Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Um das erhebliche CO2-Reduktionspotenzial im Bereich der Geb\u00e4udeheizung zu erschlie\u00dfen, wurde im Rahmen eines BMBF-Verbundprojektes an der Entwicklung einer Vuilleumier-W\u00e4rmepumpe gearbeitet. Das hier zur Kolbensteuerung eingesetzte Getriebe verursacht Verschlei\u00df- und Reibungsprobleme und tr\u00e4gt merklich zu den Herstellungskosten bei. Zielsetzung dieses Vorhabens ist die \u00dcbertragung der vom Stirlingmotor bekannten Freikolbenbauweise auf dieses neuartige Heizungssystem. Damit w\u00fcrde dessen Attraktivit\u00e4t und Konkurrenzf\u00e4higkeit und somit auch dessen zuk\u00fcnftige Verbreitung erh\u00f6ht werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAm Lehrstuhl f\u00fcr Thermodynamik der Universit\u00e4t Dortmund wurde bereits eine Freikolben-Vuilleumier-Versuchsmaschine durch Umbau einer vorhandenen getriebegesteuerten W\u00e4rmepumpe realisiert. Die dabei aufgetretenen experimentellen Probleme, insbesondere die der Regelung, F\u00fchrung und Zentrierung der Kolbenschwingung unter weitgehender Vermeidung thermodynamischer Verluste, konnten in dem begrenzten zeitlichen und finanziellen Rahmen nicht gel\u00f6st werden. In dem o. g. BMBF-Projekt, in das der Lehrstuhl f\u00fcr Thermodynamik eingebunden ist, wurde daher zun\u00e4chst die klassische Getriebe-bauweise weiterverfolgt.
\nIn dem hier beschriebenen F\u00f6rdervorhaben sollen zu Beginn im Rahmen einer Literaturrecherche die f\u00fcr Freikolben-Stirling-Maschinen bereits existierenden bzw. dokumentierten L\u00f6sungsans\u00e4tze f\u00fcr die genannten Probleme im Hinblick auf ihre \u00dcbertragbarkeit auf Vuilleumier-Maschinen analysiert und auf dieser Grundlage ggf. eigene, modifizierte bzw. weiterentwickelte Ans\u00e4tze theoretisch entwickelt werden. Parallel dazu soll die noch existierende o. g. Versuchsanlage wieder in Betrieb genommen werden, um die aufgetretenen Probleme experimentell noch eingehender untersuchen zu k\u00f6nnen. Anschlie\u00dfend soll die Anlage dazu dienen, die Effekte konstruktiver Ver\u00e4nderungen und damit die Realisierbarkeit und Wirksamkeit der theoretisch entwickelten Verbesserungsvorschl\u00e4ge zu untersuchen, wobei hier ggf. bewusst Kompromisse mit dem thermodynamischen Betriebsverhalten eingegangen werden sollen.
\nDie hierbei gewonnenen Erkenntnisse sollen in der zweiten H\u00e4lfte der Projektlaufzeit dann in eine grundlegende Neukonstruktion einflie\u00dfen, wobei jetzt auf Grund der im Vergleich zur alten, bestehenden Anlage gr\u00f6\u00dferen konstruktiven Freiheiten eine Auslegung angestrebt wird, die sich sowohl thermodynamisch als auch schwingungs- und regelungstechnisch so vorteilhaft verh\u00e4lt, dass insgesamt ein Fortschritt gegen\u00fcber der Getriebebauweise erzielt wird.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Durch Verallgemeinerung der mathematischen Modellierung wurde das theoretische Verst\u00e4ndnis f\u00fcr das Schwingungssystem vertieft, so dass aus der Vielzahl m\u00f6glicher Konfigurationen systematisch die Erfolg versprechendsten ausgew\u00e4hlt werden konnten. Das Problem der Kolbendrift wurde durch eine aktive Regelung mittels eines elektronisch gesteuerten Schaltventils gel\u00f6st, wobei die gegenw\u00e4rtige Entwicklung von Piezo-Ventilen in der KFZ-Technik eine Perspektive f\u00fcr eine hinsichtlich Kosten und Lebensdauer serientaugliche Umsetzung bietet. Das zun\u00e4chst unbefriedigende Start- und Betriebsverhalten der zu Projektbeginn vorhandenen Versuchsmaschine konnte in mehreren Optimierungsschritten den Erfordernissen des praktischen Heizungsbetriebes angepasst werden. So ist ein Start unter allen praktisch zu erwartenden Randbedingungen zuverl\u00e4ssig m\u00f6glich, und die maximale Heizleistung l\u00e4sst sich auch bei hohem Temperaturhub bis ca. 70\u00b0C erreichen.
