Abwärmenutzung mittels Niedertemperatur-Freikolben-Stirlingmotor. Entwicklung eines thermodynamischen Simulationsmodells in MATLAB und Simulink

Diplomarbeit , 2011 , 152 Seiten , Note: 1,3

Ingenieurwissenschaften - Energietechnik

Die Entwicklung ressourcenschonender Technologien ist seit geraumer Zeit Gegenstand wissenschaftlicher und ökonomischer Diskussionen. Davon motiviert, möchte diese Arbeit einen Beitrag leisten, wie bislang nicht wirtschaftlich nutzbare Energiequellen erschlossen werden können. Ein bedeutender Teil der weltweit erzeugten Elektroenergie wird in Wärmekraftwerken mittels thermodynamischer Kreisprozesse gewonnen. Dank der großen Temperaturdifferenzen werden entsprechend hohe Wirkungsgrade erreicht.

Die Nutzung von Wärme und Abwärme mit einer geringen Temperaturdifferenz ist hingegen mit einer Vielzahl von technischen und vor allem wirtschaftlichen Hemmnissen verbunden. Ob als ungenutzte Abwärme von Industrieanlagen oder als warmes Oberflächenwasser tropischer Meeresflächen: Thermische Potenziale mit geringen Temperaturunterschieden scheinen nahezu unbegrenzt verfügbar zu sein. Bei der Nutzbarmachung dieser Ressource ist vorrangig der unwirtschaftliche Einsatz aufwändiger Technik der begrenzende Faktor. Eine zielführende Lösung der genannten Hemmnisse bietet der Stirling-Motor. Das seit fast 200 Jahren bekannte Prinzip des Heißluftmotors hat in einer Vielzahl technischer Anwendungen seine Leitungsfähigkeit unter Beweis gestellt. Die Möglichkeit der Wärmezufuhr von außen und die damit verbundene Nutzungsmöglichkeit beliebiger Wärmequellen und nicht zuletzt auch die Vielfalt möglicher Maschinenkonfigurationen machen den Stirling-Motor interessant für das bisher wenig erschlossene Gebiet der Umwandlung von Niedertemperatur-Wärme in mechanische Arbeit.

In diesem Zusammenhang ist es notwendig, verschiedene Bauweisen und Motorkonfigurationen im Kontext des geringen Temperaturpotentials zu betrachten. Mit dem geringen Wirkungsgrad der einzelnen Maschine auf der einen und der riesigen Verfügbarkeit von Niedertemperaturwärme auf der anderen Seite ergeben sich ungewöhnliche Anforderungen an Wirtschaftlichkeit. Der Einsatz alternativer Materialien und Fertigungsverfahren ist ebenso Gegenstand der Arbeit wie die Modellierung des Stirling-Motors im Allgemeinen und die Simulation einer geeigneten Maschinenkonfiguration mit dem erstellten Simulationsmodell 2. und 3. Ordnung im Speziellen.

Diese Arbeit ist im Sinne eines Beitrages zur ressourcenschonenden Nutzung vorhandener Energiequellen zu verstehen. Es werden, untermauert von Simulationsergebnissen, die Möglichkeiten und Grenzen des Stirling-Motors auf dem Gebiet der Abwärmenutzung umrissen.

