Thermomechanischer Motor zur Nutzung verbrennungsmotorischer Abwärme
Thermische Energiewandlungsprozesse werden für gewöhnlich von einer beträchtlichen Menge Abwärme begleitet, welche oft ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Ein Verbrennungsmotor wandelt beispielsweise nur etwa ein Drittel der ihm zugeführten Verbrennungswärme in nutzbare mechanische oder elektrische Energie um. Etwa zwei Drittel der chemischen Kraftstoffenergie werden als Abwärme abgegeben. Die Rückgewinnung von Energie aus dem verbrennungsmotorischen Abgas ist ein Weg, um den Kraftstoffverbrauch zu senken und zu einer vernünftigen Verwendung der Energieressourcen beizutragen.
Die vorliegende Dissertationsschrift hat die Analyse und Entwicklung einer neuen und bisher kaum erforschten Technologie – den Pulsrohrmotor – zum Ziel, der für niedrigtemperierte Abwärme 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 aufzuklären und Vorhersagen über 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 ermöglicht.
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 – für dessen Funktion essentiell ist. Es wird analytisch bewiesen, dass der Pulsrohrmotor intrinsisch irreversibel arbeitet. Eine Relation für das zum Betrieb der Maschine minimal benötigte Temperaturverhältnis von Wärmequelle zu Wärmesenke wird analytisch abgeleitet und anhand des im Labor aufgebauten Pulsrohrmotors experimentell bestätigt.
Aus den theoretischen und experimentellen Leistungsdaten werden die Eigenschaften des Pulsrohrmotors bestimmt und Beschränkungen 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 erhöhen, werden Vorschläge für ein verbessertes Design geschlussfolgert und für die Entwicklung eines leistungsstarken Pulsrohrmotors benutzt. Weiterhin wird das Potential des Pulsrohrmotors für dessen Anwendung in der Rückgewinnung verbrennungsmotorischer Abgasenergie diskutiert und mit dem thermoelektrischen Energiewandler verglichen.