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Für die Umsetzung
einer Thermohydraulischen Kraftmaschine sind eine Reihe von Ideen
und Konzepten in der Patentliteratur zu finden. Als wartungsfreie,
effiziente und wirtschaftliche Heizzentrale in Kraft-Wärme-Kopplung
für kleinere
Wärmeversorgungsobjekte,
wie es der „Hydrostirling" beansprucht, konnten
sie sich jedoch nicht etablieren. Als Hauptgründe dafür sind die schlechte Annäherung der
realen Prozessabläufe
an den idealen Vergleichsprozess und die Wahl des Kreisprozesses
selbst zu nennen.
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In
der
DE 3246633 A1 ist
ein Verfahren beschrieben, welches mit einem um 180° versetzt
ablaufendem Stirling-Kreisprozess zweier Arbeitsgase die resultierenden
Druckunterschiede für
die Pumparbeit eines Freikolbens nutzt, welcher in Verbindung mit
entsprechenden Rückschlagventilen
einen ölhydraulischen
Motor antreibt. Der Freikolben trennt dabei vollständig das
Arbeitsgas vom Hydrauliköl und
fungiert gleichzeitig als Druckkonverter. Die diskontinuierliche
Pumparbeit wird mit Hilfe von je einem Hoch- und Niederdruckspeicher
mit integrierter Stickstoffblase als Puffer geglättet, so dass ein kontinuierlicher
Betrieb des ölhydraulischen
Motors möglich
ist. Der regenerative Wärmeaustausch
zwischen dem Arbeitsgas der beiden Arbeitsräume (isochore Phasen) findet
dabei nicht mittels Regeneratoren, sondern durch einen Gegenstromwärmetauscher
statt. Die Wärmezu-
und abfuhr erfolgt jedoch außerhalb der
eigentlichen Arbeitsräume.
Dies verspricht eine sehr schlechte Anpassung des realen Kreisprozesses
an einen idealen Stirlingprozess durch einen großen Totraum der Arbeitsgase.
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Durch
die Berieselung eines Arbeitsgases mit kalter und heißer Flüssigkeit
ist das Problem einer möglichst
isothermen Wärmezufuhr
bei minimaler Temperaturdifferenz auf die gesamte Arbeitsgasmenge
während
der Expansions- und Kompressionsphase in der
US-Patentschrift 3,608,311 erheblich besser
gelöst.
Das Arbeitsgas im oberen Bereich zweier Zylinder drückt dabei
direkt auf eine Flüssigkeitssäule im unteren
Bereich der beiden Zylinder. Durch den um 180° versetzt ablaufenden Carnot-Kreisprozess
wird ein Flüssigkeitsstrom
für den gleichgerichteten
und kontinuierlichen Betrieb eines Hydraulikmotors genutzt. Der
notwendige abrupte Wechsel zwischen isothermer und adiabater Zustandsänderung
während
einer Arbeitsphase kann in der erfindungsgemäßen Kraftmaschine somit gut realisiert
werden. Hauptintention des Erfinders war offensichtlich die These
zu widerlegen, dass es praktisch nicht möglich sei, eine Wärmekraftmaschine nach
dem Carnot-Kreisprozess zu konstruieren.
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Dennoch
bestehen bezüglich
der Leistungsdichte einer thermohydraulischen Kraftmaschine nach
dem Carnot-Kreisprozess enorme Nachteile gegenüber einem Stirling-Kreisprozess.
Zum einem stellt der Carnot-Kreisprozess gewisse Mindestanforderungen
an die Höhe
des Verdichtungsverhältnisses
des Arbeitsgases, indem die Temperaturdifferenz durch die adiabte
Volumenänderung
erreicht werden muss. Doch auch dann bleibt er immer, besonders bei
hohem Wirkungsgrad (Temperaturdifferenz), deutlich unter der Leistungsdichte
eines vergleichbaren Stirling-Kreisprozesses. Beim Carnot-Kreisprozess
liegt der Kompressionsenddruck immer deutlich über dem Expansionsenddruck
der Arbeitsphasen, was in der Praxis bedeutet, dass erheblich mehr
Arbeit „hin-
und hergeschoben" werden
muss, als in Form von Nutzarbeit letztendlich gewonnen werden kann.
