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Beschreibung zur Patentanmeldung mit der Bezeichnung: Stirling- Motor
mit Membranbalgkolben0 Einführung.
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Der Stirling- Motor besitzt gegenüber Motoren mit innerer Verbrennung
wie Otto- Motoren und Diesel- Motoren folgende Vorteile: lo) Der Stirling- Motor
arbeitet mit äußerer Verbrennung0 Die Emission von Schadstoffen ist gering, da eine
vollständige Verbrennung erreicht werden kann0 20) An den Treibstoff werden keine
besonderen Anforderungen gestellt. Jeder gasförmige oder flüssige Treibstoff kann
verwendet werden0 3o) Der Stirling- Motor arbeitet geräuscharm, da keine Explosionen
im Motor erfolgen und keine Ventile vorhanden sind.
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40) Der Wirkungsgrad erreicht den des Dieselmotors.
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5o) Das Leistungsgewicht ist mit dem eines Otto- Motors vergleichbarO
Diesen Vorteilen stehen einige Mängel entgegen, die eine Einführung des Stirling-
Motors in Frage stellen0 1o) Der Stirling- Motor ist teurer als ein Dieselmotor.
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2*) Die Kolben arbeiten ohne Schmieröl, damit die Wärmeaustauscher
und die Regeneratoren nicht verstopft werden0 Die Lebensdauer des Motors wird dadurch
erheblich vermindert0 3*) Hohe Wirkungsgrade sind nur mit Wasserstoff oder Helium
als Arbeitsgase zu erzielten0 Dadurch entstehen Dichtungsprobleme0 40) Zur Erzielung
eines hohen Wirkungsgrades ist ein großer äußerer Wärmeaustauscher erforderlich,
der das Leistungsgewicht (kp/kW) des Motors vergrößert0 50) Der Arbeitsdruck ist
sehr hoch ( 100 bis200 kp/cm2). Durch die damit verbundene hohe Materialbeanspruchung
wird die Erhitzertemperatur
begrenzt und damit der thermische Wirkungsgrad.
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6.) Die Leistungsregelung erfolgt durch Änderung der Gasmenge im Arbeitsraum.
Hierzu sind Kompressoren erforderlich, die den Gesamtwirkungsgrad und das Leistungsgewicht
des Motors ungünstig beeinflussen.
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Beschreibung des Stirling- Motors mit Membranbalgkolben.
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Ein ölfreier, hochvakuumdichter, verlustlos arbeitender Kolben ist
mittels eines kantengeschweißten Membranbalges realisierbar.
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Solche Bälge besitzen im zusammengedrückten Zustand ein kleines Totvolumen
zwischen den Membranen, erreichen eine Lebensdauer von 109 Hüben bei hohen Drücken
( z.B. 8 kp/cm2) und Hubfrequenzen -1 um 600 min Die Abbildung zeigt ein Modell
eines 4- Zylinder- Stirling- Motors mit Membranbalgkolben. Zwei Arbeitsräume sind
verdeckt. ( E Erhitzer, EP Erhitzerplatte mit Radialschlitzen von oben und unten,
R Regenerator, S Strahlenschilde, W Wärmeaustauscher, V Verdränger, M Membranbalgkolben,
K Kurbelwelle. Balginnendurchmesser 16 cm, Hub 8 cm, PmaX = 32 kp/cm2, Pmin =16
kp/cm2, V2/V1 = 2, Erhitzertemperatur t1 = 950 °C, Kühlwassertemperatur t2 = 50
°O, Leistung ca 135 kW ( 180 PS ) bei einer Drehzahl von 600 min1).
