Heat 2 Power:
Die Neue Stirlingmotor-Technologie []

Hauptmerkmale der neuen Stirlingmotor-Technologie

Hauptkomponenten der Neuen Stirlingmotor-Anlage

Aus der oben beschriebenen Funktionsweise ergeben sich direkt die Haup­tbestandteile der Anlage:

• Eine Kolbenmaschine mit einem oder mehreren doppelt­wirkenden Arbeits­zylindern und einer gleichen Anzahl Kompressions­zylinder. Kreuzkopf­führungen oder ein anderes Linear­führungs­system, wie Taumel­scheibe, Hypozykloid-Geraden­führung) oder ein Doppel-Kurbelwellen-Antrieb verhindert Quer­kräfte auf die Kolben­stangen der Hubkolben­maschine.
  
  Jeder Zylinder enthält einen Kolben, der den Zylinder­raum symmetrisch in zwei getrennte Kammern aufteilt. Beide Kammern dieser doppelt­wirkenden Zylinder bilden kein Arbeits- und Kompressions­raum­paar wie bei herkömmlichen Stirling­maschinen, sondern haben die gleiche Temperatur (2 heiße Räume oder 2 kalte Räume pro Zylinder) und die gleiche Aufgabe innerhalb des Gesamt­systems. Für jeden Arbeits­zylinder mit zwei Kammern ist daher ein Kompressions­zylinder mit ebenfalls zwei Kammern erforderlich.
• Hochdruckrohrleitungssystem zwischen den Auslass­seiten der Kompressions­zylinder und den Einlass­seiten der Arbeits­zylinder.
• Niederdruck-Rohrleitungssystem zwischen den Auslassseiten der Arbeits­zylinder und den Einlass­seiten der Kompressions­zylinder.
• Erhitzer/Heizungsvorrichtungen im Hochdruck­rohrsystem und an den Expansions­zylindern.
• Kühlvorrichtung im Niederdruck­rohrsystem und an den Kompressions­zylindern.
• Eine zentrale Wärmequelle (meistens ein Brenner) mit Wärme­rück­gewinnungs­system. Die Wärme­übertragung von der Wärme­quelle zum Erhitzer und zu den Wänden der Arbeits­zylinder erfolgt über Heatpipes.
• Ein Gegenstromwärmetauscher als Regenerator / Rekuperator, der von allen Zylindern gleichzeitig, kontinuierlich und gemeinsam genutzt wird.
• Je Zylinder ein System zum diskontinuierlichen Befüllen der Arbeits­zylinder beziehungs­weise ein System zum diskontinuierlichen Entleeren der Kompressions­zylinder, das es ermöglicht, die Gasströme der Zylinder zu kombinieren, um sie nach­einander aus einer gemeinsamen Rohr­leitung zu befüllen oder um sie nach­einander aus den Zylindern in eine gemeinsame Rohr­leitung auszuschieben.
  Diese Vorrichtungen befinden sich jeweils im Inneren der hohlen Kolbenstangen der Zylinder.

Die Konfiguration der neuen Stirlingmotor-Installation

Grundlegende Beschreibung der Funktionalität der neuen Stirlingmotor-Installation

Die Zylinder

Die Expansion des heißen Gases in den Arbeitszylindern des Hubkolben­motors treibt den Motor an. Die Kompressions­zylinder sind über eine Kurbelwelle Hypozykloide Geradführung, Linear Generator, Doppel-Kurbelwellen-Antrieb, Taumelscheibe oder eine andere mechanische Vorrichtung mit diesem verbunden und werden dadurch angetrieben. Dort wird gleichzeitig das kalte Gas komprimiert.

Während sich das Gas in einer Kammer des heißen Zylinders (Arbeits­zylinders) ausdehnt, wird es gleichzeitig in der anderen Kammer desselben Zylinders ausgestoßen und umgekehrt. Während das Gas in einer Kammer des Kalt­zylinders (Kompressions­zylinder) komprimiert wird, wird es in der anderen Kammer angesaugt. Am Ende dieser Takte, d. h., nach einer halben Kurbelwellen­umdrehung, tauschen die beiden Kammern eines Zylinders ihre Funktion. Der komplette Zyklus mit vier Takten findet somit zweimal während einer vollständigen Kurbelwellen­umdrehung in einem Zylinderpaar statt.

Die Strömungswege

Die Gasströme der einzelnen Arbeitszylinder werden in nur einer Rohrleitung, der Niederdruck­leitung, gesammelt. Die Niederdruck­leitung verbindet die Auslass­seiten der heissen Arbeits­zylinder mit den Einlass­seiten der kalten Kompressionszylinder.

Das heiße, expandierte Arbeitsgas erreicht dann den Mantelraum des Regenerators (Gegenstrom-Rekuperator) zum Kühler ➜ durch die Rohre ➜ zu den kalten Kompressions­zylindern, wo es auf ihre Einlass­seiten verteilt wird, wo es zum Ansaugen in die Zylinder verfügbar ist. Auf diese Weise wird das Gas abgekühlt und verliert an Druck.