Beim Stirling-Prozess wird dagegen thermische Energie mit Hilfe
von zusätzlich
erforderlichen Regeneratoren „verschoben". Dies ist im Gegenstromprinzip
relativ vollständig
und ohne erhebliche Entropieproduktion realisierbar.
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Konzeption und Aufbau des
Hydrostirling
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Ziel
einer erfindungsgemäßen Kraftmaschine
(im nachfolgenden „Hydrostirling" genannt) ist es, durch
eine niedrige Frequenz der Arbeitstakte und die systemimmanenten
Besonderheiten und Synergien den äußerst günstigen thermischen Wirkungsgrad des
Stirlingprozesses mit hohem Gütegrad
nutzbar zu machen. Der Hydrostirling bietet darüber hinaus einen einfachen
technologischen Aufbau, eine Lösung
für das
Abdichtproblem des Arbeitsgases, als auch ein Minimum an Verschleißteilen.
Seine theoretische Entwicklung ist auf die Erfordernisse für einen Einsatz
in kleineren Blockheizkraftwerken in Wohn- und Gewerbeobjekten hin
optimiert, wo auch heute noch ein enormer Bedarf an maßgeschneiderter Technologie
bei wirtschaftlich darstellbarem Preisniveau existiert. Aufgrund
der hauptsächlichen
Wertschöpfung
kleiner Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen durch
die Stromauskopplung ist für
derartige Anlagen ein guter elektrischer Wirkungsgrad von herausragender
Bedeutung. Die Wartungsfreiheit durch das Fehlen von Verschleißteilen
und die Geräuscharmut durch
die äußerer Verbrennung
im Hydrostirling sind weitere Merkmale, welche dazu beitragen können, mit
einem Blockheizkraftwerk (BHKW) auf Basis des Hydrostirling in den
Massenmarkt der Heizkessel einzudringen.
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Kernstück des Hydrostirling
sind zwei im unteren Teil mit Druckflüssigkeit gefüllte Zylinder
(2), welche über
einen Hydraulikmotor (3) miteinander verbunden sind. Im
oberen Teil der beiden Zylinder, befindet sich je ein eingeschlossenes
Arbeitsgas (5) gleicher Masse, dessen Druck direkt auf
die jeweilige Druckflüssigkeitssäule (6)
seines Zylinders wirkt. Die beiden Arbeitsgasvolumina durchlaufen
im Betrieb einen um 180° versetzt
ablaufenden Stirling-Kreisprozess,
welcher im Zusammenspiel einer kontrollierten Durchflusssperre,
den frei steuerbaren Verdrängerkolben
(4) und der Kennung des angetriebenen Generators exakt
kontrolliert werden kann. Durch die dabei resultierenden Druckunterschiede der
beiden Arbeitsgasvolumina wird ein Flüssigkeitsstrom (1)
hervorgerufen, welcher mittels eines Hydraulikmotors (3)
in Rotationsenergie gewandelt wird. Die wechselseite Beschleunigung
und damit verbundene diskontinuierliche Leistungswandlung auf Ebene
der Wärmekraftmaschine
ist bezeichnend für
den Hydrostirling. Eine „Verstetigung" der mechanischen
Leistungsabnahme im Hydrostirling würde zu einer Verschlechterung
der Annäherung
von realem an den idealen Kreisprozess oder zu Blindströmungen der
Druckflüssigkeit
führen.
Stattdessen wird im Hydrostirling eine nachträgliche Modulation des erzeugten
Stromes, auf z.B. die Parameter des Niederspannungsnetzes, mittels
Kondensatoren und Wechselrichtern vorgenommen. Das gleichmäßige An-
und Abschwellen der Strömunggeschwindigkeit durch
die Trägheit
des Hydraulikmotor-Generator-Verbundes (3) fördert zudem
einen laminaren Strömungsverlauf
(1) der Druckflüssigkeit
mit geringen Strömungsverlusten.
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Gegenüber einem
Linearkolben-Stirling macht sich der Hydrostirling die freie Übersetzbarkeit eines
Flüssigkeitsstromes
zu Nutze, d.h. die Drehzahl des Hydraulikmotors kann ein Vielfaches
der Taktfrequenz des Stirlingkreislaufes betragen.
