Analysis and development of the pulse tube engine

Moldenhauer, Stefan GND

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.

Thermal energy conversion processes are usually accompanied by considerable amounts of waste heat, which are often released into the environment unutilized. An internal combustion engine, for instance, only converts about one third of the supplied combustion heat into usable mechanical or electrical energy. About two third of the fuel's chemical energy are released as waste heat. Recovering energy from the exhaust gas of an internal combustion engine is one way to reduce fuel consumption and to contribute to a reasonable use of energy resources.This PhD dissertation aims to analyze and develop a new and to date rarely investigated technology - the pulse tube engine - with respect to its applicability for low grade waste heat recovery. To do so, this work consists of a theoretical and an experimental part. An analytical and a numerical simulation model of the pulse tube engine are developed and used to clarify its thermodynamic working principle and to predict its power output and efficiency under variation of design features and operating conditions. The results of the theoretical investigations are used to build an experimental pulse tube engine at a laboratory scale. It uses pressurized helium as working gas and is equipped with a high number of sensors for the measurement of temperature, pressure and power, which enables a comparison of the measured engine performance with the theoretical predictions.In this work, it is shown for the first time that the combination of a pulse tube and a regenerator results in a thermodynamic asymmetry, which forms the underlying working principle of the pulse tube engine, and the regenerator is - in contrast to the Stirling engine - essential for its functioning. It is proven analytically that the pulse tube engine's operation is intrinsically irreversible. A relation for the minimal necessary temperature ratio of heat source to heat sink, which enables the engine to operate, is derived analytically and confirmed experimentally using the built laboratory-scale pulse tube engine.From the theoretical and experimental performance results, the properties of the pulse tube engine are derived and limitations for its efficiency are outlined. The pulse tube engine built to laboratory scale has a maximum net power output of 6 W at a net efficiency of 8 %. In order to increase power output and efficiency, suggestions for an advanced design are concluded and used for the development of a powerful pulse tube engine. Furthermore, the potential of the pulse tube engine for its application in energy recovery from the internal combustion engine's exhaust gas is discussed and compared to that of the thermoelectric energy converter.

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Moldenhauer, Stefan: Analysis and development of the pulse tube engine. 2013.

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