Die kalten Druckgasmengen aus den einzelnen Kompressions­zylinder werden auf ähnliche Weise in nur einer Rohrleitung, der Hochdruck­leitung, zusammen­gefasst. Die Hochdruck­leitung verbindet die Auslass­seiten der kalten Kompressions­zylinder mit den Einlass­seiten der warmen Arbeits­zylinder.

Nach dem Ausschieben aus den Kompressions­zylindern wird das kalte, komprimierte Arbeitsgas im Rohrleitungs­system zusammen­geführt und bewegt sich in die entgegen­gesetzte Richtung ➜ vom Rohrraum des Regenerators zum Erhitzer ➜ zu den Rohren ➜ der Arbeits­zylinder, wo er an deren Einlass­seiten verteilt wird und zur Einspeisung in die Zylinder zur Verfügung steht. Auf diese Weise wird das Gas auf dem Weg zu den Arbeits­zylindern erwärmt und sein Druck weiter erhöht.

Diskontinuierliches Befüllen und Entleeren

Im Gegensatz zur Standardmaschine werden die Arbeitszylinder nur an den Umkehr­punkten der Kolben (Totpunkte) mit der erforderlichen Menge an komprimiertem, heißem Arbeitsgas gefüllt, sie werden jedoch während des Rückhubs kontinuierlich entleert.

Im Gegensatz zur Standardmaschine werden die Kompressions­zylinder ausschließlich an den Umkehr­punkten der Kolben (Totpunkte) entleert, d.h. nachdem das Gas in der entsprechenden Zylinder­kammer vollständig komprimiert wurde. Während des Rückhubs (Einlassphase) wird die Kammer aber kontinuierlich während des gesamten Hubweges gefüllt.

Das diskontinuierliche Befüllen oder Entleeren der Zylinder­kammern wird durch kontrolliertes Schließen oder Öffnen der Kammern am Ende des Arbeits­zyklus gesteuert. Dies wird erreicht, ohne eine aufwendige Ventilsteuerung einzusetzen. Stattdessen kommt eine neu entwickelte (Frei-)kolbensteuerung ("Umschalt­vorrichtung") zum Einsatz, die sich jeweils in den hohlen Kolben­stangen der Zylinder befindet (Details unten erläutert).

Die hier vorgeschlagene (Frei-)kolben­steuerung stellt sicher, daß das Arbeitsgas im Zylinder während der Expansions­phase abgedichtet und von den nachfolgenden Rohr­leitungen und vom Regenerator getrennt ist. Gleiches gilt für das Arbeitsgas im Kompressions­zylinder während des Kompressions­prozesses. Am Ende dieser Arbeits­zyklen öffnet die Umschalt­vorrichtung wieder und stellt eine Verbindung zum Regenerator und zu den Rohrleitungs­systemen her.

Kontinuierliche Strömung

In der oben beschriebenen Weise wird nach jedem Arbeits­zyklus einer der Kammern eines Arbeits­zylinders nacheinander eine der Zylinderkammergröße entsprechende Gasmenge dem Niederdruck-Rohrleitungs­system zugeführt und gleichzeitig auf der kalten Seite aus den Kompressions­zylindern abgezogen.

Analog dazu wird nach jedem Kompressionshub dem Hochdruck­rohrleitungs­system eine Gasmenge entsprechend dem Volumen einer Zylinder­kammer dem Hochdruck­rohrleitungssystem zugeführt und gleichzeitig von der heißen Seite in der Nähe der Arbeits­zylinder entnommen.

Da ständig Gasmengen aus den Zylindern zugeführt und auf der anderen Seite abgezogen werden, bewegt sich das Arbeitsgas praktisch kontinuierlich durch die Rohre. Auf diese Weise wird ein quasi-kontinuierlicher Fluss durch den Regenerator erzeugt.

Regenerator

Der Regenerator ist als Gegenstrom­rohrbündel­wärmetauscher (Rekuperator) ausgelegt. Die Strömungen der Niederdruck- und Hochdruck­leitungen treffen sich im Regenerator in getrennten Bereichen (Mantelraum und Rohrraum) ohne sich dort zu vermischen und tauschen dort Wärme aus. Denkbar ist auch eine Konstruktion mit Heatpipes. Im Folgenden werden daher die Begriffe „Regenerator“ und „Rekuperator“ synonym verwendet. Aufgrund des Gegenstrom­prinzips hat der Wärmetauscher eine permanent heiße und eine permanent kalte Seite mit einem stationären Temperatur­profil.

Bei der klassischen Maschine verfügt jedes einzelne Zylinder­kammerpaar (Heißkammer und Kaltkammer) über einen eigenen Regenerator, der die der Füllmenge einer Zylinder­kammer entsprechende Wärmemenge aufnehmen kann.

Die Neue Stirlingmotor-Technologie verwendet nur einen gemeinsamen Rekuperator für alle Zylinderpaare und zwei Rohrleitungs­systeme für alle kalten und heißen Zylinder­kammern zusammen.

Möglich wird dies dadurch, daß die Zylinder­kammern diskontinuierlich gefüllt und entleert werden und die Verbindungen zwischen Regenerator und Zylinder­kammern ständig umgeschaltet werden.