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Der Stirling-Kreisprozess
im Hydrostirling
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In 1 ist
der Ablauf der vier Phasen des Stirling-Kreisprozesses mit den jeweiligen
Stellungen von Verdrängerkolben
(4) und Druckflüssigkeitspegel (7)
für einen
einzelnen Zylinder dargestellt (oben). Das untere p-V-Diagramm zeigt
die korrespondierenden thermodynamischen Zustandsgrößen des
Arbeitsgases beim Durchlaufen dieses Kreisprozesses.
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Von
Zustand 1 nach 2 in 1 (isochore Erwärmung) wird
der Verdrängerkolben
mittels einer Linearsteuerung (14, 2) über die
Verschiebestange (8) in den unteren Bereich bis auf den
Druckflüssigkeitspegel
(7) verschoben. Das kalte, verdichtete Gas wird dabei durch den
heißen
Regenerator (9) geleitet und erfährt eine isochore Zustandsänderung auf
po und To. Ein möglicher
Druckflüssigkeitsstrom zwischen
den beiden Zylindern ist hierbei unterbunden.
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Von
Zustand 2 nach 3 in 1 (isotherme Expansion) verrichtet
das Arbeitsgas Volumenarbeit und wird dabei durch das Heizsystem
auf seinem hohen Temperaturniveau gehalten. Für die Zufuhr der Wärmeenergie
während
dieser Phase kommen die Wärmekonvektion über die
metallische Oberfläche des
Arbeitsraumes im Heißbereich
oder eine Berieselung des Arbeitsgases mit einer heißen Flüssigkeit aus
dem Zylinderkopf in Frage (s. unten).
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Von
Zustand 3 nach 4 in 1 (isochore Abkühlung) wird
der Verdrängerkolben
in den oberen Teil des Zylinders verschoben. Der Regenerator wird hierdurch
erwärmt
und das entspannte Arbeitsgas auf Tu abgekühlt, sowie
das Druckminimum pu des Kreisprozesses erreicht.
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Von
4 nach 1 wird der Kreisprozess geschlossen und das kalte Arbeitsgas
komprimiert. Durch eine Berieselung des Arbeitsraumes mit kalter Druckflüssigkeit
wird das Arbeitsgas während
dieser Phase auf seinem niedrigen Temperaturniveau gehalten. Diese
systemimmante, effiziente Kühlung
ist ein entscheidender Vorteil des Hydrostirling gegenüber schnell
laufenden kurbelgeführten
Stirlingmotoren.
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Im
Zusammenspiel der beiden Zylinder läuft der Stirling-Kreisprozess
in den beiden Arbeitgasvolumina um jeweils 180° versetzt ab. Wird während einer
Arbeitsphase in einem Zylinder geheizt und expandiert, wird in dem
anderen zeitgleich gekühlt
und komprimiert. Ebenso korrespondieren die gegenläufigen isochoren
Zustandsänderungen
der beiden Arbeitsgasvolumina zeitlich miteinander. Die Druckdifferenz
in den beiden Zylindern ist zu Beginn einer Arbeitsphase am größten und
im Verlauf derselben stark abfallend. Durch die hohe Anfangsbeschleunigung
wird die Strömungsarbeit
in Rotationsenergie des Generators zwischengespeichert, welche dann erst
gegen Ende der Arbeitsphase (bei geringer oder gar negativer Druckdifferenz)
durch weitere Abbremsung des Generators in elektrische Energie gewandelt
wird. Durch eine umschaltbare Freischaltverbindung oder eine Kupplung
zwischen Hydraulikmotor und Generator kann darüber hinaus erreicht werden, dass
der Generator auch während
der isochoren Phasen elektrische Leistung abnimmt. Der Generator muss
erst nach Ende der isochoren Phasen zum Stillstand gekommen sein,
um dann wieder vom schon zu Anfang der isochoren Phasen stehenden
Hydraulikmotor beschleunigt zu werden. Dadurch kann die diskontinuierliche
Leistungsabnahme durch den Generator noch mehr von der mechanischen
Arbeit des Hydraulikmotors entkoppelt und dessen Spitzenlast gesenkt
werden. Der zeitliche Verlauf des Druckflüssigkeitsstroms (1)
während
einer Arbeitsphase des Hydrostirlings ist durch die Druckverhältnisse
in den Zylindern (2), die Übersetzung und Trägheit des
Hydraulikmotor-Genergator-Verbundes (3) und die Leistungsabnahme
durch den Generator bestimmt. Dabei kann der Prozessablauf und das
Verdichtungsverhältnis
durch die Leistungsabnahme des Generators im laufenden Betrieb beeinflusst
werden. Ist der Flüssigkeitsstrom
(1) am Ende einer Arbeitsphase zum Stillstand gekommen
wird die hydraulische Verbindung zwischen den beiden Arbeitszylindern
für die Dauer
der isochoren Zustandsänderungen
durch ein frei steuerbares Hydraulikventil oder eine Arretierung des
Hydraulikmotors gesperrt. Dies ermöglicht sowohl eine eindeutige
Trennung von isochoren und isothermen Phasen, sowie eine maximale
Druckdifferenz zu Beginn einer neuen Arbeitsphase.
