Seit der ersten Ölkrise im Jahr 1976 versucht die Bundesrepublik Deutschland ihren Erdölverbrauch drastisch zu verringern. Die tatsächlichen Erfolge bei diesem Vorhaben stellen sich bislang als recht bescheiden heraus. Ein Grund dafür dürfte wohl in dem ständig wachsenden Energiebedarf liegen, auf dem scheinbar unsere gesamte Wirtschaft aufgebaut ist. Damit sind volkswirtschaftlicher Erfolg und Beschäftigungslage eng mit dem unklaren Energieangebot verknüpft. Auf einen kurzen Nenner gebracht läßt sich sagen: ,,Je weniger Energie zur Verfügung steht, umso mehr Arbeitslose werden wir zu beklagen haben und umso steiler wird die Inflation anwachsen."
Genau betrachtet haben wir mehr Erdöl und sonstige Energieformen zur ,,Verfügung" als wir tatsächlich bräuchten. Diese ,,verfügbare" Energie ist leider sehr oft deshalb nicht zu gebrauchen, weil sie in Form von Wärme die niedrigste Form der Energie überhaupt darstellt; vor allem dann, wenn sie als Niedertemperaturwärme anfällt, wie z.B. in Wärmekraftwerken.
Soll diese Energie genutzt werden, die immerhin 60 bis 70 Prozent der Primärenergie eines Kraftwerks ausmacht, so sind teure Fernwärmenetze zu errichten. Da ein einziger Anschluß ohne weiteres DM 20.000,- kosten kann, ist ein solcher Wärmeverbund nur in sehr dicht besiedelten Wohngegenden, am besten mit Hochhäusern, wirtschaftlich zu realisieren. Für Flächensiedlungen scheidet daher die Nutzung der Abwärme aus.
Erste Versuche, aus diesem Dilemma herauszukommen, fördert derzeit das Bundesministerium für Forschung und Technologie. Bei diesen Versuchen handelt es sich um sog. Blockheizkraftwerke von nur einigen hundert Kilowatt elektrischer Leistung, die überwiegend von Dieselmotoren oder kleinen Dampfturbinen angetrieben werden. Der Treibstoff ist in der Regel Erdgas oder leichtes Heizöl. Bei diesen kleinen Kraftwerken entspricht der Wirkungsgrad etwa dem der Großkraftwerke. Die Abwärme kann allerdings besser genutzt werden, weil die Wärmeleitungsnetze wesentlich kürzer und damit billiger sind. Wegen der kleinen Dimensionen kann ein solcher Block mitten in ein Wohngebiet gebaut werden, was zudem die Standortsuche vereinfacht. Mit dieser Form der Stromerzeugung lassen sich aber wiederum nur kleine, dichtbesiedelte Wohngegenden mit Abwärme beheizen. Ein paar Straßen weiter würden die Warmwasserrohre wieder zu lange und müßten relativ große Wärmeverluste an den Boden abgeben.
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Inhaltsverzeichnis
1 Prinzip einer Kraftheizung
2 Idealisierte Kreisprozesse und Prinzipien
2.1 Carnot-Kreisprozeß
2.2 Stirling-Kreisprozeß
2.3 Vergleich der Prozesse von Carnot und Stirling
3 Wachsendes Interesse am Stirlingmotor
4 Drei Grundtypen nach Collie und eine Erscheinungsform
4.1 Alpha-Typ
4.1.1 Rinia-Version
4.2 Beta-Typ
4.3 Gamma-Typ
5 Beispiele für Stirlingmotoren in der Praxis
5.1 Stirlingmotor für ein künstliches Herz
5.2 Stirlingmotoren für Unterwasserenergiesysteme und die Raumfahrt
5.2.1 Stirlingmotoren für Unterwasserenergiesysteme
5.2.2 Stirlingmotoren für die Raumfahrt
6 Probleme bei der technischen Realisierung
6.1 Arbeitsgase
6.1.1 Thermische Eigenschaften
6.1.2 Weitere Eigenschaften
6.2 Dichtigkeit der Motoren
6.3 Materialprobleme verschiedener Bauelemente
6.3.1 Wärmeübergänge
6.3.2 Regenerator
6.3.3 Temperaturdifferenzen
6.4 Bauvolumen
7 Geringere Anforderungen im dezentralen Einsatz
7.1 Bauvolumen
7.2 Gewicht
7.3 Leistungs- und Drehzahlregelung
7.4 Abwärme
7.5 Geringere Dichtungs- und Materialprobleme