Aus den Zylindern kann während der Expansion und der Kompression kein Gas mehr in die nachfolgenden Rohrleitungen und den Regenerator entweichen, der nunmehr keinen Totraum mehr darstellt und daher nach Bedarf vergrößert werden kann. Das Volumen der Rohr­leitungen und des Regenerators / Rekuperators übersteigt daher im Gegensatz zu den klassischen Maschinen das Volumen einer Zylinder­kammer bei weitem. Wenn der Regenerator / Rekuperator ausreichend groß ausgeführt wird, benötigt das Gas in einer Zylinder­kammer mehrere Arbeitszyklen, um vollständig durch ihn zu strömen.

Auf diese Weise fungiert der Regenerator als Arbeitsgas­speicher, so daß Arbeitsgas in einem geeigneten Zustand auf der kalten und heißen Seite vor den Zylindern permanent verfügbar ist.

Wie im Schema oben gezeigt, ist der Regenerator im Vergleich zu den klassischen Stirling­motoren sehr groß, er ist bei weitem das grösste Element in der Gesamtanlage. Berechnungen haben gezeigt, daß sein Wirkungsgrad leicht mehr als 95% erreichen kann. In einem großen Regenerator investiertes Geld wird durch einen kleineren Erhitzer, einem kleineren Kühler und vor allem durch einen höheren Wirkungsgrad zurück­gewonnen.

Arbeitsschritte der Zylinder

Arbeitszylinder

Die folgenden detaillierten Schritte für eine Kammer eines Arbeits­zylinders für eine Kurbelwellen­umdrehung ergeben sich aus der beschriebenen Betriebsart:

1. Der Kolben im Arbeits­zylinder hat den Totpunkt erreicht, nachdem sich das Gas ausgedehnt hat. Der Auslass­kanal wird jetzt geöffnet.
2. Während des Rückhubs wird das expandierte Gas den gesamten Weg ausgeschoben.
3. Die Auslassöffnung schließt, wenn sich der Kolben dem anderen Totpunkt nähert.
4. Die Umschaltvorrichtung sorgt dafür, daß der Einlasskanal geöffnet wird.
5. Während sich der Kolben nahe dem Totpunkt befindet, strömt durch den geöffneten Einlasskanal frisches, heißes Druckgas in die Zylinder­kammer.
6. Der Einlasskanal wird wieder geschlossen.
7. Das eingeschlossene Gas dehnt sich aus und treibt den Kolben in die andere Richtung zurück. Im Gegensatz zur Standard­maschine wirkt sich die Ausdehnung nicht auf Toträume wie die Verbindungsrohre in Richtung des Regenerators aus.
8. Der Kolben erreicht den anderen Totpunkt. Der Zyklus beginnt von vorne.

Kompressionszylinder

Für eine Kammer eines Kompressions­zylinders ergeben sich die folgenden Schritte für eine Kurbelwellen­umdrehung:

1. Nach dem Komprimieren des Gases befindet sich der Kolben kurz vor dem Totpunkt.
2. Der Auslasskanal wird jetzt geöffnet.
3. Der Kolben bewegt sich ein kurzes Stück in Richtung Totpunkt und drückt das komprimierte Gas in die nachfolgenden Rohrleitungen.
4. DerAuslasskanal schliesst. Der Kolben bewegt sich noch ein kurzes Stück weiter zum Totpunkt, wobei ein kleines verbliebenes Restvolumen noch weiter verdichtet wird und als Puffer wirkt, was die Trägheitskräfte am Umkehrpunkt abmildert.
5. Der Einlasskanal öffnet
6. Der Kolben bewegt sich in die andere Richtung zurück und während des gesamten Weges wird kaltes, expandiertes Gas angesaugt.
7. Der Kolben erreicht den Totpunkt und die Einlass­öffnung schließt.
8. Der Kolben ändert die Richtung und das eingeschlossene kalte Gas wird komprimiert. Im Gegensatz zur Standard­maschine breitet sich die Kompression nicht in Toträume wie die Verbindungs­rohre in Richtung des Regenerators aus.

Zylinderdesign

Die Skizze zeigt das prinzipielle Layout der Zylinder:

Ein flacher symmetrischer doppeltwirkender Kolben teilt den Zylinder in zwei Kammern mit gleichem Verdrängungs­volumen. Die hohle Kolben­stange erstreckt sich über die Zylinder­köpfe hinaus und wird in Hülsen geführt. Eine Seite jeder Kolben­stange ist mit der Kurbel­welle verbunden. Die andere Seite führt zum nachfolgenden Niederdruck-Rohrleitungs­system.

Die hohle Kolben­stange enthält im Inneren eine Umschalt­vorrichtung in Form eines beweglichen Kolbens ("Steuerkolben"), der der Bewegung der Kolben­stange folgt und sich darüber hinaus innerhalb der Kolben­stange zwischen zwei End­positionen bewegen kann.


1 = Expansionszylinder, 2 = Kurbelwelle mit Axial­führung der Kolben­stangen, 3 = Kompressions­zylinder

Details der mechanischen Struktur des Zylinders

Hochdruckkammern

An den Zylinderköpfen befinden sich ringförmige Kammern, die mit den Hochdruck­leitungen verbunden sind. Bei den Arbeits­zylindern werden sie zum Befüllen verwendet, bei den Kompressions­zylindern zum Entleeren der Zylinder­kammern.