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Die
isochoren Zustandsänderungen
der beiden Arbeitsgasvolumina werden über die Linearsteuerung (14)
der beiden Verdrängerkolben
(4) gesteuert. Die Verdrängerkolben korrespondieren
dabei, im Gegensatz zu den Druckflüssigkeitspegeln (7),
nicht exakt miteinander. Während
der isochoren Erhitzung des Arbeitgases (Zustand 1 nach 2 in 1)
hat der Verdrängerkolben
(4) einen bedeutend kürzeren Weg
zurückzulegen,
als während
der isochoren Abkühlung
(Zustand 4 nach 1). Er wird während
der anschließenden
isothermen Expansionsphase (Zustand 2 nach 3) dem fallenden Druckflüssigkeitspegel
(7) nachgeführt
und erreicht in Zustand 3 seine unterste Auslenkung. Dieses Nachführen des
Verdrängerkolbens
während
der Arbeitsphase kann entweder aktiv durch die Linearsteuerung (14),
oder passiv durch einen kontrollierten Verschluss der Überströmkanäle (10)
während
der isothermen Expansion erfolgen.
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Die
Höhe der
Verdrängerkolben
sollte so gewählt
werden, dass Heiß-
und Kaltbereich der beiden Zylinder vollständig getrennt sind. Er teilt
die beiden Zylinder im Hydrostirling in einen heißen (2a)
und einen kalten Zylinderbereich (2b) in welchen das Arbeitsgas
während
der isochoren Phasen verschoben und während der isothermen Phasen
gehalten wird. Gegenüber
der Zylinderwand sind die beiden Verdrängerkolben (4) abgedichtet,
um einen vollständigen
Durchgang des Arbeitsgases (5) durch die Regeneratoren
(9) während
der isochoren Zustandsänderungen
zu gewährleisten.
Zweckmäßigerweise
bestehen die Verdrängerkolben
(4) aus einem temperaturbeständigen, wärmeisolierenden Material mit
einem Hohlraum für
die Aufnahme des Regenerators (9) und Überströmkanälen (10) für das Arbeitsgas.
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Bei
der Wahl von Arbeitsgas und Druckflüssigkeit muss eine geringe
Löslichkeit
des Arbeitsgases in der eingesetzten Druckflüssigkeit gewährleistet
sein. Ansonsten würde
sich, durch den Druckabfall nach Passieren des Hydraulikmotors,
ein Ausgasen von Arbeitsgas aus der Druckflüssigkeit mit Schaumbildung
und Turbulenzen negativ auf die Prozessführung auswirken. Ein direkter
Kontakt von Arbeitsgas und Druckflüssigkeit ist aber wegen der
gewählten
Form der Wärmeabfuhr
(s. unten) unbedingt erforderlich. Durch lose Schwimmauflagen auf
den beiden Druckflüssigkeitspegeln
kann der direkte Kontakt zwischen Arbeitsgas und Druckflüssigkeit minimiert
werden, als auch eine Beruhigung und Abgrenzung des Druckflüssigkeitspegels
erreicht werden.
