Thermomechanischer Motor zur Nutzung verbrennungsmotorischer Abw\u00e4rme<\/p>\n
Thermische Energiewandlungsprozesse werden f\u00fcr gew\u00f6hnlich von einer betr\u00e4chtlichen Menge Abw\u00e4rme begleitet, welche oft ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Ein Verbrennungsmotor wandelt beispielsweise nur etwa ein Drittel der ihm zugef\u00fchrten Verbrennungsw\u00e4rme in nutzbare mechanische oder elektrische Energie um. Etwa zwei Drittel der chemischen Kraftstoffenergie werden als Abw\u00e4rme abgegeben. Die R\u00fcckgewinnung von Energie aus dem verbrennungsmotorischen Abgas ist ein Weg, um den Kraftstoffverbrauch zu senken und zu einer vern\u00fcnftigen Verwendung der Energieressourcen beizutragen.<\/p>\n
Die vorliegende Dissertationsschrift hat die Analyse und Entwicklung einer neuen und bisher kaum erforschten Technologie – den Pulsrohrmotor – zum Ziel, der f\u00fcr niedrigtemperierte Abw\u00e4rme angewandt werden soll. Um das zu erreichen, besteht diese Arbeit aus einem theoretischen und einem experimentellen Teil. Sowohl ein analytisches als auch ein numerisches Simulationsmodell des Pulsrohrmotors werden entwickelt, um sein thermodynamisches Arbeitsprinzip aufzukl\u00e4ren und Vorhersagen \u00fcber seine Leistung und Effizienz bei Variation von Design und Arbeitsbedingungen zu treffen. Die theoretischen Ergebnisse werden benutzt, um einen Experimentalpulsrohrmotor im Labor aufzubauen. Dieser verwendet unter Druck stehendes Helium als Arbeitsgas und ist mit einer Vielzahl von Sensoren zur Messung von Temperatur, Druck und Leistung ausgestattet, was einen Vergleich der gemessenen Motorleistung mit den theoretischen Vorhersagen erm\u00f6glicht.<\/p>\n
In der Arbeit wird erstmalig gezeigt, dass die Anordnung von Pulsrohr und Regenerator eine thermodynamische Asymmetrie bewirkt, welche den grundlegenden Funktionsmechanismus des Pulsrohrmotors darstellt und der Regenerator – im Gegensatz zum Stirlingmotor – f\u00fcr dessen Funktion essentiell ist. Es wird analytisch bewiesen, dass der Pulsrohrmotor intrinsisch irreversibel arbeitet. Eine Relation f\u00fcr das zum Betrieb der Maschine minimal ben\u00f6tigte Temperaturverh\u00e4ltnis von W\u00e4rmequelle zu W\u00e4rmesenke wird analytisch abgeleitet und anhand des im Labor aufgebauten Pulsrohrmotors experimentell best\u00e4tigt.<\/p>\n
Aus den theoretischen und experimentellen Leistungsdaten werden die Eigenschaften des Pulsrohrmotors bestimmt und Beschr\u00e4nkungen seiner Effizienz aufgezeigt. Der im Labor aufgebaute Pulsrohrmotor besitzt eine maximale Nettoleistung von 6 W bei einer Nettoeffizienz von 8 %. Um Leistung und Effizienz zu erh\u00f6hen, werden Vorschl\u00e4ge f\u00fcr ein verbessertes Design geschlussfolgert und f\u00fcr die Entwicklung eines leistungsstarken Pulsrohrmotors benutzt. Weiterhin wird das Potential des Pulsrohrmotors f\u00fcr dessen Anwendung in der R\u00fcckgewinnung verbrennungsmotorischer Abgasenergie diskutiert und mit dem thermoelektrischen Energiewandler verglichen.
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