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Der Motor arbeitet nach dem Verdrängerprinzip ( Meijer R.J., Möglichkeiten
des Stirling- Fahrzeugmotors in unserer künftigen Gesellschaft. Philips Technische
Rundschau, S. 175 (1970/71)0 Die beiden linken Kolben sind nach hinten versetzt,
sodaß die Kolben an den drei zwangsgekoppelten Kurbelwellen an je drei Punkten zur
Geradführung der Kolben aufgehängt werden können. Die mittlere Kurbelwelle enthält
ein Pleuel pro Kolben, die äußeren Kurbelwellen enthalten zwei Pleuel oder ein breites
zweifach gelagertes pro Kolben.
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Die Membranbalganordnungen 1 und 2 bewirken wegen der Änderung des
toten Volumens in den Membranzwischenräumen einen Gasstrom durch den Wärmeaustauscher
während der Expansion bzw. der Kompression.
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Das kann durch Anordnung 3 verhindert werden. Diese besitzt auch den
Vorteil der kürzeren Baulänge. Der äußere Balg sollte weicher sein als der innere
und in seiner Auslenkung durch zwei dämpfende
Anschläge begrenzt
werden.
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Arbeiten die Arbeitsmedien Helium oder Wasserstoff zwischen den 2
Drücken 16 kp/cm2 und 32 kp/cm , wird zur Verringerung der Kurbelwellen- und Membranbalgbelastung
im Kurbelwellengehäuse ein Druck von 24 kp/cm2 aufrechterhalten. Der Differenzdruck
zwischen Balginnenraum und Kurbelwellengehäuse beträgt dann maximal 8 kp/cm2.
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Die kleine Drehzahl von ca 600 bis 1 200 min-1 kann durch großes Drehmoment
kompensiert werden. Die dazu erforderlichen großen Balgdurchmesser haben keinen
Einfluß auf den mechanischen Wirkungsgrad. Motoren mit hoher Leistung können daher
im Teillastbereich mit dem maximalen Wirkungsgrad arbeiten, wenn auf der Erhitzerseite
des Motors die schädliche Wärmeabfuhr nach außen klein gehalten wird. Das ist möglich
durch regenerativen Wärmeaustausch zwischen der angesaugten Zuluft und den entweichenden
Verbrennungsgasen.
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Die Vorteile des Stirling- Motors mit Membranbalgkolben sind: 1.)
Helium oder Wasserstoff können als Arbeitemedien verwendet werden.
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2.) Reibungsverluste treten nur in Kugellagern und an Zahnrädern auf,
sodaß auch bei kleiner Leistung hohe Wirkungsgrade erreicht werden.
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5.) Strömungsverluste des Arbeitsmediums im Wärmeaustauscher und im
Regenerator sind wegen der kleinen Hubfrequenz gering.
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4.) Der Regenerator kann aus Metallfolien gewickelt werden, wodurch
eine größere Wärme speicherkapazität bei gleichzeitiger Verringerung des Strömungswiderstandes
erreicht wird.
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5.) Wegen der großvolumigen Bauweise und der niedrigen Gasdrücke können
größere Wärmeaustauscher und Regeneratoren eingesetzt werden. Die Energieflußdichten
zwischen Erhitzer und Arbeitsraum bzw. Kühler und Arbeitsraum sind kleiner ais in
herkömmlichen Stirling- Motoren und damit auch die Wärmeübergangsverluste.
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6.) Wegen des niedrigen Innendruckes im Arbeitsraum können die Wände
der Wärmeaustauscher dünner werden. Die Austauschoberfläche kann daher größer werden.
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7.) Wegen der niedrigen Drücke kann mit höheren Erhitzertemperaturen
gearbeitet werden0 Der Wirkungsgrad des Motors wird dadurch erhöht.
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8.) Die durch diese Bauweise erzielbaren Wirkungsgrade liegen zwischen
50 und 70%. Die Wärmeabgabe über den Außenkühler wird um den Faktor 2 bis 2,5 geringer
als bei herkömmlichen Stirling-Motoren. Die Außenkühler können daher kleiner gebaut
werden.
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Letzteres ist wichtig beim nichtstationären Einsatz dieser Motoren.