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Wärmezu-
und Wärmeabfuhr
im Hydrostirling
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Neben
der Anforderung an einen möglichst isotherm
gestalten Wärmeübergang
während
der Expansions- und Kompressionsphase des Arbeitsgases ist vor allem
eine geringe Temperaturdifferenz des Wärmeüberganges zwischen Umgebung
und Arbeitsgas für
eine optimale Prozessführung
entscheidend. Dies erfordert üblicherweise
große
Wärmetauschflächen. Im
unteren Kaltbereich der Arbeitsgasvolumina wird eine isotherme Wärmeabfuhr
bei geringer Temperaturdifferenz immer durch die Technik der Berieselung
des Arbeitgases mit gekühlter Druckflüssigkeit
(15) realisiert. Eine Förderpumpe (12)
entnimmt während
der Kompressionsphase Druckflüssigkeit
aus dem jeweiligen Zylinder, welches über einen Gegenstromwärmetauscher
(13) maximal gekühlt
wird. Die gekühlte
Druckflüssigkeit wird über die
Verschiebestange (8) einem Rohrbündel (11) an der unteren
Stirnseite des Verdrängerkolbens
zugeführt,
von wo es in das zu komprimierende Arbeitsgas (5b) eingedüst wird.
Die Mengenregelung erfolgt dabei so, dass die Berieselungsflüssigkeit beim
Durchfallen des Arbeitsgases auf etwas über das notwendige Temperaturniveau
der Nutzwärmeauskopplung
erwärmt
wird. Im Idealfalle entspricht die Temperaturänderung der Berieselungsflüssigkeit genau
der Temperaturspreizung von Vor- und Rücklauf des Heizkreislaufes,
in welchen die Nutzwärme ausgekoppelt
werden soll (Kraft-Wärme-Kopplung). Erfolgt
ein Betrieb ohne die Auskopplung von Nutzwärme, wird die Berieselungsflüssigkeit
immer auf die niedrigste Temperatur gekühlt.
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Durch
den Kühlkreislauf
(15) wird das Volumen des Arbeitsgases nicht beeinflusst,
sondern lediglich durch den Druckwasserpegel. Die Leistungsaufnahme
der Förderpumpe
(12) muss lediglich den Strömungswiderstand der Berieselungsflüssigkeit überwinden,
wobei die absoluten Druckverhältnisse im
Kühlkreislauf
(15) denen des jeweiligen Zylinders entsprechen. In 2 ist
nur der Kühlkreislauf
für den
rechten Zylinder dargestellt. Ein gemeinsamer Wärmetauscher (13) und
eine gemeinsame Förderpumpe
(12) können
in Verbindung mit steuerbaren Sperrventilen für beiden Heizkreisläufe realisiert
werden.
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Für die Wärmezufuhr
während
der isothermen Expansion kommen die Wärmekonvektion über die
metallischen Oberflächen
des Arbeitsraumes im Heißbereich
oder eine Berieselung des Arbeitsgases mit einer heißen Flüssigkeit
aus dem Zylinderkopf, analog zur Technik der Wärmeabfuhr in Frage. Im ersteren
Fall kann die Wärmeübertragung
von Brenngas auf Zylinder durch sowohl einen direkten Kontakt des
Heißbereichs
der beiden Zylinder (2a) mit dem heißen Brenngas oder durch einen
zwischengeschalteten Thermoölkreislauf
erfolgen. Eine profilierte Oberfläche der oberen Zylinderstirninnenwand
und einer dazu inversen Ausbildung der metallischen Verdrängerkolbenoberseite
ermöglicht
durch eine Vergrößerung der
Kontaktfläche
einen guten Wärmeübergang
auf das Arbeitsgas. Durch den direkten Kontakt von Zylinderstirninnenwand
und Verdrängerkolbenoberseite
während
der isothermen Kompressionsphase (Verdrängerkolben steht oben) wird
ein Wärmeübergang
auf die Verdrängerkolbenoberseite
ermöglicht,
so dass während
der nachfolgenden isothermen Expansionsphase auch ein Wärmeübergang
von Verdrängerkolbenoberseite
auf das Arbeitsgas stattfinden kann. Das Arbeitsgas wird so über seine
gesamte, vergrößerte Systemgrenze während der
isothermen Expansionsphase geheizt.
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Bei
der Berieslung des Arbeitsgases mit heißer Flüssigkeit ist durch die große Gesamtoberfläche der
Tröpfchen
eine sehr gute Annäherung
an einen isothermen Wärmeübergang
bei niedriger Temperaturdifferenz am besten gegeben. Die Flüssigkeit
wird während
der Expansionsphase in den Arbeitsraum eingedüst und sammelt sich nach Durchfallen
des Arbeitsraumes und Wärmeabgabe
an das Arbeitsgas auf dem Verdrängerkolben.
