Der Einsatz von Stirling-Maschinen als Kühlaggregat

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Inhaltsverzeichnis

1.  Einführung Seite  3

2.  Stirling Maschine Seite  5

2.1  Idealer Stirling- Prozess Seite  5

2.2.  Differenzen zum idealen Prozess Seite  7

2.3.  Arten von Stirling- Maschinen Seite  9

3.  Kältemaschinen Seite  10

3.1.  Philips Typ A Kältemaschine Seite  10

3.2.  Solo 161 Kältemaschine Seite  12

4.  Anwendung der Stirling- Kältemaschine Seite  13

  als Kühlaggregat  

4.1  Anwendungsgebiete Seite  15

4.2  Einsatz von Stirling- Kältemaschinen in der Seite  17

  Tiefkühlung in Supermärkten  

5.  Anwendung in der Seite  19

  Lösungsmittelkondensation  

5.1  Das Prinzip der Lösungsmittelkondensation Seite  20

5.2  Anwendung der Stirling- Kältemaschine in Seite  22

  der Kryokondensation  

6.  Abschließende Bewertung Seite  23

7.  Literaturverzeichnis Seite  27

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1. Einführung

Der Mensch strebt seit jeher danach, sein Leben leichter und erträglicher zu gestalten. Das geschieht oft dadurch, dass er versucht na turgegebene Gesetzmäßigkeiten außer Kraft zu setzen oder sich zumindest vor ihnen zu schützen. So wurde eine feste Behausung entwickelt, um sich vor Kälte und Witterung zu schützen. Es wurde das elektrische Licht erfunden, um sich gegen die Dunkelheit und die Gefahr von offenem Feuer zu wehren. Weiterhin wurde das Automobil gebaut, um sich möglichst schnell und Kräfte schonend von einem Punkt zum Anderen zu begeben. Und man entwickelte man Kühlschränke, um den Verfall von Nahrungsmitteln zu verlangsamen. Der Anspruch der Menschen, das Leben leichter zu machen, stieg immer mehr an. Aus diesem ansteigenden Bedarf an „un- natürlichen Dingen“ entwickelte sich zwangsläufig ein immer höherer Energiebedarf, der mit Problemen verbunden ist. Wie man weiß, ist das Vorhandensein von Rohstoffreserven und Rohstoffressourcen zur Umwandlung zu nutzbarer Energie auf unserem Planeten begrenzt. Das bedeutet, dass wir die Energie, wie wir sie jetzt nutzen, nicht mehr lange nutzen können. In nächster Zukunft werden die Rohstoffvorkommen, die wir verwenden, um unsere benötigte Energie herzustellen, erschöpft sein. Ein weiteres Problem ergibt sich daraus, dass die Rohstoffe immer knapper und somit automatisch teurer für den Benutzer werden. Das ist das Prinzip der Marktwirtschaft. Dinge, die jeder braucht, die aber nur in begrenzten Maße vorhanden sind, steigen im Preis. Ein anderer Faktor spielt hier ebenso eine Rolle. In den letzten Jahren entwickelte man ein Verantwortungsbewusstsein für die nachfolgenden Generationen. Das bedeutet, dass man die Bedürfnisse des Menschen nicht auf jede Art und Weise befriedigen will, sondern zum Einen die Wirtschaftlichkeit beachtet, dass heißt das Kosten-Nutzen Denken. Zum Anderen schenkt man in seinen Planungen dem Problem der Rohstoffknappheit Beachtung. Aber seit geraumer Zeit, und das entwickelte sich aus diesem neuen Verantwortungsbewusstsein, sieht man sich neuen Rahmenbedingungen gegenüber gestellt. Man versucht jetzt nicht mehr nur die knappen Reserven und Ressourcen an Rohstoffen zu schonen, sondern auch die natürliche Umwelt an sich. Das heißt, dass heute Maschinen, die unsere Bedürfnisse befriedigen sollen, völlig neuen Anforderungen erfüllen müssen. Neben der sinkenden Umweltbelastung und der Kostensenkung für den

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Verbraucher, kommt hinzu, dass sich durch Neuerungen in der Industrie und Wirtschaft die Anforderungen stetig wandeln. Das bedeutet also, dass man heute Maschinen konstruiert, die zum Einen den aktuellen Anforderungen entsprechen, zum Anderen das Rohstoffvorkommen möglichst wenig belasten, also am besten mit erneuerbaren Energieformen betrieben werden. Außerdem sollen sie so arbeiten, dass der Arbeitsprozess möglichst effektiv abläuft und somit Kosten für den Verbraucher gesenkt werden können. Und natürlich sollen sie so wenig wie möglich Schadstoffe wie FCKW verwenden und damit die Umwelt entlasten.