8 Spezielle Anforderungen für den dezentralen Einsatz
8.1 Bauvolumen und Gewicht
8.2 Modulbauweise
8.3 Geringe Geräuschentwicklung
8.4 Abgasemissionen
8.5 Wirtschaftlichkeit
8.6 Vielstoffähigkeit
8.7 Normdrehzahl
8.8 Abwärmenutzung
8.9 Lebensdauer
8.10 Zuverlässigkeit und Wartung
8.11 Unfallgefahren
9 Prinziplösungen für den dezentralen Einsatz
9.1 Gewicht - Material - Geometrie
9.2 Volumen
9.3 Geräuschminderung
9.3.1 Gleitlager
9.3.2 Ausgleichswellen
9.3.3 Rinia-Getriebe
9.3.4 Rhombengetriebe
9.4 Abgasemission
9.5 Beeinflussung des Wirkungsgrades
9.5.1 Temperaturdifferenz
9.5.2 Wärmeübergang
9.5.3 Totes Volumen
9.5.4 Regenerator
9.5.5 Reibungsverluste an Dichtungen
9.5.6 Arbeitsgas/Druck
9.6 Abwärmenutzung
9.7 Wasserstoffverluste, Explosionsvorbeugung
10 Vorschlag eines Konzepts
10.1 Überwachung durch Mikroprozessor
10.2 Zylinderkopf und Erhitzer aus Keramik
10.3 Regenerator
10.4 Verdränger
10.5 Magnetlager - Gleitlager
10.6 Rollsockendichtung
10.7 Arbeitsgas Wasserstoff
10.8 Erzeugung der Netzfrequenz
10.8.1 Niedrige Normdrehzahl
10.8.2 Phasenrichtige Einspeisung
10.9 Modulbauweise
10.10 Kurbelwelle
11 Zusammenfassung
12 Schlußbemerkung
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die vorliegende Diplomarbeit untersucht die Eignung des Stirlingmotors für den Einsatz in dezentralen, stationären Energiesystemen (Kraftheizungen). Ziel ist es, technische Lösungswege aufzuzeigen, wie dieser Motortyp trotz bisheriger Herausforderungen effizient in Wohneinheiten integriert werden kann, um eine umweltfreundliche und wirtschaftliche Energieversorgung zu gewährleisten.
- Grundlagen thermodynamischer Kreisprozesse (Carnot vs. Stirling)
- Analyse technischer Hürden bei der Realisierung, insbesondere Dichtigkeit und Materialwahl
- Konzeptentwicklung für den dezentralen Einsatz unter Berücksichtigung von Modulbauweise und Mikroprozessorsteuerung
- Vergleich mit konventionellen Verbrennungsmotoren bezüglich Emissionen und Wartungsaufwand
Auszug aus dem Buch
6.2 Dichtigkeit der Motoren
Eines der größten Probleme ist die Dichtigkeit der Motoren. Die Dichtungen müssen Gase auch bei hohen Drücken zuverlässig einschließen, dürfen aber bei Bewegung möglichst keine Reibungsverluste zeigen. Übliche Kfz-Kolbenringe, wie sie in Otto- und Dieselmotoren Verwendung finden, sind für diese Zwecke völlig ungeeignet, weil sie zu stark lecken und außerdem einen dicken Ölfilm brauchen, der Öl in den Arbeitsraum gelangen läßt, was zu Defekten und gar zur Selbstzerstörung führen kann (siehe Abschn. 6.3.2).
Soll ein ölgeschmierter Kolbenring in einem Stirlingmotor eingesetzt werden, so sind Ring und Zylinder äußerst präzise herzustellen. Die Kanten des Ringes sind so auszulegen, daß beim Abwärtshub kein Öl mehr an der Zylinderwand verbleibt. Die Konstruktion muß der eines Pumpringes (Bild 2) ähneln. Dabei ist besonders darauf zu achten, daß die Reibungsverluste so klein wie möglich gehalten werden. Der genaue Mechanismus ölgeschmierter Dichtungen ist bis heute noch nicht bekannt. So tritt z. B. Gasverlust auf, auch wenn sich im Arbeitsraum bereits Öl ansammelt. Solche unerforschten Gegebenheiten machen praktische Versuche unumgänglich.
Kunststoffdichtungen laufen trocken - Ölsammlungen sind also nicht zu befürchten. Dafür unterliegen sie einem relativ hohen Verschleiß. Das Material der Kunststoffkolbenringe ist in der Regel ölgefüllter Fluorkohlenwasserstoff (z. B. Teflon®, Rulon®). Der Gaseinschluß wird gewährleistet und die Reibungsverluste halten sich in akzeptablen Grenzen.