Kolbenstange

Die hohle Kolbenstange ist Teil des Niederdruck-Rohrleitungs­systems. Bei den Arbeits­zylindern werden sie zum Entleeren verwendet, bei den Kompressions­zylindern zum Befüllen.
Sie beinhaltet im Inneren die Umschalt­vorrichtung, wodurch sich ein vergleichsweise grosser Durchmesser ergibt. Dies ist auch wegen der auftretenden Strömungs­geschwindigkeiten im Inneren der Kolbenstange erforderlich.

Auf der Oberfläche der Kolbenstange befinden sich auf beiden Seiten des Kolbens Längsnuten ("Ports"). Wenn eine Seite der Kolben­stange den Totpunkt erreicht, bilden die Ports eine Strömungs­verbindung zwischen der ringförmigen Hochdruck­kammer und der Zylinderkammer.

Darüber hinaus gibt es auch radiale Bohrungen in der Nähe des Kolbens. Diese Öffnungen stellen bei gewissen Positionen der Kolbenstange eine Strömungs­verbindung von der Zylinder­kammer ➜ in das Innere der Hohlkolben­stange ➜ zu den nachfolgenden Niederdruck­leitungen her. Bei den Arbeits­zylindern werden sie zum Entleeren verwendet, bei den Kompressions­zylindern zum Befüllen der Zylinder­kammern.

Die Schaltvorrichtung in der Hohlkolbenstange öffnet und schließt diese Strömungswege. Bei den Arbeits­zylindern bleiben sie während der Ausstoß­phase offen und während der Expansions­phase geschlossen. Bei den Kompressions­zylindern werden diese Strömungs­wege während der Saug­phase offen und während der Expansions­phase geschlossen gehalten.

Kolben

Der Kolben ist vorzugsweise scheibenförmig, er besteht beispielsweise aus flachen Stahlblech­platten, carbonfaser­verstärktem Kohlenstoff (CFC) oder Carbon­faser­verstärktem Silizium­karbid (CSiC). Die flache Geometrie des Kolbens bewirkt einen linearen Kontakt (Ringkontakt) mit nur einem Dichtring mit der Zylinderwand.

Zylindergehäuse und Heizvorrichtungen

Die Zylinderköpfe bestehen aus flachen Stahlplatten / Flanschen. Sie werden außen durch Dehn­schrauben zusammen­gehalten. Die Schrauben nehmen alle Zugspannungen zwischen den Zylinderköpfen auf.

Die Innenwand des Zylinders besteht aus einer austauschbaren Hülse, beispielsweise aus Keramik­materialien mit hoher Wärme­leitfähigkeit und hoher Abrieb­festigkeit, wie Silizium­karbid (Wärme­leitfähigkeit: 0.1–0.14 kW / (m·K)). Auch Materialien, die hohen Drücken standhalten, wie Nickel- oder Kupferbasierte Legierungen, kommen in Frage.

Heizvorrichtungen an den Außenwänden der Laufbuchse der Arbeits­zylinder und Kühl­vorrichtungen an der Lauf­buchse der Kompressions­zylinder haben die Aufgabe, die Temperatur des Gases in den Zylindern während des Hubs konstant zu halten. Die Wärme­übertragungs­elemente an den Arbeits- und Kompressions­zylindern bestehen aus aufgeschrumpften Einzelring­elementen um die Zylinder­laufbuchse. Die Heizung bzw. Die Kühlung der Zylinder­außenwände erfolgt über die gesamte Hublänge.

Die Verbindungen von der Wärme­quelle zu den Heiz- / Kühl­vorrichtungen sind als Heatpipes ausgeführt. Die effektive Wärmeleitfähigkeit hängt von Material, Länge und Rohr­durchmesser ab und kann bis zu 100 kW / (m·K) betragen (zum Vergleich Kupfer: 0,4 kW / (m·K)).

Massive Ringelemente um die Heiz- / Kühlelemente ermöglichen einen hohen Innendruck in den Zylindern. Die Ring­elemente bilden das äußere Gehäuse des Zylinders und sollten thermisch von den Heiz­elementen isoliert sein, beispiels­weise durch Kalziumsilikat­auskleidungen. (Wärmeleitfähigkeit: 0,00031 ... 0,00035 kW / (m·K)). Dadurch wird der Wärme­verlust über die Zylinder­oberfläche reduziert.

Der Zylinder ist insgesamt sandwich-mässig aufgebaut: Nach dem Inneren der Zylinderkammer folgen nach ausssen hin eine Laufbuchse (Silizium­karbid oder Ni- oder Cu-basierte Legierungen) ➜ Wärmeübertragungs­elemte ➜ Wärmeisolierung (Kalziumsilikat) ➜ äussere Hülle. Nur die Laufbuchse hat ein durchgehend geschlossenes Design, die anderen Hüllen sind aus Ring­elementen aufgebaut.

Seitliche Führung

Bei Verwendung einer Kurbelwelle, einer Kreuzkopfführung oder vergleichbarer Geräte wie Rollenlager, Hypozykloide Geradführung o.ä. werden Querkräfte auf die Kolben verhindert.

