Projekt 11887/01

Weiterentwicklung u. Optimierung des Freikolbenkonzeptes für Vuilleumier-Wärmepumpen

Projektdurchführung

Technische Universität DortmundFakultät BCILehrstuhl für Thermodynamik
Emil-Figge-Str. 70
44227 Dortmund

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Um das erhebliche CO2-Reduktionspotenzial im Bereich der Gebäudeheizung zu erschließen, wurde im Rahmen eines BMBF-Verbundprojektes an der Entwicklung einer Vuilleumier-Wärmepumpe gearbeitet. Das hier zur Kolbensteuerung eingesetzte Getriebe verursacht Verschleiß- und Reibungsprobleme und trägt merklich zu den Herstellungskosten bei. Zielsetzung dieses Vorhabens ist die Übertragung der vom Stirlingmotor bekannten Freikolbenbauweise auf dieses neuartige Heizungssystem. Damit würde dessen Attraktivität und Konkurrenzfähigkeit und somit auch dessen zukünftige Verbreitung erhöht werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAm Lehrstuhl für Thermodynamik der Universität Dortmund wurde bereits eine Freikolben-Vuilleumier-Versuchsmaschine durch Umbau einer vorhandenen getriebegesteuerten Wärmepumpe realisiert. Die dabei aufgetretenen experimentellen Probleme, insbesondere die der Regelung, Führung und Zentrierung der Kolbenschwingung unter weitgehender Vermeidung thermodynamischer Verluste, konnten in dem begrenzten zeitlichen und finanziellen Rahmen nicht gelöst werden. In dem o. g. BMBF-Projekt, in das der Lehrstuhl für Thermodynamik eingebunden ist, wurde daher zunächst die klassische Getriebe-bauweise weiterverfolgt.
In dem hier beschriebenen Fördervorhaben sollen zu Beginn im Rahmen einer Literaturrecherche die für Freikolben-Stirling-Maschinen bereits existierenden bzw. dokumentierten Lösungsansätze für die genannten Probleme im Hinblick auf ihre Übertragbarkeit auf Vuilleumier-Maschinen analysiert und auf dieser Grundlage ggf. eigene, modifizierte bzw. weiterentwickelte Ansätze 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 können. Anschließend soll die Anlage dazu dienen, die Effekte konstruktiver Veränderungen und damit die Realisierbarkeit und Wirksamkeit der theoretisch entwickelten Verbesserungsvorschläge zu untersuchen, wobei hier ggf. bewusst Kompromisse mit dem thermodynamischen Betriebsverhalten eingegangen werden sollen.
Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse sollen in der zweiten Hälfte der Projektlaufzeit dann in eine grundlegende Neukonstruktion einfließen, wobei jetzt auf Grund der im Vergleich zur alten, bestehenden Anlage größeren konstruktiven Freiheiten eine Auslegung angestrebt wird, die sich sowohl thermodynamisch als auch schwingungs- und regelungstechnisch so vorteilhaft verhält, dass insgesamt ein Fortschritt gegenüber der Getriebebauweise erzielt wird.