Von dort wird es dem Heizkreislauf über ein steuerbares Ventil
in der Zylinderwand während
der Stellung des Verdrängerkolbens
im seinem oberen Totpunkt wieder zugeführt. Durch diese Art der Wärmezufuhr
erübrigt
sich eine künstliche
Oberflächenvergrößerung des
Arbeitsraumes. Die Oberfläche
der Zylinder und der Verdrängerkolbenoberseiten
werden bei dieser Variante zweckmäßigerweise durch ein thermisches
Isolatormaterial gebildet. Ein weiterer Vorteil besteht bei dieser
Wärmeübertragung
in der Möglichkeit,
den Zylinder in einem Stück
zu fertigen, weil nun nicht abschnittsweise (2a) Wärme über die
Zylinderwand übertragen
werden muss. Während
die Druckflüssigkeit
(6) in den Zylindern und die kalte Berieslungsflüssigkeit
(15) ein gemeinsames Reservoir bilden und dem zufolge aus
dem gleichen Medium bestehen, ist dies bei der Wahl der heißen Berieselungsflüssigkeit nicht
zwingend der Fall.
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Wirkungsgrad und Leistung des Hydrostirling
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Die
Erzielung eines höheren
thermischen Wirkungsgrades durch den Hydrostirling ist durch seine
höhere
Temperaturfestigkeit gegenüber
klassischen Stirlingkonzeptzen möglich.
Vor allem die Passgenauigkeiten und die Notwendigkeit einer Schmierung
von bewegten Teilen setzen hier dem kurbelgeführten Stirlingmotor enge Grenzen.
Beim Hydrostirling begrenzen die Werkstoffeigenschaften des Heißbereichs
der beiden Zylinder, bzw. die Temperaturfestigkeit der heißen Berieselungsflüssigkeit das
oberer Temperaturniveau. Die bei klassischen Stirlingmotoren starke
Abweichung von einer isothermen Wärmeübertragung während der
Arbeitsphasen ist beim Hydrostirling durch eine deutliche Verlangsamung
des Phasenwechsels, sowie durch die Berieselung des Arbeitsgases
mit Flüssigkeit
bzw. Oberflächenprofilierung
des Heißbereichs
weitgehend umgangen. Der Wirkungsgrad des Hydrostirling wird vor
allem durch Wärmeübergänge am Arbeitsgas vorbei
beeinträchtigt.
Diese bestehen im Wärmeübergang
längs der
Zylinderwand, Pendelverlusten durch die Verdrängerkolben, sowie Strahlungsverlusten.
Obgleich diese Wärmeströme bei Auskopplung von
Nutzwärme
prinzipiell noch als Wärme
genutzt werden können,
beeinträchtigen
sie doch den mechanischen Wirkungsgrad des Hydrostirling. Beste thermische
Isolationseigenschaften der verwendeten Materialen ersetzen im Hydrostirling
die Anforderungen an mechanische Passgenauigkeiten in etablierten
Verbrennungskraft- oder Stirlingmaschinen. Die starke Verlangsamung
der Drehzahl (oder „Wechsel der
Phasen des Kreisprozesses")
führt zu
einer proportionalen Abnahme der spezifischen Leistung gegenüber dem
klassischen Stirlingmotor. Dieser Nachteil wird beim Hydrostirling
durch einen größeren Hubraum,
erhöhten
Druck des Arbeitsgases und nicht zuletzt den verbesserten Wirkungsgrad
selbst, kompensiert. So ist mit dem Hydrostirling, durch den Wegfall
eines Kurbeltriebes, ein bedeutend höheres Volumen der Arbeitsräume bei
vergleichbarer Baugröße erzielbar.
Beträgt
ein Lastwechsel (isotherme + isochore Phase) z.B. fünf Sekunden
(12 U/min), der Hubraum fünf
Liter und die mittlere Druckdifferenz 50 bar, wird eine durchschnittliche
Strömungsleistung
von fünf
Kilowatt erzielt.
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„Hubraum" ist nun definiert
als Volumen der pro Arbeitszyklus über den Hydraulikmotor zwischen den
Zylindern verschobenen Druckflüssigkeit
und entspricht der Volumenänderung
der Arbeitsgase.