ISBN 978-3-8439-0708-8

978-3-8439-0708-8, Reihe Thermodynamik

Ingo Geue
Entwicklung, ähnlichkeitstheoretische Skalierung und Untersuchung eines umschaltbaren Systems aus Stirlingmotor und Vuilleumier-Wärmepumpe zur dezentralen Hausenergieversorgung (Band 5)

174 Seiten, Dissertation Technische Universität Dortmund (2012), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Es wurde ein neuartiges System zur bedarfsorientierten, dezentralen Hausenergieversorgung entwickelt. Basierend auf regenerativen Gaskreisprozessen werden drei gänzlich unterschiedliche Betriebsmodi in einer einzigen umschaltbaren Maschine vereint: Stirlingmotor (Kraft-Wärme-Kopplung), thermisch betriebene Vuilleumier Wärmepumpe (effiziente Wärmeversorgung) sowie ein zwischengelagerter Hybrid Prozess. Dieser kombiniert die Produktion von mechanischer Leistung mit einer Wärmepumpenwirkung und ergänzt somit die zuvor genannten Prozesse sinnvoll um ein weiteres bis dato nicht abgedecktes Verhältnis von Strom zu Wärmeproduktion.

Die so gewonnene Flexibilität, auf unterschiedlichste Bedarfssituationen reagieren zu können, wurde anhand einer Modellsiedlung für verschiedene Versorgungsszenarien simuliert. So konnten nicht nur ökonomische und ökologische Vorteile der umschaltbaren Betriebsweise herausgestellt werden, sondern auch die Leistungsklasse sowie Auslegungsdaten/ kriterien abgeleitet werden. Durch die iterative Simulation der Modellsiedlung, thermodynamische Optimierung sowie konstruktive Auslegung der Maschine wurde ein seriennaher Entwurf des umschaltbaren Systems entwickelt.

Weiter wurde ein Vorgehen zur ähnlichkeitstheoretischen Skalierung für Maschinen, die auf regenerativen Gaskreisprozessen beruhen, erarbeitet und auf diesen Entwurf angewandt. Die so abgeleitete skalierte Versuchsmaschine ist im experimentellen und fertigungstechnischen Aufwand deutlich reduziert und durch eine geringe Leistungsdichte sowie verzerrte geometrische Abmessungen charakterisiert. Da Materialeigenschaften und all jene Verlustmechanismen, welche jenseits des Gaskreisprozesses liegen (z.B. Getriebereibung), nicht ähnlichkeitstheoretisch skalierbar sind, ist hier eine gesonderte Berücksichtigung bei dem Vergleich von experimenteller Untersuchung und Modellierung erforderlich. So konnten nicht nur die die Gaskreisprozesse beschreibenden p, V - Integrale, sondern auch die experimentell erfassten Leistungsdaten sehr gut vorausberechnet werden. Damit wurde das Skalierungsvorgehen validiert und die Umsetzbarkeit der umschaltbaren Betriebsweise erstmalig experimentell nachgewiesen. Die Belastbarkeit des Simulationsprogrammes wurde bereits in früheren Projekten für unskalierte Maschinen belegt. Im Umkehrschluss konnten so zuverlässig die Leistungsprognosen des seriennahen Entwurfes bestätigt werden.