Der Einsatz von Stirling-Maschinen als Kühlaggregat

von: Stefan Kuhles

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 als Kühlaggregat Seite 13

4.1 Anwendungsgebiete Seite 15
4.2 Einsatz von Stirling- Kältemaschinen in der Tiefkühlung in Supermärkten Seite 17

5. Anwendung in der Lösungsmittelkondensation Seite 19

5.1 Das Prinzip der Lösungsmittelkondensation Seite 20
5.2 Anwendung der Stirling- Kältemaschine in der Kryokondensation Seite 22

6. Abschließende Bewertung Seite 23

7. Literaturverzeichnis Seite 27

1. Einführung

Der Mensch strebt seit jeher danach, sein Leben leichter und erträglicher zu gestalten. Das geschieht oft dadurch, dass er versucht naturgegebene 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 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 eine Kältemaschine zur Gasverflüssigung. Ob die Stirling- Kältemaschine die heutigen Anforderungen erfüllt und somit eine Alternative zu den bestehenden Kältemaschinen ist, wird sich im Folgenden herausstellen. Um diese Frage aber zu klären, soll zunächst einmal auf den Stirling- Prozess eingegangen werden.

2. Die Stirling- Kältemaschine

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