Inhaltsverzeichnis

• 1 Einleitung
• 2 Zielstellung der Arbeit
• 3 Grundlagen
  • 3.1 Energiebilanz
  • 3.2 Zustandsgleichung und Zustandsänderung
    • 3.2.1 Zustandsgleichungen
    • 3.2.2 Zustandsänderungen idealer Gase
  • 3.3 Das p,v- und T,s- Diagramm
  • 3.4 Wärmeleitung
  • 3.5 Wärmeübergang
  • 3.6 Strömungsmechanik
    • 3.6.1 Laminare Strömung
    • 3.6.2 Turbulente Strömung
• 4 Der Stirlingmotor
  • 4.1 Der ideale Stirling-Prozess
    • 4.1.1 Beschreibung des Kreisprozesses
  • 4.2 Arten von Stirling-Motoren
  • 4.3 Einsatzgebiete von Stirling-Motoren
    • 4.3.1 Nutzung des Stirlingmotors in der Kraft-Wärme-Kopplung
    • 4.3.2 Anwendungsbeispiele von Freikolben-Stirling-Motoren
    • 4.3.3 Doppelt wirkende Stirling-Motoren
    • 4.3.4 Solarer Niedertemperatur-Stirlingmotor
  • 4.4 Simulationstechniken
    • 4.4.1 Einteilung der Berechnungsverfahren
    • 4.4.2 Simulation mit MATLAB/Simulink
  • 4.5 Neue Konzepte und Innovationsideen
    • 4.5.1 Nutzungsrandbedingungen der Konzeptidee
    • 4.5.2 Innovationen
• 5 Simulationsmodell Stirlingmotor
  • 5.1 Die elementare Rohrzelle
    • 5.1.1 Bestimmung des Massestromes
    • 5.1.2 Bestimmung der Arbeitsgastemperatur
    • 5.1.3 Wärmeübergang vom Fluid zur Wandung
    • 5.1.4 Simulationsmodell
  • 5.2 Wärmeleitungselemente
    • 5.2.1 Eindimensionale Wärmeleitung
    • 5.2.2 Zweidimensionale Wärmeleitung
  • 5.3 Der Wärmeübertrager
    • 5.3.1 Aufbau
    • 5.3.2 Modulares Modellkonzept
  • 5.4 Der Regenerator
    • 5.4.1 Der ideale und der reale Regenerator
    • 5.4.2 Berechnung des Widerstandsbeiwertes im Regenerator
    • 5.4.3 Berechnung der Matrix- und Gastemperatur der Regeneratorzelle
    • 5.4.4 Auslegung und Optimierung
  • 5.5 Volumenelemente und Kolben
    • 5.5.1 Zylinderelement mit Kolben
    • 5.5.2 Zylinder mit Doppelkolben: Beta-Konfiguration
    • 5.5.3 Zylinder mit Dreifachkolben: Alpha-Konfiguration
    • 5.5.4 Abschlusselemente
  • 5.6 Elemente zur Übertragung von Kräften
    • 5.6.1 Feder-Dämpfer-Element
    • 5.6.2 Magnetische Koppelglieder
  • 5.7 Der Lineargenerator
  • 5.8 Das Arbeitsgas
  • 5.9 Simulative Berücksichtigung veränderlicher Stoffwerte
• 6 Auswertung
  • 6.1 Simulationsergebnisse
  • 6.2 Vierzylinder-Stirling-Freikolbenmotor Alpha-Konfiguration
    • 6.2.1 Aufbau und Simulationsmodell
    • 6.2.2 Simulationsergebnisse
  • 6.3 Einzylinder-Stirling-Freikolbenmotor Beta-Konfiguration
    • 6.3.1 Aufbau und Simulationsmodell
    • 6.3.2 Simulationsergebnisse Motor 3 (AT=50 K)
    • 6.3.3 Simulationsergebnisse Motor 4 (AT=200 K)
  • 6.4 Der Stirling-Motor im Kontext zur Abwärmenutzung
    • 6.4.1 Abwärmenutzung im stationären Bereich
    • 6.4.2 Abwärmenutzung im Kraftfahrzeug
    • 6.4.3 Möglichkeiten und Grenzen der Abwärmenutzung mit Freikolben-Stirling-Motoren
• 7 Fazit
  • 7.1 Zusammenfassung
    • 7.1.1 Technische Ausführung
    • 7.1.2 Methodik und Modellaufbau
  • 7.2 Grenzen der Modellannahmen
  • 7.3 Ausblick

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der Nutzung von Abwärme mittels eines Niedertemperatur-Freikolben-Stirlingmotors. Ziel der Arbeit ist es, ein Simulationsmodell für einen solchen Motor zu entwickeln und anhand von Simulationen die Möglichkeiten und Grenzen der Abwärmenutzung mit dieser Technologie zu untersuchen. Dabei werden insbesondere die technischen Herausforderungen und die Optimierungspotenziale des Stirlingmotors im Hinblick auf den Einsatz in verschiedenen Anwendungsbereichen betrachtet.