Die zentrale Führung des Kolbens wird nur durch Gleitringe, Stopfbuchsen / Packungen oder ähnliches gewährleistet, die an der Kolben­stange installiert sind (kleiner Durchmesser). Die Kolbenringe (großer Durchmesser, falls installiert) haben nicht die Aufgabe, axial entlang des Kolbenhubs zu führen oder die Zylinder­kammern nach außen abzudichten. Ein Gasverlust aus einer Kammer kann nur durch Überströmen in die andere Kammer desselben Zylinders auftreten. Die Kolben können sehr flach ausgeführt werden. Definierte Spalt­abmessungen / Passungen reduzieren die Kolbenreibung.

Umschaltvorrichtung - Prinzipielle Funktionsweise

Jeder Zylinder enthält zwei Kammern, von denen eine während des Hubes (zur Expansion beziehungsweise Kompression des Gases) geschlossen ist, während die andere (zum Ausschieben beziehungsweise Ansaugen des Gases) geöffnet ist. Die entsprechenden Ein- und Auslasskanäle werden durch eine Umschalt­vorrichtung im Inneren der Kolben­stange abwechselnd geöffnet und geschlossen.

Die Umschaltvorrichtung besteht aus einem beweglichen Steuer­kolben, der durch seine Position im Inneren der Kolbenstange Strömungs­kanäle von der Zylinder­kammer zum Zentrum der hohlen Kolben­stange entweder öffnet oder blockiert.

Sobald die Kolbenstange einen Totpunkt erreicht, wechselt der Steuer­kolben in die jeweils andere Position und die Strömungs­wege werden umgeschaltet.

Expansion in rechter Zylinderkammer drückt den Kolben nach links.
Expandiertes Gas wird aus der linken Kammer ausgeschoben

1 = Ausströmendes Gas, 2 = Steuerkolben in linker Endlage, 3 = Expandiertes Gas (hier: in linker Zylinderkammer), 4 = offener Auslasskanal, 5 = Expandierendes Gas (hier: in rechter Zylinderkammer), 6 = Kolbenstange

Umschaltvorrichtung - Versionen

Die Umschaltvorrichtung kann nach drei verschiedenen Prinzipien konstruiert werden:

• Pneumatische Betätigung:

  Die Position des Steuerkolbens innerhalb der Kolben­stange wird aufgrund der Druck­unterschiede an seinen beiden Enden bestimmt, so dass er sich zwischen zwei Endpositionen links und rechts bewegen kann. Diese Druckverhältnisse bleiben während eines gesamten Hubs aufrechterhalten.

  In dieser Position sind die radialen Bohrungen innerhalb der Kolben­stange auf einer Zylinderkammer mit den radialen Bohrungen innerhalb des Steuerkolbens ausgerichtet, wodurch ein Strömungs­durchgang ➜ zum Inneren der Kolbenstange ➜ und weiter zum Niederdruck­rohrsystem hergestellt wird. Die jeweils ander Zylinder­kammer ist verschlossen.

  Beim Erreichen des Totpunktes wird der Ringkanal auf der anderen Seite mit Druck beaufschlagt. Der Steuerkolben verschiebt sich axial in die andere Richtung. Beim Umschalten werden die radialen Bohrungen in Kolben­stange und Steuer­kolben gegeneinander verschoben und der andere Auslass­kanal wird aktiviert.

• Mechanische Betätigung:

  Der Steuerkolben wird beim Erreichen der Endlagen (Totpunkte) nicht in axialer Richtung verschoben, sondern mechanisch um einen Winkel α gedreht, so dass andere Axialbohrungen im Kolben und in der Kolbenstange in eine Flucht gelangen beziehungsweise gegeneinander verschoben werden. Details siehe unten.

• Betätigung durch magnetische Kräfte:

  Im Steuer­kolben und in der Kolbenstange sind Magnete eingelassen, die in axialer Richtung leicht gegeneinander versetzt sind. Sobald sich die Kolben­stange dem Totpunkt nähert, nähern sich Magnete im Steuer­kolben und in der Kolbenstange an und drehen den Steuer­kolben um einen Winkel α. Diese Option könnte auch mit der mechanisch betätigenden Lösung kombiniert werden.

Zusammenfassend kann die Bewegung des Steuerkolbens nach zwei verschiedenen Prinzipien ausgelegt werden:

• Abwechselnd axiale Verschiebung von links nach rechts zwischen zwei Endpositionen
• Abwechselnde Drehung um einen bestimmten Winkel α zwischen zwei Endpositionen
  

Vergleich Expansions- und Kompressionszylinder
mit pneumatisch betätigtem Steuerkolben

Umschaltvorrichtung (Pneumatische Betätigung)

Expansionszylinder

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Kompressionszylinder

FAQ - Pneumatisch aktivierte Steuerkolben

• [Frage]: Warum nicht einfach Druckbegrenzungsventile verwenden, um die Kammern der Kompressions­zylinder zu entleeren?
  [Antwort]:
  • Kompression und Ausschieben sind klar voneinander getrennt.
  • Überdruckventile können nur Spitzendrücke in einen Raum mit niedrigerem Druck hinein abbauen. Das Druckniveau in den Kompressionszylindern ist insgesamt geringer als in den Arbeitszylindern! Das Ausschieben erfolgt darum u. U. in einen Raum höheren Druckes, denn der höchste Druck steht erst nach dem Erwärmen im Erhitzer an.
  • Es muss sichergestellt sein, daß an einer bestimmten Position des Kolbens unabhängig von den Bedingungen in den nachfolgenden Rohrleitungen eine definierte Gasmenge mit einem definierten Druck abgegeben wird. Die Neue Stirlingmotor-Technologie sorgt dafür, daß die Zylinderkammern so vollständig wie möglich entleert werden. Während des Rückhubs sollte die Zylinder­kammer nicht nur teilweise, sondern vollständig nachgefüllt werden.
  • Die nach dem Entladen im Zylinder verbleibende kleine Gasmenge wird weiter komprimiert und dient als Gaspuffer, um die Trägheitskräfte beim Richtungs­wechsel im Totpunkt zu verringern.
  • Dieses kleine verbleibende Gasvolumen erfährt die höchste Kompression, daher auch die höchste Erhitzung. Durch die zusätzliche Kühlung der Zylinderköpfe lässt sich dies effektiv abkühlen (grosse Fläche, geringe Dicke). Bei der Zylinderumkehr entspannt sich dieses Gas wieder und führt zu einer noch tieferen Temperatur im Kompressionszylinder. Dieser Effekt lässt sich noch optimieren, wenn die Zylinderkopfinnenfläche mit einem wärmespeichernden Material ausgekleidet wird.

    Im Prinzip ist dies die Realisierung eines Pulsröhrenkühlers in Bauenheit mit dem Kompressionszylinder.

  • Da die Kompressionszylinder mit den Expansions­zylindern gekoppelt sind, ist es optimal, wenn die Hublänge und die Kompressions­verhältnisse identisch sind. Druckbegrenzungs­ventile würden zusätzlichen Totraum schaffen und das fein eingestellte Kompressions­verhältnis beeinträchtigen.
  • Überdruckventile werden meistens zur Aufrechterhaltung des Drucks verwendet, nicht für hochfrequentes Schalten
  • Überdruckventile sind potenzielle Fehlerquellen und Verschleissteile, insbesondere bei den erforderlichen hohen Temperaturen.
  • Die erzielbaren Regelquerschnitte mit der Freikolbenlösung durch die Ports sind ebenfalls größer als bei Tellerventilen. Die strömenden Gase werden nicht durch ein strömungs­ungünstige Ventil behindert.
  • Der gerade Gasstrom und die kurzen Strömungswege führen zu nur geringen Turbulenzen. Dies kommt einer deutlich besseren Befüllung / Entleerung innerhalb eines definierten kurzen Weges / Zeitraums des Hubs und damit einer höheren Motorleistung zugute. Weitere Vorteile ergeben sich je nach Ausführung.
    
    
• [Frage]: Was ist mit den typischen Nachteilen von Schiebereglern wie Blockieren oder Fressen gegenüber großen Spaltmaßen?
  [Antwort]:
  • Der Steuerkolben sollte ein ausreichendes Spiel innerhalb der Kolben­stange haben und könnte aus Keramik­material bestehen. Geeignete Spaltmasse zwischen Innen­durchmesser Kolben­stange und Aussen­durchmesser Steuerkolben lassen ein Luftlager (wie bei Mikroturbinen) entstehen, wodurch Reibung und Schmierung hinfällig wird.
  • Der Durchmesser des Steuerkolbens kann an vielen Stellen entlang seiner Länge verringert werden.
  • Die Gasverluste durch Ringspalte bleiben minimal, da der Strömungs­weg zur nachfolgenden Niederdruck­leitung relativ lang und der Druckwiderstand hoch ist.
  • Die Verwendung von Ringdichtungen oder Rollen­lager an bestimmten Positionen kann erwägt werden. Keramik­rollenlager können sowohl Dichtungs- als auch Längsführungs­probleme beseitigen.
  • Eine Materialexpansion mit starken Temperatur­änderungen findet aufgrund der konstanten Temperatur nicht statt.
    
    
• [Frage] Warum nicht einfach Druckbegrenzungs­ventile verwenden, um die Kammern der Expansions­zylinder zu füllen?
  [Antwort] Es muss sichergestellt sein, daß nach dem Start des Expansions­prozesses kein weiteres Gas einströmt.
  

Umschaltvorrichtung
(Mechanisch gesteuerte Version - Expansionszylinder)

Eine Innenhülse hat die Funktion einer Führungs­schablone. Sie ist gegen axiale Bewegung und Drehung innerhalb der Kolben­stange gesichert und hat mindestens einen Ausschnitt, der die Bewegungs­freiheit eines Führungs­stifts darstellt.

Während der Hübe der Kolbenstange wird der am Steuer­kolben montierte Stift innerhalb der Aussparung mitgenommen. Diese Bewegung ist im Wesentlichen ein Hin- und Herwandern entlang zweier langer paralleler gerader Linien (gemäß den beiden Hüben). Kurz vor Erreichen des Totpunktes wird der Stift durch Führen der Hülse zur Seite ausgelenkt und dreht so den Steuer­kolben (mitsamt den Strömungs­öffnungen) um den Winkel α. Dies entspricht der Drehung des Steuer­kolbens in die andere Endposition, so daß die Strömungs­wege wie oben beschrieben umgeschaltet werden. Während des Rückhubs bewegt sich der Stift entlang der anderen geraden Linie. Insgesamt folgt es einem hysterese­ähnlichen Weg.