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9.) Ein Leistungegewicht ist erreichbar, das dem von Otto- Motoren
entspricht.
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10.) Mit einem Kraftwagen, der mit einem Stirling- Motor mit Membranbalgkolben
angetrieben wird, sind Laufstrecken von 500 000 bis 1 Million km zu erwarten.
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Die Beistungsregelung des Stirling- Motors.
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Die Leistung N eines verlustfrei arbeitenden Stirling- Motors bei
idealem, also nichtharmonischem Prozeßverlauf ist gegeben durch die Gleichung N
= nR(T1-T2)oln V2/V1 Hierbei ist n das Produkt aus Gasmenge n im Arbeitsraum und
der Hubfrequenz. n wird in mol/s angegeben. R ist die Gaskonstante ( R = 8,31 W/mol.s
), T1 die Erhitzertemperatur, T2 die Kühlwassertemperatur in Kelvin und ln V2/V1
der natürliche Logarithmus des Volumenverhältnisses.
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Die Leistungsregelung erfolgt bei den heute arbeitenden Stirling-Motoren
durch Änderung der Gasmenge n im Arbeitsraum. Diese Art der Leistungsregelung erfordert
einen Kompressor, der das Gewicht des Motors vergrößert und bei schnellen Leistungsänderungen
selbst Leistung verbraucht. Bei Stirling- Motoren mit Membranbalgkolben kommt hinzu,
daß für den Arbeitsraum und das Kurbelwellengehäuse verschiedene Kompressoren gebraucht
werden, wenn letzteres mit Luft gefüllt ist.
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Es wird daher vorgeschlagen, zur Leistungsregelung das Volumenverhältnis
V2/V1 zu ändern. Das kann erreicht werden, wenn die Arbeitsräume eines Vierzylinder-
Stirling- Motors über Ventile mit einem Druckbehälter verbunden werden. Die Phasenlage
der einzelnen Membrankolben ist so eingerichtet, daß die Summe der vier Volumina
konstant bleibt, d.h., wenn alle Ventile vollständig geöffnet sind, wird V2/V1 =
1 bzw. ln V2/V1 = O. Der Innendruck des Druckbehälters wird auf einem mittleren
Wert gehalten, der gleich ist dem Innendruck des Kurbelwellengehäuses.
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Zur Beschreibung der Leistungsregelung sei von dem Arbeitszustand
mit größter Leistungsabgabe ausgegangen. Der Druckbehälter sei mit Gas von 24 kp/cm2
Druck gefüllt, alle Ventile seien geschlossen,
die vier Arbeitsräume
arbeiten zwischen 16 und 32 kp/cmZ Innendruck. Zur Leistungsminderung werden die
vier Verbindungsventile gleichzeitig geöffnet. Der Leistungswert ergibt sich aus
der Größe der Drosselung. Starke Drosselung bedeutet hohe Leistung, schwache Drosselung
ergibt geringe Leistung. Wird von geringer Leistung aushehend, z.B. Leerlauf, gedrosselt,
verteilt sich das Arbeitsgas auf die einzelnen Arbeitsräume, sodaß der Ausgangszuatand
annähernd wiederhergestellt wird. Zusätzliche Rückschlagventile sind nicht erforderlich,
wenn die Membranbälge so ausgelegt sind, daß sie geringe Druckerhöhungen über den
maximalen Arbeitsdruck ohne Schaden vertragen können. Die gleichmäßige Verteilung
des Gases auf die Zylinder hängt von der Schnelligkeit ab, mit der die Ventile geschlossen
werden. Es ist daher zweckmäßig, am Ventilsitz einen Spalt anzubringen, der beim
starken Beschleunigen offen bleibt und nach einer bestimmten Zeit vollkommen dicht
schließt.
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Die Vorteile dieser Art der Leistungsregelung sind: 1.) Aufwendige
Hilfsaggregate entfallen.