• Modellierung und Simulation eines Niedertemperatur-Freikolben-Stirlingmotors
• Analyse der Leistungsfähigkeit und des Wirkungsgrades des Motors in Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen
• Bewertung der Möglichkeiten und Grenzen der Abwärmenutzung mit Freikolben-Stirling-Motoren
• Entwicklung von Optimierungsansätzen zur Steigerung der Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Abwärmenutzung

Zusammenfassung der Kapitel

• Kapitel 1: Einleitung: Diese Einleitung stellt die Thematik der Abwärmenutzung mittels Stirlingmotoren in den Kontext aktueller energietechnischer Herausforderungen und skizziert den Aufbau der Arbeit.
• Kapitel 2: Zielstellung der Arbeit: Die Zielsetzung der Diplomarbeit wird präzise definiert. Die Arbeit zielt auf die Entwicklung eines Simulationsmodells für einen Niedertemperatur-Freikolben-Stirlingmotor und dessen Anwendung zur Analyse des Abwärme-Nutzungspotenzials.
• Kapitel 3: Grundlagen: Dieses Kapitel beleuchtet die notwendigen Grundlagen der Thermodynamik, Wärmelehre und Strömungsmechanik, die für das Verständnis des Stirling-Prozesses und der Funktionsweise des Motors essenziell sind.
• Kapitel 4: Der Stirlingmotor: In diesem Kapitel wird der Stirlingmotor ausführlich vorgestellt. Dazu zählen die Beschreibung des idealen Stirling-Prozesses, verschiedene Arten von Stirlingmotoren, ihre Einsatzgebiete, sowie eine Einführung in die Simulation von Stirlingmotoren mit MATLAB/Simulink.
• Kapitel 5: Simulationsmodell Stirlingmotor: Hier werden die Details des Simulationsmodells für den Niedertemperatur-Freikolben-Stirlingmotor vorgestellt. Das Modell berücksichtigt die verschiedenen Komponenten wie die elementare Rohrzelle, Wärmeleitungselemente, den Wärmeübertrager, den Regenerator und die Kolben. Die Modellierung von Kräften und des Lineargenerators wird ebenfalls erläutert.
• Kapitel 6: Auswertung: Die Simulationsergebnisse werden in diesem Kapitel analysiert und diskutiert. Verschiedene Konfigurationen des Stirlingmotors werden simuliert und die Ergebnisse hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und des Wirkungsgrades ausgewertet. Das Kapitel betrachtet auch die Einsatzmöglichkeiten des Stirlingmotors in der Abwärmenutzung in unterschiedlichen Anwendungsbereichen.

Schlüsselwörter

Die Arbeit behandelt die Themen Abwärmenutzung, Freikolben-Stirling-Motor, Simulation, Niedertemperatur-Stirling-Prozess, Energieeffizienz, Thermodynamik, Wärmeübertragung, Kraft-Wärme-Kopplung, Anwendungen.

• Hochschule: Technische Universität Dresden (Institut für Energietechnik)
• Note: 1,3
• Autor: Paul Lindner (Autor:in)
• Erscheinungsjahr: 2011
• Seiten: 152
• Katalognummer: V535405
• ISBN (eBook): 9783346150431
• ISBN (Buch): 9783346150448
• Sprache: Deutsch
• Schlagworte: Simulation MATLAB Simulink Thermodynamik Abwärmenutzung Stirlingmotor