Theoretische und experimentelle Untersuchung thermischer Verluste im Kolbenspalt regenerativer Gaskreisprozesse

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Hans-Detlev Kühl
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 255045250

In einem früheren DFG-Projekt wurde eine zwischen Stirlingmotor (KWK-System), Vuilleumier-Wärmepumpe und einem sog. Hybrid-Betrieb mit anteiliger Stromerzeugung und Wärmepumpenwirkung umschaltbare Maschine erstmals im Labormaßstab realisiert. Gewisse systematische Abweichungen zwischen Messdaten und Simulationsergebnissen führten dabei zu Zweifeln an der Verlässlichkeit der bislang verwendeten, vereinfachten analytischen Näherungen für die sog. Kolbenspaltverluste, die durch eine kritische Prüfung der zugrunde liegenden vereinfachenden Annahmen gestützt wurden. Sie waren der Anlass für die Beantragung dieses Projektes, in dem durch direkte Messungen der zeit- und ortsabhängigen Gastemperaturprofile im Kolbenspalt erstmals eine experimentelle Grundlage für eine verlässliche numerische Modellierung sowie eine Verbesserung der verfügbaren analytischen Näherungen für die besagten Verlustmechanismen geschaffen werden soll. Hierzu wurde zum einen ein verfügbares eindimensional-differentielles Simulationsprogramm für die direkte numerische Modellierung von Kolbenspalten erweitert und erfolgreich getestet. Zum anderen wurde die im o. g. Projekt entwickelte Versuchsmaschine, die sich wegen ihrer aufgrund ähnlichkeitstheoretischer Skalierung vergrößerten Spaltabmessungen hierfür ideal eignet, mit Feindraht-Thermoelement-Messfühlern ausgestattet. Nach Abschluss der erforderlichen Umbauten und Erweiterungen der Anlage und ihrer Peripherie konnten bereits erste zeitlich hoch aufgelöste Gastemperaturmessungen erfolgreich durchgeführt werden. Da das Projekt zunächst nicht für die gesamte beantragte Laufzeit bewilligt wurde, wird der vorliegende Fortsetzungsantrag zu dem Zweck gestellt, die nunmehr möglichen experimentellen Untersuchungen unter Variation der relevanten Parameter durchzuführen und auf der Grundlage der Messergebnisse verbesserte, Berechnungsmodelle für die Beschreibung der radialen und axialen Energietransportmechanismen im Kolbenspalt zu entwickeln und in dem verfügbaren, entsprechend erweiterten Programm zu validieren. Hierbei kann insbesondere auch die mit dieser Versuchsanlage mögliche Umschaltung zwischen Stirling-, Vuilleumier- und ggf. Hybrid-Betrieb vorteilhaft genutzt werden, da sie zusätzlichen Aufschluss über den Einfluss von Amplitude und Phasenlage des Prozessdruckes ermöglicht. Zusätzlich ist vorgesehen, zur Auswertung der erhaltenen Messdaten eine CFD-Modellierung des oszillierend umströmten Messfühler-Drahtes durchzuführen, da dieser - entgegen früheren Erfahrungen mit gleichartigen, wenn auch an anderer Stelle im Prozess durchgeführten Messungen - der Gastemperatur offenbar nicht in allen Fällen verzögerungsfrei folgt. Ziel des Projektes ist letztlich die Bereitstellung von experimentell abgesicherten, auch von anderen Anwendern für die eindimensional-numerische Simulation nutzbaren Berechnungsgrundlagen sowie von daraus abgeleiteten, universellen Auslegungsgleichungen für die optimale Kolbenspaltgeometrie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen