Semesterarbeit: 8. Semester 2004:
Konzept fßr einen Stirling – Motor
Fachbereich:
Maschinen-Ingenieurwesen
Student:
Mathias Binder binder@iveco.com Niklaus Vogel nvogel@gbssg.ch
Betreuer:
05.07.2004
Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 1 Inhaltsverzeichnis
1 Inhaltsverzeichnis 1
Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................... 1
2
Zusammenfassung ......................................................................................................... 3
3
Aufgabenstellung............................................................................................................ 5 3.1 Hintergrund / Motivation ..................................................................................... 5 3.2 Aufgabenstellung - Forderungen ........................................................................ 5 3.3 Zusammenarbeit mit GBS St. Gallen ................................................................. 5
4
Einleitung Stirling –Maschine ........................................................................................ 6 4.1 Geschichte ......................................................................................................... 6 4.2 Die Stirling – Maschine heute und Ihre Anwendungen....................................... 6 4.3 Vorteile / Nachteile ............................................................................................. 7 4.4 Funktionsweise................................................................................................... 7 4.4.1 Der ideale Stirling-Prozess ................................................................................. 7 4.4.2 Realisierung im Motor ........................................................................................ 8 4.5 Einteilung und Bauweisen von realen Stirling-Motoren ...................................... 9 4.5.1 Zylinderraumzuordnung ..................................................................................... 9 4.5.2 Art des Zusammenwirkens der Kolben............................................................. 10
5
Projektmanagement...................................................................................................... 11 5.1 Strategie / Ausblick........................................................................................... 11 5.2 Vorgänge.......................................................................................................... 11
6
Eingesetzte Mittel und Systeme .................................................................................. 12 6.1 Software ........................................................................................................... 12
7
Interessante Motorenkonzepte .................................................................................... 13 7.1 ST 05 G von Dieter Viebach............................................................................. 13 7.2 Ecoboy-SCM81 ................................................................................................ 14 7.3 Vergleich / Auswahl .......................................................................................... 15
8
Berechnungen, Auslegung .......................................................................................... 16 8.1 Dimensionierung / Skalierung .......................................................................... 16 8.2 Regenerator ..................................................................................................... 17 8.3 Kühler ............................................................................................................... 18 8.4 Schwungrad ..................................................................................................... 19
9
Konstruktion / Konzept................................................................................................. 20 9.1 Kinematik Kurbeltrieb ....................................................................................... 20 9.1.1 Anforderungen an den Kurbeltrieb ................................................................... 20 9.1.2 Ausführung ....................................................................................................... 20 9.2 Verdrängerkolben............................................................................................. 22 9.2.1 Anforderungen an den Verdrängerkolben ........................................................ 22 9.2.2 Ausführung ....................................................................................................... 22 9.3 Arbeitskolben.................................................................................................... 25 9.3.1 Anforderungen an den Arbeitskolben............................................................... 25 9.3.2 Ausführung ....................................................................................................... 25 9.4 Kühlerkopf ........................................................................................................ 26 9.4.1 Anforderungen an den Kühlerkopf ................................................................... 26
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 1 Inhaltsverzeichnis 9.4.2 9.5 9.5.1 9.5.2 9.6 9.6.1 9.6.2
Ausf端hrung ....................................................................................................... 26 Regenerator / Erhitzerkopf ............................................................................... 27 Anforderungen an den Erhitzerkopf ................................................................. 27 Ausf端hrung ....................................................................................................... 28 Schwungrad ..................................................................................................... 28 Anforderungen an das Schwungrad ................................................................. 28 Ausf端hrung ....................................................................................................... 28
10 Gesamtl旦sung ............................................................................................................... 30 10.1 Beheizung ........................................................................................................ 30 10.2 Testparameter .................................................................................................. 31 10.3 Versuchsaufbau / Messungen .......................................................................... 31 11 Schmidt-Analyse ........................................................................................................... 32 11.1 Motordaten ....................................................................................................... 33 11.2 Resultate .......................................................................................................... 34 12 Verzeichnisse ................................................................................................................ 36 12.1 Abbildungsverzeichnis...................................................................................... 36 12.2 Tabellenverzeichnis.......................................................................................... 36 12.3 Quellenverzeichnis ........................................................................................... 37 13 Anhang........................................................................................................................... 38
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 2 Zusammenfassung
2 Zusammenfassung „Jo, jo, machäd mir doch wieder mol Stirling – Motorä …“ bekam ich von Niki Vogel als Antwort, auf die Frage, ob er mir eine Aufgabenstellung für die Semesterarbeit habe. Wir einigten uns dann darauf, ein Projekt mit Beteiligung der Gewerblichen Berufsschule St. Gallen und der Fachhochschule für Technik, Wirtschaft und Soziale Arbeit, mit dem Ziel, einen Stirling – Motor zu entwickeln, zu starten. Meine Aufgabe in dieser Semesterarbeit bestand darin, ein Konzept für einen Stirling – Motor mit einer Leistung von 50 bis 100 W zu erarbeiten, der mit Luft als Arbeitsgas und einem Gasbrenner als Wärmequelle betrieben werden kann. Dieses Konzept soll dann in einem zweiten Schritt durch das Team der GBSSG in Realität umgesetzt und auf einem Prüfstand getestet werden. Als ersten Schritt machte ich mich daran, mich über die Stirling – Maschine zu informieren um erste Ideen zu sammeln. Schon da wurde mir klar, dass diese Maschine etwas ganz spezielles an sich hat, was viele Tüftler und Universitäten aber auch Industrieunternehmen seit Jahren in ihrem Bann hält. Es existieren aus diesem Grund auch unzählige Bauweisen und Varianten. Es ist jedoch nicht so, dass der Stirling – Motor nur ein Spielzeug ist, an dem sich verrückte Tüftler ausleben. Vor allem in dieser Zeit, wo alternative Energien sehr gefragt sind, gewinnt er wieder an Bedeutung. Zum Betrieb ist lediglich ein Temperaturgefälle notwendig. Die Maschine läuft vollkommen emissionsfrei. Auch die NASA hat beispielsweise einen Motor entwickelt, mit dem sie im All Energie aus relativ geringen Temperaturdifferenzen erzeugen kann. Aus zeitlichen Gründen entschieden wir, dass es am realistischsten ist, das Konzept von einer bestehenden Motorenkonstruktion abzuleiten. Aus zwei interessanten Motorenkonzepten suchte ich dann eines aus, worauf sich dann das erarbeitete Konzept abstützt. Als nächsten Schritt musste ich eine Methode finden, mit der ich die Hauptabmessungen unseres Motors (Kolbendurchmesser und Hübe), von denen der Vorlagemaschine, über die als Ziel gesetzte Leistung, ableiten konnte. Es resultierten der Kolbendurchmesser mit 60 mm und Hub mit 55 mm. Auf diesen Dimensionen konnte ich nun beginnen den Motor aufzubauen. Im Verlauf dieser Konstruktionsphase waren auch wieder einige Dimensionierungen vorzunehmen, bei denen ich auf Faustregeln und Erfahrungswerte aus der Literatur angewiesen war. Wichtige Punkte auf die bei der Konstruktion speziell zu achten war, sind: Reibungsverluste gering zu halten, Abdichten der Arbeitsräume, verhindern von Querkräften auf den Verdrängerkolben und das Integrieren einer Wasserkühlung. Als weitere Komponente der Zusammenarbeit zwischen GBSSG und FHSG wird ein Teil am Institut für Rapid Product Development mit dem SLS – Verfahren hergestellt werden. Die Berechnung von Stirling – Motoren ist nicht ganz einfach. Da ich mich voraussichtlich im Rahmen meiner Diplomarbeit mit der genaueren Berechnung und der Simulation der Stirling – Maschine befassen werde, habe ich in dieser Arbeit lediglich eine, in der Literatur viel erwähnte, Schmidt – Analyse durchgeführt. Die Resultate dieser Analyse liefern keine genauen absoluten Werte. Sie wird aber eingesetzt, wenn es um die Optimierung einer Konstruktion geht. Man kann sehr gute Schlüsse daraus ziehen, wie sich die Leistung eines Motors verändert, wenn man Modifikationen vornimmt. Das resultierte Konzept ist in Pro/Engineer modelliert. Es gibt noch ein paar Punkte, die im Weiteren geklärt werden müssen. Eigentlich müsste nun anhand dieses Konzeptes noch eine weitere Entwicklungsphase folgen, in der aufgrund der Geometrien und Platzverhältnisse die Konstruktion ausgereift werden könnte. M. Binder Maschinen-Ingenieurwesen
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 2 Zusammenfassung Auch müssen Resultate aus den ersten Testläufen herangezogen werden, um die Konstruktion weiter zu entwickeln. Es war sehr interessant für mich diese Arbeit auf dem Gebiet der Wärmekraftmaschinen zu machen. Wieder einmal hat sich für mich gezeigt, dass vor allem in einer Konzeptphase die Diskussion mit Studienkollegen über Probleme sehr wichtig ist. Oft resultierten aus solchen konstruktiven Gesprächen gute Lösungsansätze. Es war schade, dass der Stoff in der Thermodynamik, den ich für die Auslegung der Wärmetauscher gebraucht hätte erst in den letzten 2 Wochen des Semesters behandelt wurden. Bedanken möchte ich mich noch bei Niki Vogel, der mir, nun zum zweiten Mal auf meinem beruflichen Entwicklungsweg, eine Plattform bietet, auf der ein Team aus motivierten Leuten etwas Geniales schafft und dabei wichtige und gute Erfahrungen sammeln kann.
