Theoretische und experimentelle Entwicklung und Optimierung von Regeneratoren mit axial veränderlicher Matrixstruktur zur Effizienzsteigerung regenerativer Kreisprozesse

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Hans-Detlev Kühl
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490755353

Regenerative Kreisprozesse, deren bekanntester Vertreter der sowohl rechtsläufig für Motoren als auch linksläufig für Kältemaschinen nutzbare Stirling-Prozess ist, eignen sich zur effizienten, dezentralen Energiewandlung, wobei vor dem Hintergrund der globalen Klimaerwärmung insbesondere Anwendungen im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung, der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung sowie thermisch angetriebener Wärmepumpen unter Nutzung erneuerbarer Energieformen wie z.B. Biomasse oder Solarenergie im Mittelpunkt des Interesses stehen. Bereits seit der Patentierung des Stirlingmotors (1816) ist bekannt, dass die thermodynamische Effizienz dieser Prozesse entscheidend von den namensgebenden Regeneratoren abhängt, die als thermische Energiespeicher eine nahezu verlustfreie periodische Überführung des Prozessgases zwischen unterschiedlichen Temperaturniveaus ermöglichen. Effiziente Regeneratoren erfordern insbesondere einen sehr guten Wärmeaustausch zwischen dem Prozessgas und der Speichermatrix bei zugleich möglichst geringem Strömungsdruckverlust und Totvolumen. Diese Anforderungen sollten über die gesamte Länge gleichermaßen erfüllt sein, obwohl sich die Strömungsbedingungen aufgrund ortsabhängig veränderlicher Massen- und Volumenströme sowie der oft über mehrere 100 K veränderlichen Temperatur und der von ihr stark abhängigen Stoffdaten erheblich verändern. Es ist somit naheliegend, die Matrixstruktur diesen in Strömungsrichtung variierenden Bedingungen durch entsprechende Veränderungen anzupassen. Obwohl die Optimierung von Regeneratoren seit vielen Jahrzehnten ein Forschungsschwerpunkt ist, wurde das Optimierungspotenzial axialer Veränderungen der Matrixstruktur insbesondere bei thermisch angetriebenen Prozessen bislang kaum untersucht. In diesem Projekt sollen daher solche Untersuchungen durchgeführt werden, wobei als Matrixmaterial wegen der vergleichsweise geringen Herstellungskosten vorrangig gesinterte Metallfaservliese betrachtet werden sollen, ebenso jedoch auch alternative Materialien. Dazu soll eine existierende, ähnlichkeitstheoretisch skalierte Versuchsmaschine eingesetzt werden, die wegen vergrößerter hydraulischer Durchmesser, eines gut zugänglichen, vergleichsweise langen heißen Regenerators und sonstiger konstruktiver Gründe hierfür sehr gute Voraussetzungen bietet. Am kälteren Ende der Matrix soll ein Feindraht-Thermoelement-Sensor installiert werden, um die Temperatur des ein- und ausströmenden Gases mit hoher zeitlicher Auflösung zu messen und so durch Integration des Enthalpiestroms den Regeneratorwirkungsgrad auf experimenteller Grundlage zu ermitteln. Durch Vergleich mit Regeneratoren einheitlicher Struktur sowie mit entsprechenden Simulationsergebnissen soll so das Optimierungspotenzial durch axiale Veränderungen der Matrixstruktur aufgezeigt und durch Bereitstellung experimentell verifizierter Modellierungsansätze sowie allgemeiner Auslegungsregeln ein Beitrag zur Steigerung der Effizienz regenerativer Kreisprozesse geleistet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen