Antriebseinheit mit Niedertemperatur-Stirlingmotor und Wirbelrohr. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen

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Die Umwandlung von Niedertemperatur-Wärmeenergie in Industriewärme ist mit einer Wärmepumpe oder einem Stirling-Motor möglich. Stirling-Wärmepumpen werden in der Fachliteratur ausführlich behandelt; Hier betrachten wir den Einsatz eines Wirbelrohrs, das es aufgrund des Ranque-Hilsch-Effekts ermöglicht, Wärme mit einer zum Heizen ausreichenden Temperatur und Kälte für Kühlaggregate zu gewinnen.

Das allgemeine Schema der Installation ist in Abb. dargestellt. 2.4.1. Als Wärmequelle kann die Wärme des Abwassers, die Wärme von Stauseen, die Wärme der Erde (Brunnen) genutzt werden. Die Wärmeübertragung auf den beheizten Teil des Stirlingmotors erfolgt über ein Wärmerohr. Der Kühler ist eine Umgebung mit niedriger Temperatur – atmosphärische Luft im Winter, gespeicherte Eismasse im Sommer.

Der Stirling-Motor kann ein Beale-Freikolbenmotor oder ein Membranmotor sein. Die Eigenschaften solcher Motoren unterscheiden sich von denen mit Kurbeltrieb; Sie sind vollständig hermetisch, was die Verwendung nahezu aller Arbeitsflüssigkeiten ermöglicht.

Abb.2.4.1 (zum Vergrößern anklicken)

Motor Abb. 2.4.2. besteht aus drei Hauptelementen: einem schwer arbeitenden Kolben, einem leichten Verdränger und einem Zylinder mit Dichtungen. Der Arbeitshohlraum befindet sich oberhalb des Kolbens und ist in einen Kompressionshohlraum zwischen Arbeitskolben und Verdränger und einen Expansionshohlraum – oberhalb des Verdrängers – unterteilt. Der Expansionshohlraum interagiert mit der Heizung, der Kompressionshohlraum interagiert mit dem Kühler.

Der Motor (in diesem Schema) wird als Gaskompressor verwendet, d.h. Der oszillierende Arbeitskolben fungiert gleichzeitig als Kompressorkolben. Die durchgeführten Studien dieses Motortyps (Agbi, 1971) zeigten, dass er recht zufriedenstellend funktioniert.

Noch vielversprechender für dieses Schema ist ein Membrankompressormotor mit absoluter Abdichtung des Motorhohlraums.

Eine Analyse des thermodynamischen Wirkungsgrads des Zyklus eines Niedertemperatur-Stirlingmotors im Vergleich zu Normalbedingungen zeigt erwartungsgemäß niedrige Betriebsparameter: Beispielsweise bei einer Heizertemperatur von 300 K und einer Kühlmitteltemperatur von 250 K der thermische Wirkungsgrad Der Kreislauf beträgt zwar nur 17 %, aber unter Berücksichtigung der Tatsache, dass hier erneuerbare Niedertemperaturwärme verarbeitet wird, wird das System durchaus wettbewerbsfähig.

Abb.2.4.2. Freikolben-Stirlingmotor (Schema Beale W.): 1. Wärmerohr der Heizung, 2. Heizung, 3. Verdränger, 4. Gehäuse, 5. Kühler, 6. Verdrängerstange, 7. Kolben, 8. Druckluftauslass , 9. Lufteinlass, 10. Schwerer Kolben, 11. Kurbelgehäuse

Von besonderem Interesse ist die Verwendung eines zweiphasigen Arbeitsmediums im Motor. Die Theorie des Stirlingmotors zeigt, dass es zur Erhöhung der spezifischen Leistung des Motors notwendig ist, den durchschnittlichen Druck des Arbeitsprozesses zu erhöhen. Das Verhältnis der Arbeitsvolumina Vmax/Vmin überschreitet bei solchen Motoren selten 2-2,5 und Druckänderungen werden vollständig durch diese Zahlen bestimmt. Bei einem unteren Druck, der dem Atmosphärendruck entspricht oder diesem nahe kommt, überschreitet der obere Druck 0,3–0,5 MPa nicht. Allerdings sind zweiphasige Arbeitsflüssigkeiten – zum Beispiel Butadien-1,3, dessen Siedepunkt 4,4 beträgt°MIT; Ammoniak - 33°AUS; cis- und trans-Buten-2 +3 bzw. 0°C usw.) ermöglichen es, einen höheren durchschnittlichen Zyklusdruck zu erreichen.

Bei jedem Arbeitsmedium ist das spezifische Flüssigkeitsvolumen viel geringer als das Sattdampfvolumen. Mit steigendem Durchschnittsdruck erhöht sich die Ausgangsleistung und die Wärmeübertragung durch die Verdampfungs- und Kondensationsprozesse verbessert sich.

Somit ist es bei Verwendung eines zweiphasigen Arbeitsmediums möglich, die Arbeitsleistung bei gleichen Temperaturgrenzen um das 2-3-fache zu steigern.

Die bekannten Vorteile des Stirlingmotors – leiser Betrieb, keine schädlichen Emissionen, Dichtheit und keine Vibrationen – kommen bei dieser Regelung besonders zum Tragen, da sie eine Platzierung des Aggregats in unmittelbarer Nähe des Wohnraums ermöglichen.

Das Wirbelrohr ist heute das einfachste und am besten untersuchte Werkzeug zur gleichzeitigen Erzeugung von Wärme und Kälte. Das Verhältnis zwischen Heiß- und Kaltgasströmen wird ganz einfach reguliert, d.h. Im Winter wird die meiste Energie für die Heizung aufgewendet, im Sommer für die Kühlung.

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