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 3 Aufgabenstellung
3 Aufgabenstellung 3.1 Hintergrund / Motivation Herr Vogel hat bereits zweimal im Rahmen von Berufschulprojekten kleine Stirlingmotoren entwickelt und gebaut. Die Leistung dieser Kleinmotoren war jedoch in beiden Fällen zu gering, um gemessen werden zu können. Das Ziel einen Motor zu haben, dem auf einem Prüfstand (weiteres Lehrlingsprojekt), über einen Generator Leistung abverlangt werden kann ist die Motivation für diese Projektarbeit.
Bild 3.1
Stirling – Motor aus Projekt BENO 2002
3.2 Aufgabenstellung - Forderungen Im Rahmen dieser Semesterarbeit soll ein Konzept für einen Stirlingmotor mit einer Leistung von 50 bis 100 W erarbeitet werden. Rahmenbedingungen / Anforderungen: Anforderung
Quantifizierung Festforderung:
Arbeitsgas Bauweise / Anordnungstyp: (siehe 4.5)
Luft - kinematische Maschine - einfach Mindestforderung:
Leistung
50 bis 100 W Wünsche:
Bauweise / Anordnungstyp (siehe 4.5) Kosten Wärmeerzeuger Tabelle 1
- kinematische Maschine - einfach so gering wie möglich halten Gasbrenner (ev. Campinggas – Kocher verwenden)
Anforderungsliste: Aufgabenstellung
3.3 Zusammenarbeit mit GBS St. Gallen An der Gewerbeschule St. Gallen beginnen am 25. Februar 2004 unter der Leitung von Herrn Niklaus Vogel die Projektarbeiten mit Informatik-, Elektronik-, Automatik-, Polymechanik- und Konstrukteur- Lehrlingen. Eines der Projekte hat die Realisierung des in dieser Arbeit erarbeiteten Stirling-Motors mit einem Prüfstand zum Ziel. Die Projektausschreibung: „Detaillierung der Konstruktion, Fertigung und Inbetriebnahme eines 100 W Stirlingmotors in Zusammenarbeit mit der FHS St. Gallen. Aufbau eines Prüfstandes. (Mit Einführung in die Theorie des Stirlingmotors)“ Die Schnittstelle ist so geplant, dass sobald das endgültige Konzept steht, dieses in Form von 3D Modellen an das Projektteam der GBS St. Gallen übergeben wird. Als Fernziel soll bis Anfang viertes Quartal 2004 der Motor auf dem Prüfstand in Betrieb genommen werden. M. Binder Maschinen-Ingenieurwesen
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 4 Einleitung Stirling –Maschine
4 Einleitung Stirling –Maschine In diesem Kapitel mache ich eine Kleine Einführung in die Thematik Stirling – Maschine. Sie soll zum grossen teil dazu dienen einen Überblick zu gewinnen.
4.1 Geschichte Der schottische Pfarrer Robert Stirling erfand 1816 die nach ihm benannte Stirling – Maschine und meldete diese zum Patent an. Zu dieser Zeit konnte sie sich jedoch nie gegen die bereits recht ausgereifte Dampfmaschine durchsetzen. Dies vor allem wegen Ihrem schlechten Verhältnis von Bauvolumen zur Leistung. Mit der Erfindung des Otto – Motors 1876 und des Diesel – Motors 1896 bekam die Stirling – Maschine weitere Konkurrenz, gegen die sie sich nie behaupten konnte.
Bild 4.1
Erste Stirling-
Maschine 1938 entdeckte Philips in Holland die Stirling – Maschine wieder und wollte sie in Kombination mit einem Generator als Stromversorger von Radios für Länder ohne ausgedehntes Stromnetz einsetzen. Die Entwicklung dieser Antrieb – Generator – Kombination wurde 1946 abgeschlossen. Obwohl das Produkt, wegen der rasanten Weiterentwicklungen im Bereich der Elektronik, nie zum Einsatz kam, führte Philips die Entwicklung an der Stirling – Maschine weiter. Viel Energie wurde dabei in die Suche nach anderen Einsatzgebieten gesteckt.
Philips begann 1955 mit der seriellen Herstellung von Stirling – Kältemaschinen für die Gasverflüssigung. Diese werden auch heute noch von einer Tochterfirma von Philips produziert und vertrieben.1
4.2 Die Stirling – Maschine heute und Ihre Anwendungen Heute werden ca. 100'000 Maschinen, die nach dem Stirling – Prinzip arbeiten, pro Jahr produziert. Weltweit arbeiten über 100 Firmen, Universitäten und andere Forschungseinrichtungen an der Entwicklung und Verbesserung der Stirlingmaschine und deren Anwendungen. Das Grösste Einsatzgebiet liegt in der Kälteerzeugung. Andere Einsatzgebiete sind: Schiffsantriebe, U-Boot – Antriebe, Stromerzeugung in der Raumfahrt (NASA), Antrieb von Wärmepumpen, Stirling – Maschine als Wärmepumpe, ... . NASA hat am Glen Research Center den sog. Space-Stirling entwickelt. Diese Bauweise könnte in Zukunft den Durchbruch schaffen, da sie einige Hauptprobleme von Stirling-Maschinen eliminiert. Es handelt sich um einen Freikolben – Stirling-Motor. Dieser ist ein ausgeklügeltes, schwingfähiges und gasdichtes System, indem ein Lineargenerator eine Spannung erzeugt, die über ein Kabel nach aussen geführt wird. Man kann also sagen eine Black – Box, die auf einer Seite geheizt wird und auf der anderen eine Spannung ausgibt. Bild 4.2 1
NASA Freikolben - StirlingMaschine
Zusammengefasst aus Literatur [1]
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 4 Einleitung Stirling –Maschine
4.3 Vorteile / Nachteile Vorteile: o Vielstoff – Fähigkeit:
Da Wärme von Extern zugeführt werden kann, stehen hierfür viele Möglichkeiten offen (gasförmige, flüssige und feste Brennstoffe, Sonnenwärme und jegliche Form von Abwärme)
o Geringe Emissionen:
Nur die Wärmeerzeugung kann emissionsbehaftet sein.
o Langlebigkeit:
Da keine Druckspitzen wie bei Verbrennungsmotoren auftreten, sind die Bauteile geringeren Belastungen ausgesetzt. Der Motor läuft schwingungsarm.
o
Guter Wirkungsgrad
Nachteile: o Geringe Leistungsdichte: o
Leistungsregelung:
Verbrennungsmotoren gleicher Baugrösse haben eine wesentlich höhere Leistung Das System reagiert sehr träge auf Veränderung der Wärmezufuhr.