Die Forschung arbeitet intensiv an der Entwicklung immer neuerer Verfahren, um diesen Anforderungen zu genügen. Ein Gebiet auf dem besonders intensiv geforscht wird ist die Kältetechnik. Die Kältetechnik befasst sich mit den genau diesen Problemen. Einerseits benötigt in der Industrie immer tiefere Temperaturen. Um aber bei herkömmlichen Verfahren eine tiefe Temperatur zu erreichen, ist das nur in Verbindung mit einem gleichzeitigen Steigen des Energiebedarfes möglich. Häufig werden, um dennoch sehr tiefe Temperaturen zu erreichen, künstliche Kältemittel verwendet, die allerdings den Treibhauseffekt verstärken und daher eher ungeeignet sind. So zum Beispiel das teilhalogenierte Fluor- Chlor- Wasserstoff (H-FCKW), das als Ersatz für das reine FCKW verwendet wurde. Da es aber ebenso den Treibhauseffekt fördert, wurde es seit dem 01.01.2000 in allen neuen Anlagen verboten. Ein anderes Kältemittel ist Ammoniak, welches vernachlässigbar zum Treibhauseffekt beiträgt, es ist aber brennbar und giftig und daher auch ungeeignet. Oft findet auch flüssiger Stickstoff, der leicht und in großen Mengen herstellbar ist, Anwendung. Flüssiger Stickstoff kann den Kältebedarf für einige Anwendungen in der Industrie aber nur unzureichend abdecken, so dass er zwar immer noch eine gute Alternative ist, aber nur ungenügend in allen Gebieten angewandt werden kann.

Eine zusätzliche Möglichkeit bietet sich da durch den Stirling Motor. Dieser, schon im 19. Jahrhundert entwickelte Motor, war lange in Vergessenheit geraten, da er im Wettkampf mit OTTO- und DIESEL- Motor das Nachsehen hatte. In den 1950er Jahren aber griff die Firma „Philips“ das Prinzip des Stirling Motors wieder auf und entwickelte daraus 1955 e ine Kältemaschine zur Gasverflüssigung. Ob die Stirling- Kältemaschine die heutigen Anforderungen erfüllt und somit eine Alternative zu den bestehenden Kältemaschinen ist, wird sich im Folgenden

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herausstellen. Um diese Frage aber zu klären, soll zunächst einmal auf den Stirling- Prozess eingegangen werden.

2. Die Stirling- Kältemaschine

Bereits 1816 entwickelte Robert Stirling eine Maschine, die, im rechtsläufigen Prozess, nach dem Prinzip einer Wärmepumpe funktionierte. 1834 kam John Hershall als Erster auf die Idee eines linksläufigen Prozesses. Diese Idee wurde schließlich 1849 mit der ersten linksläufigen Stirling- Maschine realisiert. Dennoch vergingen gut 100 Jahre, bevor die Firma Philips im Jahre 1955 eine Stirling-Kältemaschine zur Gasverflüssigung in Serie produzierte und auf den Markt brachte. Trotzdem konnte sich die Stirling Kältemaschine nur in wenigen Bereichen etablieren und findet auch heute noch kaum Einsatz. Um zu klären warum dies so ist, soll zunächst der Stirling - Prozess im Idealfall erklärt werden. Da das Thema dieser Arbeit die Stirling- Maschine als Kältemaschine ist, wird vorrangig auf den linksläufigen Prozess eingegangen, der lediglich die Umkehrung des eigentlichen (rechtsläufigen) Stirling- Prozesses ist.

2.1. Der ideale Stirling- Prozess

Der ideale Stirling- Prozess ist ein geschlossener, regenerativer Gaskreisprozess, bei dem ein Arbeitsgas zweimal isotherm und zweimal isochor seinen Zustand ändert. Das Arbeitsmedium wird im Laufe des Vorgangs durch Veränderung des inneren Volumens des Prozessraumes und durch Einteilung dieses Raumes in Bereiche unterschiedlicher Temperatur komprimiert und expandiert. Das Arbeitsgas bewegt sich vom Warmen zum kalten Bereich, dabei gibt das Arbeitsmedium an den Regenerator (Speichermasse) Wärme ab, welche es auf dem Weg vom kalten Raum zum warmen wieder aufnimmt. Das Ergebnis dieses „thermodynamischen Kreisprozesses ist die Netto- Umwandlung von Wärme in Arbeit und umgekehrt.“ (Schiefelbein, K., 1997, S. 3).