Ergebnisse und Diskussion

Durch Verallgemeinerung der mathematischen Modellierung wurde das theoretische Verständnis für das Schwingungssystem vertieft, so dass aus der Vielzahl möglicher Konfigurationen systematisch die Erfolg versprechendsten ausgewählt werden konnten. Das Problem der Kolbendrift wurde durch eine aktive Regelung mittels eines elektronisch gesteuerten Schaltventils gelöst, wobei die gegenwärtige Entwicklung von Piezo-Ventilen in der KFZ-Technik eine Perspektive für eine hinsichtlich Kosten und Lebensdauer serientaugliche Umsetzung bietet. Das zunächst 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 zuverlässig möglich, und die maximale Heizleistung lässt sich auch bei hohem Temperaturhub bis ca. 70°C erreichen.
Das zur verschleißfreien 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 durchgeführter Betriebsstunden qualitativ beurteilt werden kann. Der Versuch, mittels eines separaten Prüfstandes zu quantitativen Ergebnissen zur Belastbarkeit derartiger Lager zu gelangen, musste aus Zeitgründen zugunsten der Fertigstellung und Inbetriebnahme der neuen Wärmepumpen-Versuchsanlage abgebrochen werden, zumal angesichts der bereits erfolgten Verlängerungen des Projektes kein zeitlicher Spielraum mehr bestand. Versuche, von einschlägigen Fachleuten auf dem Gebiet der Gaslagerung Hilfestellung zu erhalten, schlugen ebenfalls fehl, da diese sich praktisch ausschließlich mit der Lagerung rotierender Wellen und mit gasdynamischen Lagern befassen. Translatorisch oszillierende, statische Gaslager unter Helium-Atmosphäre scheinen ein Spezialgebiet zu sein, auf dem weltweit lediglich einige wenige, im Bereich der Stirling-Freikolbentechnik arbeitende Firmen, über einschlägiges Know-how verfügen, das sie aus verständlichen, kommerziellen Gründen nicht preisgeben. Es ist somit festzuhalten, dass das Problem der verschleißfreien Kolbenlagerung offensichtlich bei der Antragstellung zu diesem Projekt unterschätzt wurde, wenn auch der eingeschlagene Lösungsweg auf Grund der vorliegenden Zwischenergebnisse nach wie vor als Erfolg versprechend einzustufen ist und - vorzugsweise gemeinsam mit einem industriellen Kooperationspartner - weiter verfolgt werden sollte.
Zur Lösung der genannten Probleme wurden im Laufe dieses Projektes mehrere Versuchsmaschinen realisiert und experimentell untersucht, wobei zunächst eine zu Beginn des Projektes bereits vorhandene Maschine (FPV2-303) als Grundlage diente und in mehreren Umbauschritten weiterentwickelt wurde. Die hierbei erzielten o. g. Problemlösungen flossen schließlich 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 durchgeführt werden. Die vorliegenden Messpunkte zeigen jedoch eine gute Übereinstimmung mit den entsprechenden Simulationsergebnissen.
Damit stehen zum Abschluss des Projektes zwei funktionsfähige Versuchsanlagen als experimentelle Basis für eine Weiterführung der Entwicklung hin zu einem praktisch einsetzbaren, marktfähigen Produkt zur Verfügung.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die jeweils erzielten Ergebnisse wurden kontinuierlich auf einschlägigen Tagungen (International Stirling Engine Conference, Europäisches Stirling Forum, Thermodynamik-Kolloquium) durch Vortrag und Beitrag zum Tagungsband veröffentlicht (Details im Quellenverzeichnis des Abschlussberichts). Die Tagungen wurden auch zur Kontaktaufnahme mit Industrievertretern genutzt, entsprechendes Interesse war aber stets rein informell. Ergänzend wurden Grundlagen zum Vuilleumier-Prozess und Projektziele auch auf der Homepage des Lehrstuhls publiziert. Darüber hinaus werden die Ergebnisse auch in der noch zu veröffentlichenden Dissertationsschrift von Dipl.-Ing. J. Rüther ausführlich dokumentiert.


Fazit

Das Ziel dieses Projektes, die Erarbeitung des für eine zukünftige kommerzielle Umsetzung der Vuilleumier-Freikolbentechnik in Wärmepumpen zur Gebäudeheizung erforderlichen Know-how, kann auf Grund der vorliegenden Ergebnisse in großen Teilen als erreicht bezeichnet werden. Lediglich im Be-reich der statischen Gaslager besteht noch Bedarf an weiterführenden, quantitativen Untersuchungen ihres Tragverhaltens, während insbesondere die Fragestellungen im Bereich der thermodynamischen sowie der wärme-, strömungs- und regelungstechnischen Auslegung und Gestaltung zufriedenstellend geklärt werden konnten. Abgesehen von einigen weiteren Detailoptimierungen u. der noch ausstehenden, umfassenden experimentellen Dokumentation der neuen Versuchsmaschine ist eine Weiterführung der Arbeiten nicht mehr als reines Hochschulprojekt, sondern nur mit Industriebeteiligung u. unter besonderer Berücksichtigung fertigungs- u. produktionstechnischer Aspekte sinnvoll. Der erreichte Ent-wicklungstand mit zwei funktionsfähigen Versuchsanlagen u. dem im Verlaufe dieses Projektes erworbenen, für eine kommerzielle Produktentwicklung verfügbaren Know-how bietet hierfür eine gute Grundlage.