4.4 Funktionsweise 4.4.1 Der ideale Stirling-Prozess
Bild 4.3
Der ideale StirlingProzess
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VorZustandsänderung: gang: 1 2 Isotherme Kompression - T = const. - Wärmeabfuhr: Q12 - am Gas wird Volumenarbeit verrichtet 2 3 Isochore Erwärmung - V1 = const. - Wärmezufuhr: Q23 3 4 Isotherme Expansion - T = const. - Wärmezufuhr: Q34 - das Gas verrichtet Volumenarbeit Isochore Abkühlung 4 1 - V2 = const. - Wärmeabfuhr: Q41
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Arbeitskolben nach unten
Verdrängerkolben im UT
im UT
nach oben
nach oben
im OT
im OT
nach unten
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 4 Einleitung Stirling –Maschine
4.4.2 Realisierung im Motor Um den idealen Stirling – Prozess in einer Maschine realisieren zu können müssten die Kolbenbewegungen gemäss dem p-V Diagramm nichtkontinuierlich sein. Der Arbeitskolben sollte von 2 nach 3 und von 4 nach 1 stehen bleiben. In den Schritten von 2 nach 4 und von 4 nach 1 muss er einmal verdichten und das andere mal expandieren. Es ist offensichtlich, dass ein solcher Bewegungsablauf mit einem herkömmlichen Kurbeltrieb nicht erreicht werden kann, da dieser eine sinusförmige Veränderung der Volumen bewirkt. 1.2
Gasvolumen
1
V1
0.8 Real
0.6
Ideal
V2 0.4 0.2 0 0
100
200
300
Kurbelwellenwinkel
Bild 4.4
Ideale vs. reale Volumenänderung
Im Stirling - Motor bewegt sich das Arbeitsmedium (Gas) in einem geschlossenen System zwischen zwei Räumen, dem Kompressionsraum und dem Expansionsraum hin und her. Das Gas durchströmt auf dem Weg zwischen heissem Expansionsraum und kaltem Kompressionsraum den sog. Regenerator. Strömt das Gas vom heissen in den kalten Raum, entzieht ihm der Regenerator Wärme (er wird aufgeheizt). Beim umgekehrten Vorgang gibt er die gespeicherte Wärme wieder an das kühlere Gas ab. Zusätzlich befindet sich auf der kalten Seite ein Wärmetauscher, der dem Gas Wärme entzieht und auf der heissen Seite wird dem Gas von aussen Wärme zugeführt. Der Stirling-Motor besitzt also zwei Kolben. Der Verdrängerkolben hat nur die Aufgabe, das Gas zwischen den Räumen hin und her zu bewegen. Er gibt also keine Arbeit ab und sollte, ausser den Strömungsverlusten, auch keine Arbeit aufnehmen. Der Kompressions- oder Arbeitskolben verrichtet am Gas Kompressionsarbeit, und beim Expandieren gibt das Gas Volumenarbeit an ihn ab, die an der Kurbelwelle genutzt werden kann. 1 2
Bild 4.5
2 3
3 4
4 1
Ablauf im Stirling-Motor
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 4 Einleitung Stirling –Maschine
4.5 Einteilung und Bauweisen von realen Stirling-Motoren M. Wederich [3] schlägt eine Einteilung der Stirlingmaschinen nach folgendem System vor:
Bild 4.6
Einteilung der Stirling – Maschinen nach M. Werdich [3]
4.5.1 Zylinderraumzuordnung Der grundlegendste Unterschied der verschiedenen Stirling – Maschinen liegt in der Anordnung der Zylinder. Nachfolgend sind einige Merkmale der unterschiedlichen Varianten aufgeführt: Alpha-Typ:
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-
Ein dichtender Kolben muss im heissen Raum betrieben werden, was Dichtungsprobleme mit sich bringt
o
Wird meist für Niedertemperaturmaschinen in Kühlschränken oder Wärmepumpen eingesetzt
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Bild 4.7
Anordnung
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 4 Einleitung Stirling –Maschine Beta-Typ
Gamma-Typ
+
Beide Kolben laufen in einem Zylinder
+
Im allgemeinen sind Arbeitskolben- und Verdrängerschubstange auf der kalten Seite, was die Abdichtung erleichtert
+
Höheres Verdichtungsverhältnis möglich als bei Gamma-Typ
+
Der rotationssymmetrische Aufbau ermöglicht den Einsatz grösserer Wärmetauscher
o
Verdränger- und Arbeitskolben laufen in zwei separaten Zylindern
+
Beide Kolbenstangen sind auf der kalten Seite
-
Totraum ist im Vergleich mit den anderen Typen grösser, was den Wirkungsgrad verschlechtert
Bild 4.8
-Anordnung
Bild 4.9
Anordnung
4.5.2 Art des Zusammenwirkens der Kolben Beim einfach wirkenden Motor befindet sich nur auf einer Seite des Arbeitskolbens das Arbeitsmedium. Das heisst, dass er nur von einer Seite eine Druckbeaufschlagung erfährt. Beim doppelt wirkenden Motor ist das Gegenteil der Fall. Hier haben die Kolben jeweils die Funktion des Arbeits- und Verdrängerkolbens gleichzeitig. Doppelt wirkende Motoren können in seriegeschaltet als Mehrzylinder realisiert werden (siehe Bild 4.10).
Bild 4.10 Mehrzylindermotor in -Anordnung
Da der Motor einfach d.h. gut herstell-, montier-, finanzierbar und verständlich sein soll entscheide ich mich für die einfach wirkende Bauweise.
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 5 Projektmanagement
5 Projektmanagement 5.1 Strategie / Ausblick Die Aufgabenstellung lässt sehr viel Freiraum. Wenn man sich schon in der Literatur über Stirling – Motoren umgeschaut hat weiss man, dass bereits zahlreiche Personen und Firmen auf diesem Gebiet Forschung und Entwicklung betrieben haben. Diese Tatsache lässt ableiten, dass es unzählige Bauweisen und Varianten gibt. Nun wäre es vermessen zu denken, man könne in einer Semesterarbeit einen Stirlingmotor von Grund auf neu entwickeln. Es ist eher realistisch, eine existierende Maschine als Vorbild zu nehmen und aufgrund dieser einen Motor zu konzipieren, der den gestellten Anforderungen entspricht. Dementsprechend werde ich aus mir als geeignet erscheinenden Varianten eine auswählen und für die gewählte Bauweise ein Konzept und die Dimensionierung erarbeiten. Es ist geplant den Motor mit der Software GT-Power, die bei IVECO zur Simulation von Dieselmotoren verwendet wird, zu simulieren. IVECO ist an einer Untersuchung des Einsatzes von Stirlingmotoren zur Energiegewinnung aus den heissen Abgasen interessiert. Dies könnte im Rahmen meiner Diplomarbeit stattfinden.
5.2 Vorgänge
Berechnung Analysen
Konstruktion
Eröffnung
Phase
Tabelle 2
MeilenAnfang stein
Vorgangsname Start Aufgabenstellung definieren Abgabe: Aufgabenstellung & Terminplan Aufgabenstellung analysieren Einarbeitung in Thematik Suche / Analyse bestehender Motoren Entscheidung für Vorlagemotor Ermitteln der Hauptabmessungen anhand Vorlagemotor (Skalierung) Festlegung der Hauptabmessungen Dimensionieren der Komponenten (Schwungmasse, Regeneratormasse) Konstruieren der Bauteile, Baugruppen Stückliste erstellen Übergabe des Konzepts an Projektteam der GBSSG Schmidt Analyse in Matlab programmieren Schmidt Analyse ev. Adiabathe Analyse Opt.: FEM Berechnung der Hauptkomponenten Opt.: Modellbildung mit GT-Power Präsentation / Dokumentation erstellen
X
Abgabe
X
X
X
Ende
9. Jan 04 9. Jan 04 6. Feb 04 6. Feb 04 6. Feb 04 13. Feb 04 20. Feb 04 27. Feb 04 19. Mrz 04
X
19. Mrz 04 26. Mrz 04
X
18. Jul 04 23. Feb 04
9. Jun 04
15. Jul 04 15. Jul 04
15. Jul 04
Vorgangsliste
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 6 Eingesetzte Mittel und Systeme
6 Eingesetzte Mittel und Systeme 6.1 Software Matlab 6.5
Schmidtanalyse
Pro/Engineer Wildfire
Konstruieren und Modellieren der Beuteile
Pro/Engineer Mechanic system Kinematische Simulation des Kurbeltriebs design MS Project
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Projektmanagement
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 7 Interessante Motorenkonzepte
7 Interessante Motorenkonzepte Beim Sammeln von Informationen sind mir zwei Stirling – Motoren aufgefallen, die für meine Anforderungen, im speziellen auch durch ihre einfache Bauweise, geeignet erscheinen. Zum einen handelt es sich dabei um den von Dieter Viebach entwickelten -Stirling – Motor. Der zweite Motor wurde in Japan von mehreren Universitäten gemeinschaftlich entwickelt und trägt die Bezeichnung Ecoboy-SCM81.