In Bild 2-1 ist ein möglicher Einsatz eines Stirling- Prozesses dargestellt, an dem man die vier Phasen der Umwandlung erkennen kann.

Bild 2-1: Mögliche Realisierung des idealen Stirling-Prozess (Mai, M.: 2003, S. 13)

Diese Stirling- Maschine besteht aus zwei gegenüberliegenden Kolben, davon ist der Linke der Expansionskolben und rechts der Kompressionskolben. Zwischen diesen Kolben befindet sich das Arbeitsgas und der Regenerator.

In der Ausgangslage ist das Arbeitsgas im warmen Kompressionsraum. Durch die Kolbenbewegung des Kompressionskolbens findet eine isotherme Verdichtung des Arbeitsgases statt, wobei die Kompressionswärme zugleich über die Zylinderwände an die Umgebung abgegeben wird. Im dritten Schritt bewegen sich beide Kolben gleichzeitig und das Arbeitsgas gibt die Wärme an die thermische Speichermasse (Regenerator) ab und verschiebt sich dabei vom Kompressions- in den Expansionsraum. Bei dieser Verschiebung hat sich das Arbeitsmedium abgekühlt. Man spricht hier von isochorer Abkühlung, das bedeutet, dass das Gas seine Temperatur ändert, aber das gleiche Volumen behält. Nun findet durch das Bewegen des Expansionskolbens die isotherme Ausdehnung statt, bei der das Gas sein Volumen ändert, aber nicht seine Temperatur. Das Arbeitsgas nimmt jetzt wieder Wärme aus der Umgebung durch die Zylinderwände auf. Mit der darauf folgenden isochoren Erwärmung bewegen sich beide Kolben wieder parallel in eine Richtung. Das Arbeitsgas geht vom Expansionsraum wieder zum Kompressionsraum über und nimmt dabei die vom Regenerator gespeicherte Wärme auf. Der Prozess kann von neuem beginnen.

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Der Nutzen als Kältemaschine findet während der isothermen Ausdehnung statt, wenn im kalten Raum mit T e Wärme q zu aufgenommen wird. Im warmen Raum mit T k wird die Wärme q ab abgegeben, diese ist gleich der Kompressionswärme bei der isothermen Verdichtung.

Um nun die Arbeit berechnen zu können, die bei dem Prozess verrichtet wird, bedient man sich des ersten Satzes der Thermodynamik, nach dem alle ab- und zugeführten Energien im Kreisprozess gleich null sind. Das bedeutet, dass aus der Summe der Wärmemengen die Arbeit berechnet werden kann.

W= -q ab - q ^zu Der Wirkungsgrad wird bei Kältemaschinen durch die Kälteleistung ε bestimmt. Sie ergibt sich aus dem Quotienten von Nutzen und Aufwand.

ε= Damit der Stirling- Prozess ideal verläuft, muss die Wärmemenge, die bei der isochoren Abkühlung im Regenerator zwischengespeichert wird, gleich der Wärmemenge sein, die bei der isochoren Wärmeaufnahme dem Gas zugeführt wird. Die Wärmemenge im Regenerator steigt, wenn die Expansionstemperatur T ^e steigt. Dagegen wird die Kälteleistung mit sinkender T e kleiner. Die Temperatur der Wärmeabgabe ändert sich mit der Wärmemenge, die während der isothermen Kompression abgeführt wird. Bleibt die Temperatur der W ärmeabgabe gleich, steigt die Arbeit genauso wie die Kälteleistung sinkt. Bei gleichzeitiger Absenkung der Temperatur der Kältebereitstellung.

2.2 Differenzen zum idealen Stirling- Prozess

Wie man weiß sind solche idealen Prozesse nur theoretisch möglich. In Realität gibt es verschieden Punkte, welche die Leistungszahl, also den Wirkungsgrad sinken lassen. Wie in allen Maschinen kommt es natürlich auch bei der Stirling Maschine zu Reibungsentwicklung während der Bewegung der einzelnen Komponenten der Maschine sowie der Bewegung der Teilchen, welche die Leistung der Maschine reduzieren. Darauf lässt sich aber verhältnismäßig wenig Einfluss nehmen, deshalb werden im Folgenden nur die bedeutendsten Abweichungen beschrieben.