Welches ist das beste Arbeitsgas für eine Stirlingmotor-Anlage?

Die modernen "klassischen" Stirlingmotoren verwenden meistens Helium als Arbeitsgas. Denkbar wären auch Luft, Wasserstoff oder Stickstoff.

Kann man mit Helium oder Wasserstoff bessere Wirkungsgrade erreichen? Das vorhandene Wissen hierzu basiert auf den nicht-verallgemeiner­baren Erfahrungen der Maschinen für die gängigen kleinen Leistungen. Wasserstoff bietet die günstigsten Eigenschaften aus thermo­dynamischer Sicht. Da Wasserstoff aber stets eine Explosions­gefahr darstellt, Stahl verspröden lässt und durch viele Materialien hindurch diffundiert, scheidet Wasserstoff hier aus. Die Frage lautet daher: Luft oder Helium als Arbeitsgas?

Luft ist rund 7 mal schwerer (dichter) als Helium, hat aber nur eine rund 5 mal grössere spezifische Wärme­kapazität. Das bedeutet, dass eine Maschine mit einem bestimmten Volumen­durchsatz nicht mehr Wärme mit Helium als mit Luft umsetzen kann.

Die Wärmekapazität c_v von mehratomigen Gasen wie Luft nimmt bei steigender Temperatur zu, der Isentropenexponent κ (das Verhältnis c_p/c_v) nimmt dadurch ab. Bei Normaldruck beträgt der Wert für κ bei Helium durchgehend 1,67. Bei Luft nimmt der Wert für κ = 1,4 bei 0°C dagegen zunehmend mit höheren Temperaturen ab und nähert sich bei den für Stirling­motoren relevanten Temperatur­bereichen von rund 800°C an κ = 1,3 an.

Wenn im heissen Zylinder nicht der Idealfall einer isothermen Expansion (p·Vⁿ = const., mit n=1) vorliegt, sondern sich dem isentropen Fall (n=κ) annähert, ergeben sich Wirkungsgrad­verluste. Hier ist ein kleinerer Wert für κ von Vorteil.

Durch diese Umstände werden die eigentlichen Vorteile von Helium gegenüber Luft wieder teilweise wett gemacht.

Vorteile von Helium:

• Sehr gute thermodynamische Eigenschaften
• Kleinerer Regenerator erforderlich
• Weniger Reibungs-/Strömungsverluste

Nachteile von Helium:

• Hohe Kosten
• Hoher Aufwand für die Abdichtung
• Man benötigt eine Vorrichtung zur automatischen Nachfüllung

Berechnungen haben gezeigt, dass der Vorteil von Helium gegenüber Luft in Bezug auf die erforderliche Regenerator­grösse (Gegenstrom-Rohrbündel­wärmeübertrager) vor allem bei kleinen Leistungen zum Tragen kommt:

Wenn man die apparative Ausstattung optimieren will, sollte man also durchaus erwägen, Luft als Arbeitsgas und einen grösseren Regenerator zu verwenden. Im Gegenzug kann man auf das zusätzliche Equipment für das Helium-Handling verzichten. Der Vorteil von Helium gegenüber Luft schwindet mit zunehmender Leistung. Dies betrifft insbesonders den angepeilten Leistungsbereich der Neuen Stirlingmotor-Technologie.

Die komplette Anlage

Die Anlage wird von einer zentralen Wärmequelle mit der nötigen Energie gespeist.

Dies kann zum Beispiel eine Ofen- / Brennereinheit sein, die mit Diesel oder Flüssiggas oder Wasserstoff oder etwas anderem Brennbarem betrieben wird. Es ist auch denkbar, daß zur Wärme­rückgewinnung und Wirkungsgrad­verbesserung von industriellen Prozessen dessen Abwärme genutzt wird. Wenn die Neue Stirling Anlage nicht in der Nähe der Wärme­quelle installiert werden kann, besteht auch die Möglichkeit, Umluft­systeme zu installieren, die Wärme von heissen Oberflächen aufnimmt und der Stirling-Anlage zuführt.

Die Wärme wird in den Beispielen unten über Heatpipes in eine im Hochdruck­rohrsystem installierte Heizung ("Heater") und an die Außen­flächen der Expansions­zylinder übertragen.

Anmerkungen zu Konstruktion und Thermodynamik

Da Erhitzer und Kühler in den Rohrleitungen installiert sind ergeben sich im pV-Diagramm des Stirlingprozesses nicht vier, sondern sechs Prozess­schritte. Der tiefste Druck entsteht hinter dem Kühler (vor Eintritt in den Kompressions­zylinder). Der höchste Druck entsteht nicht am Ausgang der Kompressions­zylinder, sondern nach Passieren des Erhitzers.