7.1 ST 05 G von Dieter Viebach
Bild 7.1
Viebach ST 05 G
Bild 7.1 zeigt den ST 05 G im Längs- und Querschnitt. Es handelt sich um eine einfach wirkende, kinematische -Maschine. Dieser Motor war einige Zeit bei Herrn Viebach mit Zeichnungssatz zum Eigenbau erhältlich und ist bereits mehr als hundertmal von Selbstfertigern gebaut worden. Dementsprechend herrscht zwischen den Betreibern ein reger Erfahrungsaustausch. Auch gab es Projekte, wo dieser Motor als alternativer Energieerzeuger für Einfamilienhäuser zum Einsatz kam. Herr Viebach betreibt eine Internetseite [7] auf der er seine Zeichnungssätze und Bauteile anbietet. Technische Daten:
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Bauhöhe: Arbeitskolbendurchmesser: Verdrängekolbendurchmesser: Hub: Arbeitsmedium: Betriebsdruck: Wirkungsgrad: Temperatur am Erhitzerkopf: Heizung: Kühlung: Leerlaufdrehzahl: Drehmoment: Leistungsziel: 05.07.2004
600 mm 85 mm 96 mm 75 mm Luft bis 10 bar 22 % 200°C bis 650°C Propangas Wasser 800 U/min 8 Nm 500 W 13/37
Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 7 Interessante Motorenkonzepte
7.2 Ecoboy-SCM81
Bild 7.2
Ecoboy-SCM81
Dieser Motor wurde in Japan gemeinsam von 16 Forschern von Universitäten und Forschungsanstalten entwickelt. Das Projekt hatte zum Ziel einen Stirling – Motor zu entwickeln, der neue Elemente enthält als die bisher auf dem Markt erhältlichen Motoren. Dies ist vor allem am Kurbeltrieb und der Ausführung der Wärmetauscher ersichtlich. Beim Kurbeltrieb handelt es sich um das so genannte Scotch-Getriebe. Dieses zeichnet sich vor allem durch die Platzeinsparung im Gegensatz zu herkömmlichen Kreuzkopf-Anordnungen und die geringen Reibungsverluste aus. Die so genannten „moving-tube type“ – Wärmetauscher haben einen sehr hohen Wirkungsgrad. Im Internet sind 3 Veröffentlichungen [4][5][6] von Koiki Hirata et al. veröffentlicht, die sich mit diesem Motor befassen. Technische Daten:
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Bauhöhe: Kolbendurchmesser: Hub: Arbeitsmedium: Wirkungsgrad: Temperatur am Erhitzerkopf: Heizung: Kühlung: Leerlaufdrehzahl: Leistungsziel:
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375 mm 70 mm 20 mm Helium / Nitrogen 20 % bis 650°C Propangas Wasser 1000 U/min 100 W
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 7 Interessante Motorenkonzepte
7.3 Vergleich / Auswahl Kriterien
GewichEcoboy Viebach tung (g) Punkte (n) g x n Punkte (n) g x n
Anzahl Bauteile Kosten Einfachheit Dimensionierbarkeit Abdichtung der Kolben bzw. Kolbenstangen Gefühl Summe Max g x n Wertigkeit
2 3 2 3 3 1
Tabelle 3
3 4 4 3 2 4 14 70
6 12 8 9 6 4
5 5 5 5 5 5
10 15 10 15 15 5
45
70
0.6
1.0
Vergleich: Viebach vs. Ecoboy
Aus der obigen Bewertung geht hervor, dass als Vorlage für diese Semesterarbeit der Viebach – Stirling geeigneter ist. Im Folgenden werde ich mich also an die Bauweise des „ST 05 G“ halten.
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 8 Berechnungen, Auslegung
8 Berechnungen, Auslegung 8.1 Dimensionierung / Skalierung William Beale hat einen Zusammenhang zwischen der Leistung, dem Arbeitsvolumen, der Drehzahl und dem sog. Beale-Faktor gefunden. Diese Faktor ist abhängig von den Temperaturen, mit denen die Maschine betrieben wird. Nach Steimle [5] kann die Formel von Beale zur Skalierung von Stirling – Maschinen gleicher Bauweise herangezogen werden.
BF
P Vges n
pm
Gl. 1
Gleichung 1 zeigt die Beale-Formel. Darin sind: BF [-] P [W] pm [Pa] Vges [m3] n [rad/s]
Bealefaktor Leistung mittlerer Druck Gesamtvolumenveränderung Drehzahl
Wenn der skalierte Motor mit den gleichen Temperaturen betrieben wird, wie der Originalmotor, so ist der Beale-Faktor für beide Maschinen gleich und es kann folgende Beziehung aufgestellt werden.
P1 Vges1 n1
pm1
Vges 2
P2 Vges 2 n2
pm 2
P2 pm1 n1 P1 pm 2 n2
Vges1
Gl. 2
Gl. 3
Die Gesamtvolumen Veränderung ist bei der hier betrachteten Bauweise nur von der Bewegung des Arbeitskolbens abhängig. Somit ergibt sich für die Gesamtvolumen Veränderung folgende Beziehung:
Vges1
d A21
Vges 2
2 A2
d
4 4
hA1 Gl. 4
hA 2
Aus der Forderung nach gleichem Bohrungs-Hub-Verhältnis geht die folgende Gleichung hervor.
hA 2 d A2
hA1 d A1
Gl. 5
Gleichung 4 in Gl. 5 eingesetzt ergibt den folgenden Zusammenhang für den Arbeitskolbendurchmesser:
d A2 d A2
hA 2 d A1 hA1 4 3
4
Vges 2 d A1 d
2 A2
Vges 2 d A1
hA1 Gl. 6
hA1
Die Gleichungen 3 und 5 ermöglichen es dann mit den gegebenen Daten, Hub und Durchmesser des neuen Motors zu berechnen. M. Binder Maschinen-Ingenieurwesen
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 8 Berechnungen, Auslegung Für die Ermittlung des Verdrängerkolben - Durchmessers verwende ich die Forderung nach einem Verdichtungsverhältnis von 2 (Empfehlung aus [2]). Somit ergeben sich dann die unten aufgestellten Hauptabmessungen unseres Motors. Vorgaben: Arbeitskolbendurchmesser: dA1 [mm] Verdrängekolben-Durchmesser: dV1 [mm] Hub: h1 [mm] Gesamtvolumen Veränderung dVges1 [mm] Leistung P1 [W] Zieldaten: Leistungsziel P2 [W] Verdichtung i [-] Resultate: Arbeitskolbendurchmesser: dA2 [mm] Verdrängekolben-Durchmesser: dV2 [mm] Hub: h2 [mm] Gesamtvolumen Veränderung dVges2 [mm] Tabelle 4
85 96 75 425587.63 500 200 2 62.63 62.63 55.26 170235.05
Motorhauptabmessungen
8.2 Regenerator Der Regenerator hat grossen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Maschine. Er befindet sich zwischen Erhitzer und Kühler. Seine Aufgabe besteht darin, die Wärme der vom Expansionsraum (Heiss) in den Kompressionsraum (Kalt) strömenden Luft zu speichern und beim umgekehrten Vorgang wieder an sie abzugeben. Dies funktioniert weil Wärme nur in Richtung eines niedrigeren Temperaturniveaus strömen kann (von warm zu kalt). Um eine guten Wirkungsgrad des Regenerators zu erreichen benötigt man ein „Bauteil“ mit hoher Wärmekapazität, viel Oberfläche und geringem Strömungswiderstand. Sehr gut geeignet als Regeneratormaterial aber teuer sind übereinander geschichtete Drahtsiebe. Eine etwas billigere und vor allem für einen Ringförmigen Regenerator einfachere Variante ist Stahlwolle. Ein Stirling – Motor mit Luft als Arbeitsgas sollte einen Regenerator besitzen, der etwa das 4- bis 5-fache der zugeführten Wärmemenge speichern kann [1]. Mit der Annahme eines Wirkungsgrades kann mit der Leistung und der Drehzahl die zugeführte Wärmemenge und somit die erforderliche Regeneratorkapazität errechnet werden:
Q Regen
Q Zu 5
P 100% 5 n
Gl. 7
Die Regeneratortemperatur wird zwischen der oberen und unteren Temperatur schwanken. Er wird nie ganz die obere aber auch nie ganz die untere erreichen. Mit den in der Schmidt Analyse eingesetzten Temperaturen (TO=500°C und TU=50°C) setze ich eine Differenz von ca. 200 K ein. Daraus kann nun die notwendige Regeneratormasse errechnet werden.