\nDas zur verschlei\u00dffreien Kolbenlagerung favorisierte Konzept der statischen Gaslager ist nach wie vor als Erfolg versprechender Weg zu beurteilen, obwohl deren Funktion in der neu entwickelten Versuchsmaschine bislang nur anhand weniger im Teillastbereich durchgef\u00fchrter Betriebsstunden qualitativ beurteilt werden kann. Der Versuch, mittels eines separaten Pr\u00fcfstandes zu quantitativen Ergebnissen zur Belastbarkeit derartiger Lager zu gelangen, musste aus Zeitgr\u00fcnden zugunsten der Fertigstellung und Inbetriebnahme der neuen W\u00e4rmepumpen-Versuchsanlage abgebrochen werden, zumal angesichts der bereits erfolgten Verl\u00e4ngerungen des Projektes kein zeitlicher Spielraum mehr bestand. Versuche, von einschl\u00e4gigen Fachleuten auf dem Gebiet der Gaslagerung Hilfestellung zu erhalten, schlugen ebenfalls fehl, da diese sich praktisch ausschlie\u00dflich mit der Lagerung rotierender Wellen und mit gasdynamischen Lagern befassen. Translatorisch oszillierende, statische Gaslager unter Helium-Atmosph\u00e4re scheinen ein Spezialgebiet zu sein, auf dem weltweit lediglich einige wenige, im Bereich der Stirling-Freikolbentechnik arbeitende Firmen, \u00fcber einschl\u00e4giges Know-how verf\u00fcgen, das sie aus verst\u00e4ndlichen, kommerziellen Gr\u00fcnden nicht preisgeben. Es ist somit festzuhalten, dass das Problem der verschlei\u00dffreien Kolbenlagerung offensichtlich bei der Antragstellung zu diesem Projekt untersch\u00e4tzt wurde, wenn auch der eingeschlagene L\u00f6sungsweg auf Grund der vorliegenden Zwischenergebnisse nach wie vor als Erfolg versprechend einzustufen ist und – vorzugsweise gemeinsam mit einem industriellen Kooperationspartner – weiter verfolgt werden sollte.
\nZur L\u00f6sung der genannten Probleme wurden im Laufe dieses Projektes mehrere Versuchsmaschinen realisiert und experimentell untersucht, wobei zun\u00e4chst eine zu Beginn des Projektes bereits vorhandene Maschine (FPV2-303) als Grundlage diente und in mehreren Umbauschritten weiterentwickelt wurde. Die hierbei erzielten o. g. Probleml\u00f6sungen flossen schlie\u00dflich in die Neuentwicklung der Versuchsmaschine FPV4 ein, die zum Ende des Projektes erfolgreich in Betrieb genommen wurde. Wegen der genannten experimentellen Schwierigkeiten im Bereich der statischen Gaslager konnte eine umfassende experimentelle Ermittlung des Betriebsverhaltens dieser Maschine im Zeitrahmen dieses Projektes nicht mehr durchgef\u00fchrt werden. Die vorliegenden Messpunkte zeigen jedoch eine gute \u00dcbereinstimmung mit den entsprechenden Simulationsergebnissen.
\nDamit stehen zum Abschluss des Projektes zwei funktionsf\u00e4hige Versuchsanlagen als experimentelle Basis f\u00fcr eine Weiterf\u00fchrung der Entwicklung hin zu einem praktisch einsetzbaren, marktf\u00e4higen Produkt zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die jeweils erzielten Ergebnisse wurden kontinuierlich auf einschl\u00e4gigen Tagungen (International Stirling Engine Conference, Europ\u00e4isches Stirling Forum, Thermodynamik-Kolloquium) durch Vortrag und Beitrag zum Tagungsband ver\u00f6ffentlicht (Details im Quellenverzeichnis des Abschlussberichts). Die Tagungen wurden auch zur Kontaktaufnahme mit Industrievertretern genutzt, entsprechendes Interesse war aber stets rein informell. Erg\u00e4nzend wurden Grundlagen zum Vuilleumier-Prozess und Projektziele auch auf der Homepage des Lehrstuhls publiziert. Dar\u00fcber hinaus werden die Ergebnisse auch in der noch zu ver\u00f6ffentlichenden Dissertationsschrift von Dipl.-Ing. J. R\u00fcther ausf\u00fchrlich dokumentiert.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Das Ziel dieses Projektes, die Erarbeitung des f\u00fcr eine zuk\u00fcnftige kommerzielle Umsetzung der Vuilleumier-Freikolbentechnik in W\u00e4rmepumpen zur Geb\u00e4udeheizung erforderlichen Know-how, kann auf Grund der vorliegenden Ergebnisse in gro\u00dfen Teilen als erreicht bezeichnet werden. Lediglich im Be-reich der statischen Gaslager besteht noch Bedarf an weiterf\u00fchrenden, quantitativen Untersuchungen ihres Tragverhaltens, w\u00e4hrend insbesondere die Fragestellungen im Bereich der thermodynamischen sowie der w\u00e4rme-, str\u00f6mungs- und regelungstechnischen Auslegung und Gestaltung zufriedenstellend gekl\u00e4rt werden konnten. Abgesehen von einigen weiteren Detailoptimierungen u. der noch ausstehenden, umfassenden experimentellen Dokumentation der neuen Versuchsmaschine ist eine Weiterf\u00fchrung der Arbeiten nicht mehr als reines Hochschulprojekt, sondern nur mit Industriebeteiligung u. unter besonderer Ber\u00fccksichtigung fertigungs- u. produktionstechnischer Aspekte sinnvoll. Der erreichte Ent-wicklungstand mit zwei funktionsf\u00e4higen Versuchsanlagen u. dem im Verlaufe dieses Projektes erworbenen, f\u00fcr eine kommerzielle Produktentwicklung verf\u00fcgbaren Know-how bietet hierf\u00fcr eine gute Grundlage.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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