Eine scheinbar ideale Lösung ist die Rollsockendichtung (Bild 2).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Prinzip einer Kraftheizung: Einführung in die Problematik der Energieverknappung und Vorstellung der Kraft-Wärme-Kopplung mittels kleiner Blockheizkraftwerke.
2 Idealisierte Kreisprozesse und Prinzipien: Physikalische Herleitung der thermodynamischen Grundlagen anhand des Carnot- und Stirling-Prozesses.
3 Wachsendes Interesse am Stirlingmotor: Erörterung der Vorteile des Stirlingmotors, wie verbesserter Wirkungsgrad und reduzierte Umweltbelastung.
4 Drei Grundtypen nach Collie und eine Erscheinungsform: Klassifizierung der verschiedenen Bauformen in Alpha-, Beta- und Gamma-Typen.
5 Beispiele für Stirlingmotoren in der Praxis: Vorstellung konkreter Anwendungen wie künstliche Herzen, Unterwasserantriebe und Raumfahrttechnik.
6 Probleme bei der technischen Realisierung: Detaillierte Analyse technischer Schwierigkeiten bei Dichtungen, Materialbelastung und Wärmeübertragung.
7 Geringere Anforderungen im dezentralen Einsatz: Betrachtung der Erleichterungen für Konstrukteure bei stationären Anlagen im Vergleich zu mobilen Fahrzeugmotoren.
8 Spezielle Anforderungen für den dezentralen Einsatz: Zusammenstellung notwendiger Eigenschaften wie Geräuscharmut, Wirtschaftlichkeit und Modulbauweise.
9 Prinziplösungen für den dezentralen Einsatz: Vorstellung konkreter technischer Konzepte zur Lärmminderung und Wirkungsgradoptimierung.
10 Vorschlag eines Konzepts: Entwurf einer Gesamtlösung inklusive Mikroprozessorsteuerung und spezifischer Materialwahl.
11 Zusammenfassung: Resümee über die Eignung des Stirlingmotors als spezialisiertes Antriebsaggregat im dezentralen Sektor.
12 Schlußbemerkung: Kritische Würdigung der politischen und organisatorischen Hindernisse bei der Markteinführung dezentraler Energiekonzepte.
Schlüsselwörter
Stirlingmotor, Kraft-Wärme-Kopplung, dezentrale Energieversorgung, Thermodynamik, Regenerator, Rollsockendichtung, Wirkungsgrad, Abgasemission, Modulbauweise, Mikroprozessorsteuerung, Antriebstechnik, Energieeinsparung, Verbrennungsmotor, Keramikbauteile, Energiepolitik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der technischen Analyse und der konzeptionellen Eignung von Stirlingmotoren für den Einsatz in stationären, dezentralen Heizungsanlagen, auch bekannt als Kraftheizungen.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die Schwerpunkte liegen auf der Thermodynamik der Kreisprozesse, der technischen Realisierung, den Anforderungen an Materialien und Dichtungen sowie der Entwicklung eines konkreten Betriebskonzepts.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, aufzuzeigen, wie ein Stirlingmotor konstruiert sein muss, um als effiziente und wartungsarme Energiequelle in Wohnhäusern zur Strom- und Wärmeerzeugung dienen zu können.
Welche wissenschaftliche Methodik wird verwendet?
Der Autor nutzt eine technische Literaturanalyse in Kombination mit einer theoretischen Auslegung der mechanischen und thermodynamischen Parameter, um technische Lösungsansätze zu bewerten.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden die theoretischen Grundlagen, die konstruktiven Unterschiede der Motortypen, die physikalischen Probleme (Dichtigkeit, Reibung) und die Lösungsansätze durch spezielle Komponenten detailliert diskutiert.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Stirlingmotor, Kraft-Wärme-Kopplung, dezentrale Energieversorgung, Wirkungsgradoptimierung und technische Konzepte zur Geräusch- und Emissionsminderung.
Warum ist die Rollsockendichtung für das Konzept so wichtig?
Sie stellt eine hermetische Abdichtung des Arbeitsraumes sicher, die im Gegensatz zu klassischen Kolbenringen weitgehend wartungsfrei ist und keine Ölverschmutzung im Arbeitsraum verursacht.
Welche Rolle spielt die Mikroprozessorsteuerung im vorgeschlagenen Konzept?
Die Steuerung dient der Überwachung des Anlagenzustands, der schnellen Reaktion auf Lastwechsel sowie der Fehlerfrüherkennung, um die Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb zu erhöhen.
- Arbeit zitieren
- Christoph Müller (Autor:in), 1981, Der Stirlingmotor für den dezentralen stationären Energieeinsatz, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/159