Q c m
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T
m Regenerator
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Q Regenerator c
T
Gl. 8
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 8 Berechnungen, Auslegung Vorgaben: Leistung Drehzahl Wirkungsgrad Speicherfaktor Zu Speichernde Wärme Temperaturdifferenz Wärmekapazität von Stahl Resultate: Regenerator - Speicherkapazität Erforderliche Regeneratormasse Tabelle 5
P n s Qsoll dT c Qreg m
[W] [1/min] [%] [-] [J] [K] [J/(kg K)] [J] [kg] [g]
200 1000 22 5 273 200 550 273 2.48E-03 2.48
Regeneratormasse
Mit der Annahme, dass Stahlwolle einen Durchmesser von 0,1 mm hat kann nun die Länge des Drahtes berechnet werden. Drahtdurchmesser Dichte (Stahl) Drahtlänge Tabelle 6
d l
[m] [kg/m3] [m]
1.00E-04 7800 40.47
Regenerator Drahtlänge
8.3 Kühler Der Kühler soll dem Gas die ihm im Erhitzer zugeführte Wärme beim Durchströmen in den Kompressionsraum wieder entziehen. Dies ist sehr wichtig, um ein grosses Temperaturgefälle zwischen dem Expansions- und Kompressionsraum zu erreichen. Dieses Temperaturgefälle hat grossen Einfluss auf den Wirkungsgrad und somit die abgegebene Leistung. Die Zugeführte Leistung (Qzu) kann wie im vorherigen Kapitel bereits beschrieben aus der Zielleistung, der Drehzahl und dem Wirkungsgrad berechnet werden. Um die erforderliche Kühlerfläche zu berechnen verwende ich eine vereinfachte Methode. Der Wärmestrom, der von einem Gas auf einen Körper übergeht, errechnet sich aus:
Q t A T
A t
T
Gl. 9
Wärmeübergangskoeffizient Dauer der Wärmeübertragung (Zykluszeit) Übertragungsfläche Temperaturdifferenz vom Gas zum Körper
Aus dieser Beziehung kann ich nun die erforderliche Fläche berechnen. Der Wärmeübertragungskoeffizient für turbulente Luft ist > 290 W/(m2K) [3]. Vorgaben: Leistung Drehzahl Wirkungsgrad Zu übertragende Wärme Temperaturdifferenz Luft:Rohr Wärmeübertragungskoeffizient Resultate: Erforderliche Kühlfläche
P n Q dT
Asoll
[W] [1/min] [%] [J] [K] [W/(m2 K)]
200 1000 22 54.545 200
[m2] [mm2]
1.254E-02 12539.185
290
Tabelle 7 Kühlerfläche M. Binder Maschinen-Ingenieurwesen
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 8 Berechnungen, Auslegung Unter Vorgabe von Rohrdurchmesser und Anzahl der Kühlerrohre kann ich nun die Erforderliche Länge der einzeln parallel geschalteten Rohre berechnen: Geometrie: Rohrdurchmesser Umfang Anzahl Rohre Erforderliche Rohrlänge
d U n lrohr
[mm] [mm] [-] [mm]
10 31.416 10 39.913
Tabelle 8 Kühlerrohrlänge
8.4 Schwungrad Das Schwungrad muss so dimensioniert sein, dass es beim Expandieren des Gases die zur Kompression erforderliche Rotationsenergie speichern kann. Die zur Kompression erforderliche Energie entspricht der am Gas verrichteten Volumenänderungsarbeit. Gemäss [3] sollte die kinetische Energie des Schwungrades grösser als die pro Zyklus zugeführte Wärmemenge sein.
Wrot
Q zu
Gl. 10
Die Rotationsenergie eines Zylinders ist wie folgt definiert: 2
Wrot
J
2
m
r2 2 2 2
d2
4
l
d2 2 4 2 2
Gl. 11
Die zugeführte Wärmemenge kann wie bereits unter 7.3 ausgeführt berechnet werden. Mit der Formel für das Trägheitsmoment eines Zylinders (Gl. 8) kann dann mit Vorgabe einer Scheibenbreite der notwendige Durchmesser berechnet werden. Somit ergeben sich die Dimensionen des Schwungrades: Rotationsenergie Dichte (Messing) Drehzahl Erforderliches Trägheitsmoment Zylinderlänge Durchmesser Tabelle 9
M. Binder Maschinen-Ingenieurwesen
W rot
J l d
[Ws] [kg/m3] [rad/s] [kg m2] [m] [m]
5.45E+01 8.00E+03 104.7197551 9.95E-03 0.050 0.126
Schwungraddimensionierung
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9 Konstruktion / Konzept 9.1 Kinematik Kurbeltrieb 9.1.1 Anforderungen an den Kurbeltrieb Bei Stirling-Motoren dürfen keine Querkräfte an den Kolben auftreten, da diese trocken in den Zylindern laufen. Bei einer Schmierung würden sich Schmierstoffpartikel mit dem Arbeitsgas vermischen, was zum einen eine Senkung des Wirkungsgrades zur Folge hätte und zum anderen den Regenerator verstopfen könnte. Für die Funktion des Stirlingmotors ist es notwendig, zwischen Arbeits- und Verdrängerkolben einen Phasenunterschied von 90° zu haben. Somit sind die Anforderungen an den Kurbeltrieb wie folgt: Anforderung
Quantifizierung Festforderung:
Kinematik Wandlung von Translation in Rotation Phasenunterschied zwischen Arbeits- und Arbeitskolben soll Verdrängerkolben um Verdrängerkolben 90° nacheilen Schmierung es darf kein Schmierstoff freigesetzt werden Wünsche: Bauweise Querkräfte auf die Kolben Reibung Tabelle 10
- kompakt - leicht geringe Querkraft auf Kolben So gering wie möglich halten
Anforderungsliste: Kurbeltrieb
9.1.2 Ausführung Wie Bild 7.1 zeigt, ist der Viebach-Motor mit einem Kreuzkopf – Mechanismus ausgeführt. Dieser Mechanismus findet auch bei Gross-Dieselmotoren Anwendung. Der Pleuel ist nicht wie üblich direkt mit dem Kolben, sondern über den Kreuzkopf mit der Kolbenstange, welche axial geführt ist und somit sämtliche Radialkräfte aufnimmt, verbunden. Ein Nachteil dieser Lösung ist, dass die Bauhöhe des Motors grösser wird. Es gibt noch einige andere klassische Kurbeltriebe, welche die Radialkräfte auf den Kolben aufnehmen. Diese sind z.B.: Rhombentriebwerk, Ross-Getriebe, ScotchGetriebe (für Details siehe [1] und [2]). Bei meinem Motor sind die Zylinder in einem Winkel von 90° angeordnet, so dass beide Pleuel auf denselben Kurbelzapfen gelegt werden können. Für diese Anordnung ist also die Schubkurbel mit Kreuzkopf beim Verdrängerkolben optimal. Mit dieser VAnordnung hat man auf elegante Weise den geforderten Phasenunterschied von 90° integriert. Kurbelwellenlagerung / Abdichtung: o Es werden zwei lebensdauergeschmierte, beidseitig abgedichtete Rillenkugellager verwendet (Stückliste Pos. 02-02). o Ein Wellesicherungsring bringt die axiale Sicherung. o Zur Abdichtung des Kurbelgehäuses nach aussen dient ein Radialwellendichtring. Dieser wird in die Dichtungsbüchse montiert, um eine spätere Demontage zu ermöglichen. M. Binder Maschinen-Ingenieurwesen
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Bild 3
Kurbelwellenlagerung
Verdrängerpleuel / Kreuzkopf o
o o o
o
Der Kreuzkopf (Verdrängerkolbenstange) ist über zwei Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden. Zwei Pleuel sind notwendig, um eine symmetrische Belastung der Teile zu erhalten. Es wird eine Verstärkung auf die Kolbenstange aufgepresst, wonach die Bohrung für die Nadelhülse in einem Bearbeitungsgang gemeinsam gebohrt wird. Die Nadelhülse wird in den Kreuzkopf eingepresst. Der Bolzen wird zuerst in den einen Pleuel eingepresst, durch die Nadelhülse gesteckt und anschliessend der zweite Pleuel aufgeschoben. Dabei ist zu beachten, dass die Pleuel ausgerichtet sind und das Spiel zwischen Scheiben, Lager und Pleuel beibehalten wird. Die Pleuel werden jeweils mit einer Nadelhülse versehen und sind so reibungsarm auf dem Kurbelzapfen gelagert
