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 (ΔT=50 K)
6.3.3 Simulationsergebnisse Motor 4 (ΔT=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 & Themen
Die Diplomarbeit untersucht die technischen Möglichkeiten und thermodynamischen Grenzen der Abwärmenutzung mittels Niedertemperatur-Freikolben-Stirling-Motoren. Das primäre Ziel besteht darin, ein modulares Simulationsmodell zu entwickeln, das die dynamischen Prozesse des Stirling-Systems abbildet, um unterschiedliche Maschinenkonfigurationen hinsichtlich ihrer Effizienz und Wirtschaftlichkeit zu bewerten.
- Thermodynamische Grundlagen und Modellbildung von Stirling-Systemen
- Entwicklung eines modularen Simulationsmodells mittels MATLAB/Simulink
- Vergleich von verschiedenen Konfigurationen (Alpha- und Beta-Konfiguration)
- Untersuchung der Abwärmenutzung in stationären Systemen und mobilen Anwendungen
- Analyse der konstruktiven Anforderungen und der Materialwahl
Auszug aus dem Buch
3.6.1 Laminare Strömung
Liegt eine Druckdifferenz dp vor, so ist das Gas oder die Flüssigkeit bestrebt, diesen Druckunterschied durch einen Volumenstrom auszugleichen. Die Geschwindigkeit des strömenden Mediums ist in der Querschnittsebene nicht konstant, sondern hängt vom Ort, insbesondere vom Abstand zur Wand ab. In Abbildung 3.4 ist das Strömungsbild zwischen zwei planparallelen Platten beispielhaft dargestellt.
In der Modellvorstellung haftet die äußerste Molekülschicht des Mediums an der feststehenden Außenwand und befindet sich daher relativ zum Bezugssystem in Ruhe. Die jeweils folgende Schicht der Dicke dz, welche mit der vorhergehenden über die Fläche A=b·l in Kontakt steht, bewegt sich mit einer Relativgeschwindigkeit du. Auch wenn die Moleküle des Fluids nicht fest in ein Kristallgitter gebunden sind, wie es etwa bei Metallen der Fall ist, so müssen dennoch die durch Verzahnung benachbarter Molekülschichten entstehenden Potentialwälle überwunden werden. Mit der Viskosität η lässt sich nach Newton die Kraft berechnen, welche nötig ist, um die Molekülschichten übereinander gleiten zu lassen. /Menschede (2004)/
Diese Kraft verursacht bei schnell strömendem Arbeitsgas im Stirlingmotor unerwünschte Strömungswiderstände, welche den Wirkungsgrad negativ beeinflussen. Da die Abmessungen und Strömungsgeschwindigkeiten durch Anforderung und Konstruktion weitgehend vorgegeben sind, muss ein Arbeitsgas mit geringer Viskosität η eingesetzt werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung beleuchtet die Relevanz der Nutzung ungenutzter Abwärme zur Steigerung der Ressourceneffizienz und stellt den Stirling-Motor als vielversprechende Technologie für die Umwandlung von Niedertemperatur-Wärme in mechanische Arbeit vor.
2 Zielsetzung der Arbeit: Dieses Kapitel definiert die Zielsetzung, die Möglichkeiten und Grenzen des Stirling-Motors unter Berücksichtigung spezifischer Randbedingungen und verschiedener Freikolben-Konfigurationen zu untersuchen.
3 Grundlagen: Es werden die notwendigen thermodynamischen und strömungsmechanischen Grundlagen dargelegt, insbesondere Energiebilanzen, Zustandsänderungen idealer Gase sowie die Gesetzmäßigkeiten von Wärmeübertragung und Strömungswiderständen.
4 Der Stirlingmotor: Hier werden die Funktionsweise, die verschiedenen Bauarten (Alpha-, Beta-, Gamma-Konfiguration) sowie Einsatzgebiete und Simulationstechniken für Stirling-Motoren systematisch beschrieben.
5 Simulationsmodell Stirlingmotor: Dieses umfangreiche Kapitel detailliert den Aufbau des Simulationsmodells, beginnend bei der elementaren Rohrzelle über Wärmeleitungselemente und Regenerator-Modelle bis hin zu den Kräften und der Einbindung von Lineargeneratoren.
6 Auswertung: Die Auswertung präsentiert die Ergebnisse umfangreicher Simulationsreihen für verschiedene Motorkonfigurationen und bewertet das Potenzial der Abwärmenutzung im stationären Bereich sowie im Kraftfahrzeug.
7 Fazit: Das Fazit fasst die Erkenntnisse zusammen, reflektiert die Genauigkeit und Grenzen der gewählten Modellannahmen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Entwicklungen und Forschungsschwerpunkte.
Schlüsselwörter
Stirlingmotor, Freikolbenmaschine, Abwärmenutzung, Thermodynamik, MATLAB/Simulink, Modellbildung, Regenerator, Wärmeübertrager, Strömungsmechanik, Wirkungsgrad, Kraft-Wärme-Kopplung, Simulation, Niedertemperaturprozess, Lineargenerator, Energiebilanz
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht die theoretischen Grundlagen, die Modellierung und die praktische Eignung von Freikolben-Stirling-Motoren zur effizienten Nutzung von Abwärme, die bisher energetisch ungenutzt bleibt.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zu den Kernbereichen gehören die thermodynamische Auslegung von Stirling-Systemen, die Modellierung komplexer Strömungs- und Wärmeleitungsprozesse sowie die Anwendung dieser Technologie in stationären und mobilen Szenarien.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Erstellung eines modularen Simulationsmodells, mit dem sich unterschiedliche Konfigurationen von Freikolben-Stirling-Motoren hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und wirtschaftlichen Umsetzbarkeit analysieren lassen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt die numerische Simulation mit MATLAB/Simulink, basierend auf der physikalischen Modellierung mittels Bilanzgleichungen für Masse und Energie sowie der Integration von Differentialgleichungssystemen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen (Thermodynamik), die detaillierte Beschreibung der Motortypen, die Herleitung der Simulationsmodule (Rohrzelle, Regenerator, Wärmeleitung) sowie die abschließende Auswertung der Simulationsergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Stirlingmotor, Freikolbenmaschine, Abwärmenutzung, MATLAB/Simulink, thermodynamische Simulation und Kraft-Wärme-Kopplung.
Welche Bedeutung hat die Alpha- oder Beta-Konfiguration für die Simulation?
Die Konfiguration beeinflusst maßgeblich die mechanische Kopplung der Kolben und damit das dynamische Verhalten und die Effizienz des Systems, was im Simulationsmodell durch unterschiedliche Modulstrukturen abgebildet wird.
Warum spielt die Viskosität des Arbeitsgases eine wichtige Rolle?
Die Viskosität des Arbeitsgases ist ein entscheidender Parameter für die internen Strömungsverluste in den Wärmetauschern und dem Regenerator; eine geringe Viskosität ist daher für hohe Wirkungsgrade essentiell.
Inwieweit lässt sich das Modell auf mobile Anwendungen übertragen?
Das Modell ermöglicht die Simulation von Abwärmenutzung durch Abgase oder Kühlwasser in Kraftfahrzeugen, wobei insbesondere dynamische Lastwechsel und die Integration in bestehende Kreisläufe untersucht werden.
- Citar trabajo
- Paul Lindner (Autor), 2011, Abwärmenutzung mittels Niedertemperatur-Freikolben-Stirlingmotor. Entwicklung eines thermodynamischen Simulationsmodells in MATLAB und Simulink, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/535405
