, die Anordnung der Wärmetauscher und die Art der Doppeltwirkung (Abb. 3). Zu Robert Stirlings Zeiten war die Möglichkeit eine phasenverschobene Auf- und Abbewegung zweier Bauteile zu realisieren, die Kurbelwelle. Im Zeitalter der billigen elektronischen Steuerungen und effizienten elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Antrieben sind gerade für unsere geringen Frequenzen, großen Volumina, und damit langen Hüben, bedeutend präzisere und wirtschaftlichere Lösungen möglich. Hybrid-maschine wird ein Abb 3 :Systemskizze der NISMEK-Maschine (Innen heiß, Außen Kalt) Stirling genannt, bei dem Arbeitskolben und Verdränger in unterschiedlichen Weisen gesteuert werden. Ein mit Fremdenergie betriebener Aktuator zwingt dem Verdränger eine Schwingung auf. Die dadurch indiziert Druckschwankung wirkt auf den Arbeitskolben, der die Arbeit direkt auf eine angepaßte Arbeitsmaschine überträgt. Doppeltwirkende Systeme sind interessant, weil mit einer Steuerung einem doppelseitig nutzbaren Arbeitskolben und einer Seite 3 von 5

4 Lastab-nahme zwei Verdränger-räume zu bedienen sind. Weil der Arbeitskolben bei dieser Anordnung nicht gegen den Umgebungsdruck wirkt, sondern gegen einen zweiten entgegengesetzt arbeitenden Raum, ist eine Aufladung möglich. Für unsere allgemeinen Versuche haben wir so auch die Möglichkeit, zweistufige Kraft- und Kältemaschinen sowie das Verhalten als Voilleumiermaschine zu untersuchen. Wärmetauscher Über ein Zwischenmedium (Wasser bei C) soll die Wärme einer allgemeinen Quelle über rekuperative Tauscher an das Arbeitsgas gebracht werden. Baugleiche Wärmetauscher führen die Abwärme heraus. Geht man davon aus, daß dieser Rekuperator in der Lage sein muß, die Luft von der Regeneratoraustrittstemperatur möglichst nahe an die Wärmeträgertemperatur zu bringen, sind dafür neben günstiger Umströmung extrem großen Flächen von Nöten. Es galt Wärmetauscher mit hoher Packungsdichte, bei geringem Srömungswiderstand zu finden. Weil die Entwicklung eines speziellen Rekuperator im Rahmen dieses Entwicklungsschrittes unmöglich war, mußten wir auf fertige Systeme zurückgreifen. Wir fanden einen Rippenrohrwärmetauscher der Firma Güntner, Fürstenfeldbruck, der pro Liter Bauvolumen 1 m 2 Fläche besitzt, und eine verwertbare Geometrie besaß. Weil außerdem auch in den isothermen Phasen Wärme zugeführt werden muß, obwohl nur eine geringe Luftbewegung stattfindet, sollten ebenfalls Flächen des Verdrängerraumes temperiert werden. Auf der kalten Seite kann durch die metallische Außenwand Wärme an die Umgebung abgeführt werden. Auf der heißen, nach außen isolierten Seite, wurden zusätzliche Rohr-bündeltauscher installiert. Der entscheidende Unterschied unseres Systems gegenüber herkömmlichen NT-Stirlings (Kolin, Weber), ist die Anordnung der Wärmetauscher. Bisher wurden lediglich regenerative Verdränger eingesetzt, mit dem Vorteil des großen Strömungs-querschnittes (Abb. 4 unten). Wegen der benötigten Regeneratorlänge, Abb.4: Schnitte durch 2 Flachplattenmotoren im Vergleich: Oben, geschlossene Verdrängerplatte mit feststehenden Wärmetauschern (NISMEK). Unten, Regenerativer Verdränger mit mitbewegten Wärmetauschern entsteht bei diesem Querschnitt ein großes, totes Volumen. Vom Regeneratoraustritt sollten die Wärmetauscher günstig angeströmt werden. Um dieses zu ermöglichen hat man den Kühler und den Erhitzer ebenfalls mit dem Regenerator als Verdränger mitbewegt. Weil dieses bewegte Bauteil bei großen Maschinen zu instabil und zu schwer würde, haben wir den Verdränger geschlossen, und in den zwei Kanälen, die den Heiß- und Kaltraum miteinander verbinden, die Wärmetauscher in thermodynamisch günstigen Geometrien installiert (Abb. 4 oben). Der Preis dafür ist die höhere Strömungsverlustleistung, die etwa 5-10% der Nutzleistung entspricht. Seite 4 von 5

5 Antriebe zur Verdrängerbewegung Wir entschieden uns für eine Hybridmaschine, weil uns so viele Möglichkeiten für den An- und Abtrieb der beiden Bewegungselemente bei einstellbarer Frequenz bleiben. Ein solches System ist theoretisch vorausbestimmbar, wenn man die Verdrängerantriebsenergie erst in einem späteren Schritt betrachten möchte. Diese Maschine sehen wir also als thermodynamischen Kraftverstärker, der die eingebrachte Hilfsenergie nach unseren ersten Messungen um den Faktor 10 bis 20 verstärken kann. Diese Hilfsenergie sollte allerdings nicht separat erzeugt werden, sondern muß eine sein, die im System vorhanden ist. Hierfür kommt die von der Arbeitsmaschine erzeugte Energie in Frage, also Hydraulik (bei Wasserpumpen siehe Abb. 5), Elektrisch (bei Generatorbetrieb) oder natürlich direkte mechanische Energie. Abb.5: NISMEK als Oberflächenwasserpumpe mit hydraulischer Verdrängersteuerung Eine weitere Möglichkeit des entkoppelten Verdrängerantriebes ist das Ringbom-Prinzip. Hier wird der Verdränger direkt durch die Druckschwankung im Arbeitsraum zur Schwingung angeregt. Gerade in unserer doppeltwirkenden Maschine ließe sie dieser Ansatz sehr galant realisieren. Dem faszinierend einfachen Aufbau und der diskontinuierliche Verdrängerbewegung des Ringbomstirlings steht aber entgegen, daß dieser Maschinentyp nur bei einem Druckverhältnis, bzw. nur bei einem Temperaturverhältnis günstig arbeitet. Weil aber gerade bei solaren Anwendungen stark variierende Eingangsleistungen anfallen, können zwar gute Peakwirkungsgrade erreicht werden, aber die Laufzeiten und der Tageswirkungsgrad wären enttäuschen. Es besteht allerdings die Möglichkeit über einen kleinen Zwischenspeicher (z.b. Gummiblase) und Ventilsteuerung, die Phasenverschiebung und die Frequenz der zugeführten Energie anzupassen. Diese Konzepte werden nun mit der Firma Bomin Solar Research weiterverfolgt. Die BSR beschäftigt sich schon seit längerer Zeit mit ähnlichen Systemen und hält hierzu einige Patente. Seite 5 von 5