Bild 4 M. Binder Maschinen-Ingenieurwesen
Pleuelmontage
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9.2 Verdrängerkolben 9.2.1 Anforderungen an den Verdrängerkolben Der Verdrängerkolben hat die Aufgabe, das Gas zwischen dem heissen und kalten Raum hin und her zu schieben. Somit ist die obere Seite immer mit dem heissen und die untere mit dem kalten Gas in Kontakt und der Kolben ist einem starken Temperaturgefälle ausgesetzt. Da der Wirkungsgrad der Maschine stark vom Temperaturunterschied der beiden „Räume“ abhängt, ist es enorm wichtig, den Wärmestrom über den Kolben so gering als möglich zu halten. Zum Temperaturgefälle über dem Kolben kommt im Weiteren noch ein Druckgefälle dazu. Dieses entsteht aufgrund der Verschiebung des Gases. Es ist also zu beachten, dass die Gasmenge, die am Kolben vorbeiströmt so gering wie möglich gehalten wird. Anforderung
Quantifizierung Festforderung:
Hitzebeständigkeit
Der Kolben muss den Temperaturen standhalten (Tmax˜ 1000°) Wünsche:
Wärmeleitfähigkeit Dichtheit
Reibung
Die Wärmeleitfähigkeit in Axialrichtung soll möglichst minimiert werden 1. Es soll möglichst kein Gas zwischen Kolben und Zylinderwand vorbeiströmen 2. Die Kolbenstange muss gegen das Kurbelgehäuse hin abgedichtet sein. So gering wie möglich halten
Tabelle 11 Anforderungsliste: Verdrängerkolben
9.2.2 Ausführung Hitzebeständigkeit / Wärmeleitfähigkeit: Um die Wärmeverluste über den Verdrängerkolben so gering wie möglich zu halten wird bei den meisten Stirling-Motoren ein sog. Dom auf den Kolben aufgesetzt. Dieser Dom macht zwar die ganze Maschine höher, erhöht aber durch die darin eingeschlossene Luft erheblich thermischen Widerstand. Es gibt zwei weitere Parameter, mit denen die Wärmeleitfähigkeit beeinflusst werden kann. Diese sind die Wandstärke des Kolbendoms und das Material. Von der Wärmeleitfähigkeit und der Festigkeit her ist für den Verdrängerkolben ein Chrom-Nickel-Stahl zu wähle [1]. Um Informationen über den Wärmefluss durch den Kolben zu erhalten habe ich in Pro/Mechanica – Themal eine Analyse durchgeführt. Dabei habe ich folgende Vereinfachungen getroffen: o Keine Wärmestrahlung und Konvektion im Dom o Keine Wärmestrahlung und Konvektion an den Aussenflächen o Es stellt sich während dem Betrieb auf der heissen Seite die obere Temperatur und auf der Kalten Seite die untere Temperatur ein.
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Bild 5
Kolbendom Analyse: Randbedingungen
Die Resultate sind im Folgenden dargestellt:
Bild 6
Bild 7
Kolbendom Analyse: Temperaturverteilung
Kolbendom Analyse: Wärmefluss
Temperaturverteilung:
selbsterklärend
Wärmefluss
Die Einheit 1 N/(mm sec) entspricht 1 mW/mm2. Um eine Aussage über den Wärmestrom zu erhalten, muss ich also den Wärmefluss mit z.B. dem Wandquerschnitt in der Hälfte des Doms multiplizieren.
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 9 Konstruktion / Konzept Domquerschnittsfläche: 528 mm2 Wärmefluss im Dom: 0,14 W/mm2 Wärmestrom: 73,9 J/sec Bei einer Drehzahl von 1000 U/min ergibt das einen Wärmeverlust über den Verdränger von 4,4 J pro Zyklus. Wärmestrom:
Dichtheit / Reibung: Um keine Reibungsverluste zu erhalten, verzichte ich im ersten Schritt auf eine materielle Dichtung und nutze Nuten im Verdrängerkolben als Labyrinthdichtung. Es wäre aber möglich, zu einem späteren Zeitpunkt, falls die erforderliche Dichtheit nicht erreicht wird oder als Optimierung, den Kolben nach zu bearbeiten und eine Teflon-Gleitring-Dichtung einzubauen. Wie der Temperaturverlauf zeigt, sollten die Temperaturen in diesem, unteren, Bereich des Verdrängers für einen Teflon-Ring zulässig sein (< 300 °C). Für die Abdichtung gegen das Kurbelgehäuse hin setze ich eine GleitringDichtung ein. Die Firma Angst+Pfister hat geeignete Stangendichtungen namens RINGFLON® RC im Angebot (Katalogseiten im Anhang). Es handelt sich dabei um einen PTFE-Ring, der durch einen O-Ring an die Abdichtfläche gepresst wird. Dank der guten Gleiteigenschaften von PTFE sollten keine grossen Reibverluste auftreten. Die zulässigen Betriebsbedingungen werden mit Gleitgeschwindigkeiten von ca. 2,9 m/s bei 1000 U/min und Temperaturen unter 100 °C eingehalten. Folgende Bilder Zeigen den Aufbau des Fertigen Verdrängerkolbens. Er ist so konstruiert, dass der Dom und der Kolben ein Teil bilden und mit einer Kappe verschlossen werden. Da es sich um eine Prototypenkonstruktion handelt können wir den Kolben aus dem vollen Drehen.
Bild 8
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Verdrängerkolben
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9.3 Arbeitskolben 9.3.1 Anforderungen an den Arbeitskolben Der Arbeitskolben befindet kommt nur mit dem kalten Arbeitsgas in Berührung. Da er nicht über einen Kreuzkopf mit dem Pleuel verbunden ist, muss er in der Zylinderbüchse geführt werden, um ein Verkanten zu verhindern. Anforderung
Quantifizierung Festforderung:
Führung
Kolben muss über Führungselemente verfügen Wünsche:
Dichtheit Reibung
Möglichst gute Abdichtung gegen Kurbelgehäuse So gering wie möglich halten
Tabelle 12 Anforderungsliste: Verdrängerkolben
9.3.2 Ausführung Führung: Um ein Verkanten des Kolbens zu verhindern habe ich in mit zwei Führungsringen ausgestattet. Die Firma Busak+Shamban führt Führungsringe für Kolben aus PTFE namens Turcite® Slydring® im Angebot (Katalogseiten im Anhang). Auch hier sind die zulässigen Betriebsbedingungen erfüllt. Dichtheit / Reibung: Um den Arbeitskolben gegen das Kurbelgehäuse abzudichten eignet sich am besten dieselbe Art Dichtung, wie oben eingesetzt bei der VerdrängerkolbenStange. Die Firma Angst+Pfister hat geeignete Kolbendichtungen namens LUBORING® LRLRP im Angebot (Katalogseiten im Anhang). Dadurch dass auch hier wieder alle eingesetzten Komponenten, die gleiten, aus PTFE bestehen, ist der Reibungsminimierung Rechnung getragen.
Bild 9
M. Binder Maschinen-Ingenieurwesen
Arbeitskolben mit Pleuel
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9.4 Kühlerkopf 9.4.1 Anforderungen an den Kühlerkopf Bei der zum Ziel gesetzten Leistung, ist es erforderlich mit Wasser zu kühlen, da sonst der erforderliche Temperaturunterschied nicht erreicht werden kann. Anforderung
Quantifizierung Festforderung:
Dichtheit Rohrabmessungen Anschlussflansch für Verbindungsrohr Kolbenstangen- Führung und Abdichtung
Wasserraum muss absolut dicht sein Für ausreichende Kühlung: d=10mm, l=40mm, Anz.:10 Muss integriert sein Müssen integriert sein Wünsche:
Strömung
Geringer Strömungswiderstand für Arbeitsgas
Tabelle 13 Anforderungsliste: Kühlerkopf
9.4.2 Ausführung Dichtheit: Zum Abdichten des Wasserraumes gegen den Zylinder und nach aussen, setzte ich O-Ringe ein. Bei den Kühlerrohren bin ich nach Überlegungen, diese einzulöten auf die Lösung mit den Steckbüchsen, wie sie unten gezeigt ist, gekommen.