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2.) Die Beschleunigung wird größer, weil die Ventile schnell geschlossen
werden können und die gesamte Leistung dem Antrieb dient.
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Ein Nachteil dieser Leistungsregelung kann in den auftretenden Drosselverlusten
liegen. Es ist daher anzustreben, den Motor mit geschlossenen oder stark gedrosselten
Ventilen zu betreiben. Das kann durch eine kombinierte Leistungsregelung erreicht
werden, die aus einer Totvolumenregelung und einer Arbeitsgasregelung besteht. Hierzu
sind zwei kleine, leistungsschwache Pumpen erforderlich, die in den Arbeitsräumen
und dem Kurbelwellengehäuse bestimmte Gasdrücke erzeugen und damit den je nach Betriebsbedingungen
erforderlichen Leistungsbereich festlegen. Innerhalb dieses Bereiches kann mit der
Totvolumenregelung zwischen Null und dem eingestellten Wert geregelt werden. Der
Vorteil dieser kombinierten Regelung liegt darin das starke Motoren gebaut werden
können, ohne den Nachteil eines hohen Energieverbrauches bei niedrigen Leistungen
in Kauf nehmen zu müssen. Wegen des hohen mechanischen Wirkungsgrades des Stirling-
Motors mit Membranbalgkolben ist bei niedriger Leistung sogar mit einer Erhöhung
des Wirkungsgrades zu rechnen, da Strömungs- und Wärmeübergangsverluste abnehmen.
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Die Brennerregelung erfolgt automatisch mittels eines Temperaturfühlers,
sodaß die Erhitzertemperatur T1 in jedem Leistungsbereich konstant gehalten wird.
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Anwendungsmöglichkeiten für Stirling- Motoren mit Membranbalgkolben.
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1o) Antrieb von Kraftfahrzeugen.
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Der Stirling- Motor mit Membranbalgkolben und Totvolumenregelung bzwo
kombinierter Totvolumen- und Arbeitsgasregelung ist wegen seines hohen Wirkungsgrades
und seines günstigen Leistungsgewichtes zum Antrieb von Kraftfahrzeugen geeignet.
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2*) Stationärer Betrieb in Stirling- Wärmepumpenheizanlagen.
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Fossile Brennstoffe oder Prozeßgas aus Kernreaktoren werden für Heizzwecke
am sparsamsten eingesetzt mit einer Wärmekraftmaschine-Wärmepumpe- Kombination0
Hierbei ist ein hoher Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine von Vorteil, weil das
Produkt aus mechanischem Energieanteil und Leistungsziffer der Wärmepumpe die Heizleistung
ergibt0 Besonders günstig ist hierbei die Kombination Stirling-Motor und Stirling-
Wärmepumpe, weil der Kühlerkreislauf des Stirling- Motors an den kalten Kreislauf
der Wärmepumpe angeschlossen werden kann0 Auf diese Weise ist ein hoher Wirkungsgrad
des Stirling- Motors erreichbar0 30) Elektrische Energiegewinnung aus Sonnenenergie0
In heißen, sonnenreichen Gegenden können mit einfachen Mitteln ohne aufwendige Spiegelsysteme
Erhitzertemperaturen von 300 °C erzeugt werden0 Hierzu ist eine nach außen thermisch
isolierte, lichtabsorbierende, schwarze Fläche erforderlich0 Das Sonnenlicht wird
von der schwarzen Fläche absorbiert und erhitzt Wasser, das die Wärme auf die Erhitzerseite
eines Stirling- Motors mit Membranbalgkolben überträgt. Wirkungsgrade zwischen 30
und 40% können erreicht werden. Die gewonnene mechanische Energie kann zur Erzeugung
elektrischer Energie verwendet werden oder direkt zum Antrieb von Stirling- Wärmepumpen,
mit denen Meerwasser nach dem Vereisungsverfahren entsalzt werden kann0