Im pV-Diagramm oben wurden diese Schritte kenntlich gemacht. Die Wärmeabfuhr im Regenerator (Mantelseite) ➁ ➂ entspricht der Wärmezufuhr im Regenerator (Rohrseite) ➃ ➀ in Richtung Arbeits­zylinder. Je grösser der Wärmeaus­tausch im Regenerator ist, desto kleiner sind die verbleibenden zuzuführenden/­abzuführenden Wärme­mengen im Erhitzer/Kühler. Hieraus ergibt sich direkt das Potenzial zur Leistungs- und Wirkungsgrad­steigerung: Die Vergrösserung der im Regenerator übertragenen Wärmemenge verkleinert entweder die erforderliche Grösse des Kühlers oder erhöht die Temperaturdifferenz (und somit den Wirkungsgrad) zwischen der heissen und kalten Seite (Verschiebung der Kurve ➂ ➃ nach unten).

Aus über 100 Beispielberechnungen mit Helium als Arbeitsgas mit einer Maximal­temperatur von 800°C haben sich folgende Ergebnisse herauskristallisiert:

• Durch Variation von Zylinder­durchmesser (0.25 m - 0.30 m - 0.35 m - 0.40 m), Hublänge (0.30 m - 0.38 m - 0.44 m - 0.56 m), Zylinder­anzahl (4-6-8) sowie Drehzahl (300 rpm - 400 rpm - 500 rpm - 600 rpm) lässt sich leicht eine Baureihe mit Leistungen von 800 kW bis 15 000 kW bei einem Druck­verhältnis von 3 bar : 75 bar (Kompression: 25) erstellen. Die maximale mittlere Kolben­geschwindigkeit überschreitet in keinem Fall 11.5 m/s.
• Der Gütegrad wurde, basierend auf einer konservativen Abschätzung der Verlust­mechanismen und im Vergleich zu Verbrennungs­motoren, zu 0.75 ... 0.85 angesetzt. Hieraus ergeben sich effektive Wirkungs­grade von 46% ... 62%.
• Durch Erhöhung dieser Werte, zum Beispiel der Drehzahl und/oder der Verdichtung lassen sich noch höhere Leistungen und bessere Wirkungs­grade erzielen.
• Die genannten Wirkungsgrade ergaben sich vor allem durch eine sinnvolle Auslegung des Regenerators: Als Faust­formel hat sich ergeben, dass ein U-förmiger Gegenstrom-Rohrbündel­wärmeübertrager, der die gleiche Länge wie die Kurbel­welle und ungefähr den doppelten Durchmesser wie ein Zylinder hat (mit k=ca. 150...200 W/(m² K)), einen Wirkungsgrad von 85 ... 90% erzielt, so dass eine Austritts­temperatur (kalte Seite) von 150°C und eine Austritts­temperatur (heisse Seite) von ca. 630...680°C erreicht werden kann. Diese Zahlen fallen umso günstiger aus, desto grösser die Maschine wird.

  Eine sinnvolle Auslegung des Regenerators führt also dazu, dass Erhitzer und Kühler jeweils eine Temperatur­differenz von nur ca. 100...150°C ermöglichen müssen. Weitere Wirkungsgrad­steigerungen des Regenerators sind zwar theoretisch möglich, würden ihn aber über­proportional vergrössern.

• Wenn der Kühler ebenfalls als Rohrbündel­wärmeübertrager ausgeführt wird, kann man dessen Leistung und Grösse zu 15...25% im Vergleich zum Regenerator abschätzen, um tiefste Temperaturen von 50...100°C zu erzielen (bei Kühlwasser­temperatur von 15°C).
• Basierend auf einer konservativen Schätzung der Verlust­mechanismen und im Vergleich zu Verbrennungs­motoren erreicht der effektive Wirkungsgrad bis zu 65%.

  Verluste	Verbrennungs­motor	Neuer Stirlingmotor
  Reibungsverluste	bis 15%	bis 5%
  Kühlwasser­verluste	bis 25%	bis 15%
  Abgasverluste	bis 35%	bis 10%
  Abstrahlung, Wandwärme­verluste	bis 15%	bis 10%
  Verbrennungs­verluste, Ladungswechsel- und Spül­verluste, unvollkommender thermo­dynamischer Prozess	bis 40%	bis 15%
  Total:	ca. 65% (Erfahrungswert)	ca. 35 ... 55 %
  Rest-Effizienz (1-Total)	ca. 35% (Erfahrungswert)	ca. 45 ... 65 %

  
  

Wenn man alle maximalen Verluste zu Verbrennungs­motoren addiert, die in Studien, Dissertationen und Forschungs­berichten

• Bock S., Mau G.: Ausnutzung der Abgaswärme von Diesel­motoren. In: Die Diesel­maschine im Land- und Schiffs­betrieb. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden. https://doi.org/10.1007/978-3-663-20176-2_18
• Simon Hirzel: "Industrielle Abwärme­nutzung" (Kurzstudie)
• Prof. Dr. Andreas Wimmer: "Thermodynamik des Verbrennungs­motors", TU Graz
• Dr. Benedikt Vogel: "Effiziente und saubere Diesel­motoren"

veröffentlicht werden, kommt man auf eine Summe weit über 100%. An dieser Stelle ist der gesunde Menschenverstand herausgefordert, zu erkennen, wie die Maschinen wirklich funktionieren ...