Bild 10
Kühlerkopf im Schnitt
Die Steckbüchsen haben einige Vorteile gegenüber einer gelöteten Variante: - Keine Gefahr von schlechten Lötstellen Undichtheit - Einfache Montage Stecken - Keine Toleranzprobleme - Variabilität: Es können auch andere Querschnitte gemacht werden. Kolbenstangen –Führung und -Abdichtung: Die obere Führung der Kolbenstange und die Stangendichtung sind wie oben dargestellt im Kühlerkopf integriert. M. Binder Maschinen-Ingenieurwesen
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 9 Konstruktion / Konzept Kühlung: Durch die Verwendung der 10 Kühlrohre mit Innendurchmesser 10mm wird die geforderte Kühlleistung erreicht. Die ebenfalls vom Wasser umströmte Zylinderbüchse mit Rippen bringt zusätzliche Kühlleistung Strömung: Die Form des Grundkörpers ist so modelliert, dass keine scharfen Kanten oder schnellen Querschnitt-Änderungen auftreten. Wir haben uns entschieden, dieses Teil mit der SLS Methode am Institut für Rapid Product Development an der FHS herstellen zu lassen, da es sich von der Form her nahezu aufdrängt. Gespräche diesbezüglich wurden bereits mit den betreffenden Personen (u.A. S. Aemisegger) geführt. Der als Lösung vorliegende Kühlerkopf kann als kompakte Gruppe vormontiert werden und als Dichtheitstest vor der Montage am Motor mit Wasser abgepresst werden.
Bild 11
Kühlerkopf
9.5 Regenerator / Erhitzerkopf 9.5.1 Anforderungen an den Erhitzerkopf Anforderung
Quantifizierung Festforderung:
Hitzebeständigkeit
Regeneratormaterial Volumen
Alle Bestandteile des Erhitzerkopfes müssen den auftretenden hohen Temperaturen standhalten (Tmax˜ 1400° Erhitzerrohre) und Soll In Versuchsreihen verändert werden können Wünsche:
Heizen Strömung
Hohe Heizleistung Geringer Strömungswiderstand für Arbeitsgas
Tabelle 14 Anforderungsliste: Erhitzerkopf
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9.5.2 Ausführung Hitzebeständigkeit: Auch hier soll wieder ein Chrom-Nickel-Stahl zum Einsatz kommen. Regenerator: In Kapitel 7.2 habe ich hergeleitet, welche Stahlmasse im Regenerator sein muss. Da es nun aber schwierig ist, abzuschätzen, wie viel Platz die Stahlwolle einnehmen wird, musste ich die Grösse des Raumes festlegen. Nun kann bei Testläufen dieses Volumen durch Einlegeringe variiert werden. Ein zweiter Parameter für die Funktion des Regenerators der variiert werden kann ist die Kompression. Je dichter die Stahlwolle zusammengedrückt wird, umso kleiner wird das Totvolumen, desto grösser wird aber auch der Strömungswiderstand.
Bild 12
Regenerator
9.6 Schwungrad 9.6.1 Anforderungen an das Schwungrad Anforderung
Quantifizierung Mindestforderung:
Massenträgheitsmoment
> 9,95x10-3 kg m2
Montage
Wünsche: Einfache Montage auf der Kurbelwelle
Tabelle 15 Anforderungsliste: Erhitzerkopf
9.6.2 Ausführung Massenträgheitsmoment: Für das Schwungrad muss ein Material genommen werden, dass eine möglichst hohe Dichte besitzt. Ich wähle Messing. Um das geforderte Massenträgheitsmoment möglichst genau zu erreichen, habe ich das Optimierungsmodul von Pro/Engineer benutzt: M. Binder Maschinen-Ingenieurwesen
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Bild 13
Schwungrad
Montage auf der Kurbelwelle: Zur Montage des Schwungrades auf der Kurbelwelle setze ich eine Druckhülse von Spieth ein. Diese Druckhülsen haben den Vorteil, dass die Welle keine aufwendige Bearbeitung benötigt und die Zentrierung des Bauteils sehr genau ist.
Bild 14
M. Binder Maschinen-Ingenieurwesen
Schwungrad-Montage
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 10 Gesamtlösung
10 Gesamtlösung Die Gesamtlösung ist unten abgebildet. Im Anhang befinden sich eine Stückliste, Zeichnungen mit einigen Ansichten und Katalogseiten der Lieferanten der Einkaufteile.
Bild 15
Stirmot 200
10.1 Beheizung Wie bereits erwähnt, soll der Motor mit einem Gasbrenner beheizt werden. Dies kann nun auf zwei Weisen erfolgen: Zum einen von aussen mit einem Ringbrenner oder von innen mit einem Gaskocheraufsatz. Ein schwieriger Punkt ist, zu bestimmen, wie viel Wärmeenergie in den Motor gebracht wird. Dazu müsste der Volumenstrom des verbrennenden Gases bekannt sein. Um eine Angabe darüber machen zu können muss zuerst einmal ein entsprechender Gasbrenner bereitgestellt und der Volumenstrom bestimmt werden. Dann kann über folgende Formel die abgestrahlte Wärme bestimmt werden.
Q
H V
H Pr opan
93
MJ m3
Gl. 12
Dieser Wärmestrom steht also nach Abzug der Verluste durch die thermischen Widerstände der Rohre sowie Konvektionsübergänge zur Erwärmung des Arbeitsgases zur Verfügung und entspricht der zugeführten Energie.
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10.2 Testparameter Da es viele Annahmen zu treffen gab bei der Dimensionierung, ist eine Optimierung nach den Erkenntnissen des ersten Testlaufs unerlässlich. Folgende Parameter können für die Optimierung am Prototypen verändert werden: 1. Kühlerrohrdurchmesser / grösser kleinerer Strömungsverl., grössere Kühlleistung; kleiner grösserer Strömungsverlust, kleinere Kühlleistung 2. Regenerator –Volumen und Stopfdichte 3. Erhitzerrohrdurchmesser / grösser kleinerer Strömungsverl., grössere Heizleistung; kleiner grösserer Strömungsverlust, kleinere Heizleistung 4. Kolbendichtungen a. Verdrängerkolben mit Gleitringdichtung versehen b. Arbeitskolben mit Kolbenring ausstatten 5. Motor aufladen, d.h. das Ausgangsdruckniveau erhöhen, indem der ganze Motor mit Druck beaufschlagt wird sehr grossen Einfluss auf Leistung
10.3 Versuchsaufbau / Messungen Um möglichst wertvolle Informationen über die Qualität des Stirling-Motors zu erhalten sollten am Prüfstand folgende Grössen gemessen werden: 1. Temperaturverläufe 2. Druckverläufe 3. Drehzahl 4. Drehmoment Die Leistung kann dann aus Drehzahl und Drehmoment bestimmt werden. In [3] ist ein Prüfstandsaufbau zur Leistungsmessung beschrieben.
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 11 Schmidt-Analyse
11 Schmidt-Analyse Die Schmidt-Analyse ist ein Verfahren mit dem der Druckverlauf in einem Stirling – Motor auf einfache Weise, ohne numerische Verfahren, berechnet werden kann. Sie wurde 1871 von Gustav Schmidt entwickelt. Die Analyse setzt einige Annahmen und Vereinfachungen voraus. Ich erwähne hier nur die Wichtigsten: - Arbeitsgas verhält sich wie ideale Gase - Es wird für jedes Teilvolumen konstante Temperatur angesetzt (isotherm) - Das Temperaturgefälle im Regenerator wird als linear und ideal angenommen (Gas strömt bereits mit der Temperatur des jeweiligen Raumes aus dem Regenerator ein) - Strömungsverluste sind nicht berücksichtig Im untenstehenden Bild habe ich versucht das Berechnungsmodell schematisch darzustellen:
Bild 16
Berechnungsmodell
Die der Berechnung zugrunde liegenden Formeln stammen aus einem Paper aus dem Internet [5]. Ich musste feststellen, dass die Formeln für die Volumenverläufe der Gamma-Maschine im Buch von Frank Schleder [2] fehlerhaft sind. Dies ist mir aufgefallen, als ich die Volumenverläufe betrachtete, anhand derer man gut sieht, ob die Kinematik richtig berechnet wurde.
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 11 Schmidt-Analyse
11.1 Motordaten Motordaten Arbeitskolben Durchmesser Hub Hubvolumen Verdrängerkolben Durchmesser Hub Hubvolumen Phasenverschiebungswinkel Toträume Kalt Heiss Regenerator Temperaturen Kalt
da ha Vha
[m] / [mm] [m] / [mm] [m3]
0.06 0.055 1.56E-04
60 55
dv hv Vhv dalpha
[m] / [mm] [m] / [mm] [m3] [°] [rad]
0.06 0.055 1.56E-04 90 1.570796327
60 55
Vtk Vth Vr
[m3] / [mm3] [m3] / [mm3] [m3] / [mm3]
Tk
[°C] [K] [°C] [K] [°C] [K]
Heiss
Th
Regenerator
Tr
Spezielle Gaskonstante Anfangsdruck Anfangstemperatur
R p0 T0
Gasmasse in der Maschine Verdichtungsverhältnis Drehzahl
m e n
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[Pa] [°C] [K] [kg] [-] [1/min] [rad/s]
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7.06E-05 70'638.71 7.17E-05 71'703.71 3.53E-05 35'342.92 50 323 700 973 375 648 287 1.00E+05 20 293 0.00058116 1.466721353 1000 104.7197551
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 11 Schmidt-Analyse
11.2 Resultate Volumenverl채ufe 4.000E-04 3.500E-04 3.000E-04 V [m3]
2.500E-04 2.000E-04 1.500E-04 1.000E-04 5.000E-05 0.000E+00 0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
330
360
KW-Winkel [째]
Kompressionsvolumen
Bild 17
Expansionsvolumen
Gesamtvolumen
Schmidt Analyse - Volumenverl채ufe
Druckverlauf 2.50E+05 2.25E+05 2.00E+05
p [Pa]
1.75E+05 1.50E+05 1.25E+05 1.00E+05 7.50E+04 5.00E+04 0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
KW-Winkel [째]
Bild 18
Schmidt Analyse - Druckverlauf
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 11 Schmidt-Analyse p-V Diagramm 2.50E+05 2.25E+05 2.00E+05
p [Pa]
1.75E+05 1.50E+05 1.25E+05 1.00E+05 7.50E+04 5.00E+04 1.500E-04
2.000E-04
2.500E-04
3.000E-04
3.500E-04
4.000E-04
V [cm3] p-V gesamt
Bild 19
0° KW
90° KW
180° KW
270° KW
Schmidt Analyse – p-V Diagramm
Expansionsarbeit Kompressionsarbeit Nettoarbeit Leistung Tabelle 16
We Wc W P
[J] [J] [J] [W]
-10.355 3.437 -6.918 -115.293
Ergebnisse der Schmidt – Analyse
Es gilt bei den Resultaten die Konvention, dass abgegebene Arbeit/Leistung negativ und die zugeführte Positiv ist. Die erhaltenen Diagramme sind qualitativ richtig. Im p-V Diagramm ist gut ersichtlich, dass der Prozess im Uhrzeigersinn verläuft und somit die eingeschlossene Fläche der abgegebenen Volumenarbeit entspricht. Nach den ersten Versuchen mit dem realen Stirling – Motor könnten jetzt die Hilfsgrössen und Faktoren angepasst werden, damit die Resultate der Realität näher kommen. Mit diesem modifizierten Rechnungsmodell können dann gute Aussagen darüber gemacht werden, wie die Motorleistung auf Veränderungen der Konstruktion reagiert.
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 12 Verzeichnisse
12 Verzeichnisse 12.1 Abbildungsverzeichnis Bild 3.1 Bild 4.1 Bild 4.2 Bild 4.3 Bild 4.4 Bild 4.5 Bild 4.6 Bild 4.7 Bild 4.8 Bild 4.9 Bild 4.10 Bild 7.1 Bild 7.2 Bild 3 Bild 4 Bild 5 Bild 6 Bild 7 Bild 8 Bild 9 Bild 10 Bild 11 Bild 12 Bild 13 Bild 14 Bild 15 Bild 16 Bild 17 Bild 18 Bild 19
Stirling – Motor aus Projekt BENO 2002 ............................................................ 5 Erste Stirling-Maschine ...................................................................................... 6 NASA Freikolben - Stirling-Maschine ................................................................ 6 Der ideale Stirling-Prozess ................................................................................. 7 Ideale vs. reale Volumenänderung..................................................................... 8 Ablauf im Stirling-Motor ...................................................................................... 8 Einteilung der Stirling – Maschinen nach M. Werdich [3] ................................... 9 Anordnung...................................................................................................... 9 -Anordnung..................................................................................................... 10 Anordnung .................................................................................................... 10 Mehrzylindermotor in -Anordnung.................................................................. 10 Viebach ST 05 G .............................................................................................. 13 Ecoboy-SCM81 ................................................................................................ 14 Kurbelwellenlagerung....................................................................................... 21 Pleuelmontage ................................................................................................. 21 Kolbendom Analyse: Randbedingungen .......................................................... 23 Kolbendom Analyse: Temperaturverteilung ..................................................... 23 Kolbendom Analyse: Wärmefluss..................................................................... 23 Verdrängerkolben............................................................................................. 24 Arbeitskolben mit Pleuel ................................................................................... 25 Kühlerkopf im Schnitt ....................................................................................... 26 Kühlerkopf ........................................................................................................ 27 Regenerator ..................................................................................................... 28 Schwungrad ..................................................................................................... 29 Schwungrad-Montage ...................................................................................... 29 Stirmot 200 ....................................................................................................... 30 Berechnungsmodell.......................................................................................... 32 Schmidt Analyse - Volumenverläufe................................................................. 34 Schmidt Analyse - Druckverlauf ....................................................................... 34 Schmidt Analyse – p-V Diagramm.................................................................... 35
12.2 Tabellenverzeichnis Tabelle 1 Tabelle 2 Tabelle 3 Tabelle 4 Tabelle 5 Tabelle 6 Tabelle 7 Tabelle 8 Tabelle 9 Tabelle 10 Tabelle 11 Tabelle 12 Tabelle 13 Tabelle 14 Tabelle 15 Tabelle 16
Anforderungsliste: Aufgabenstellung.................................................................. 5 Vorgangsliste.................................................................................................... 11 Vergleich: Viebach vs. Ecoboy ......................................................................... 15 Motorhauptabmessungen................................................................................. 17 Regeneratormasse ........................................................................................... 18 Regenerator Drahtlänge ................................................................................... 18 Kühlerfläche ..................................................................................................... 18 Kühlerrohrlänge................................................................................................ 19 Schwungraddimensionierung ........................................................................... 19 Anforderungsliste: Kurbeltrieb .......................................................................... 20 Anforderungsliste: Verdrängerkolben ............................................................... 22 Anforderungsliste: Verdrängerkolben ............................................................... 25 Anforderungsliste: Kühlerkopf .......................................................................... 26 Anforderungsliste: Erhitzerkopf ........................................................................ 27 Anforderungsliste: Erhitzerkopf ........................................................................ 28 Ergebnisse der Schmidt – Analyse................................................................... 35
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 12 Verzeichnisse
12.3 Quellenverzeichnis Nr.
Autor
Titel / Internetadresse
Verlag / Ort
Jahr
[1]
Steimle
Stirling – Maschinen – Technik
C.F. Müller
1996
Vogel Fachbuch
2002
Grundlagen, Konzepte und Chancen
[2]
Frank Schleder
Stirlingmotoren Thermodynamische Grundlagen, Kreisprozessrechnung und Niedertemperaturmotoren
[3]
Martin Werdich Kuno Stirling - Maschinen Grundlagen – Technik – Anwendungen Kübler
Ökobuch
2003
[4]
Koichi HIRATA et al.
Dep. of Mech. Eng. Saitama University, Japan
1998
[5]
Koichi HIRATA
Paper: Study on Design and Performance Prediction Methods for Miniaturized Stirling Engine Paper: Schmidt theory for Stirling Engines
National Maritime Research Institute
-
[6]
Dieter Viebach
http://www.geocities.com/vieba chstirling/
-
-
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Semesterarbeit 2004: Stirling - Motor 13 Anhang
13 Anhang Register 2: Anhang 1:
Stückliste Zeichnungen
Anhang 2:
Dimensionierung
Anhang 3:
Schwungrad
Register 3: Anhang 2:
Dimensionierung
Anhang 3:
Schwungrad
Register 4: Herstellerkataloge Register 5: Anhang 4:
Schmidt Analyse – Tabellen Paper zur Schmidt Analyse von Koichi Hirata [5]
Register 6: Gesprächsnotizen E-Mails Register 7: Skizzen Register 8: Allgemeines
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