Technik

Die Technik

Neuartiges Doppelzylinder-Konstruktionsprinzip macht Strom aus Abwärme unter 150 °C möglich
Bekannte Basis
Die Idee, Kraft aus Wärme zu erzeugen, ist nicht neu. Die Brüder James und Robert Stirling bauten bereits im Jahr 1815 den ersten, nach Ihnen benannten Motor.
Auch werden schon seit einigen Jahren Stirling-Motoren zur Erzeugung von Strom mittels Kraft-Wärme-Kopplung angeboten (z.B. Blockheizkraftwerke von Senertec, Viessmann und Vaillant). Die hier eingesetzten, leistungsfähigen Stirling-Motoren arbeiten allerdings durchweg im Hochtemperaturbereich von 450 °C – 750 °C und sind daher für die Nutzung von Wärme im Niedrigtemperaturbereich nicht verwendbar.
Ebenfalls nicht neu ist die Idee, Kraft aus Wärme im Niedrigtemperaturbereich zu gewinnen. Schon im Jahr 1983 wurde von Professor Kolin an der Universität Zagreb der erste Niedrigtemperatur-Stirling-Motor in Form eines Flachplatten-Motors entwickelt, allerdings mit sehr geringer Leistung. Anschließend arbeiteten sehr viele Forschungsinstitute und Tüftler an Niedrigtemperatur-Stirling-Motoren, allerdings mit wenig Erfolg.
Bis heute findet man Niedertemperatur-Stirling-Motoren nur als Demonstrationsmodelle, eine leistungsfähige Anlage zur Erzeugung von Strom aus Wärme mit weniger als 150 ° C wurde bisher nicht vorgestellt.
Stand der Technik
Bei einem Niedrigtemperatur-Stirling-Motor wird ein Arbeitsgas (z.B. Luft oder Helium) in einem ersten Zylinder (Verdrängerzylinder) zwischen einer „Heißen Seite“ und einer „Kalten Seite“ abwechselnd hin und her bewegt und damit abwechselnd erhitzt und abgekühlt. Dies führt zu einem im Zeitablauf wechselnden Druck im System. Die daraus resultierenden Druckdifferenzen werden mittels eines zweiten Zylinders (Arbeitszylinder) in Rotationsenergie umgesetzt.
Bei allen bis heute bekannten Niedrigtemperatur-Stirling-Motoren wird die von Kolin im Jahr 1983 vorgestellte „Flachplattenbauweise“ verwendet, um möglichst große Konvektionsflächen zur Erwärmung bzw. Kühlung des Arbeitsgases zu erreichen. D.h. die Erwärmung des Arbeitsgases erfolgt mittels einer „Heißen Platte“, die Kühlung durch eine „Kalte Platte“.
Skizze Flachplatten-Stirling-Motor
Bisherige Versuche, mit Niedrigtemperatur-Stirling-Motoren eine verwertbare Leistung zu erreichen, basieren auf einer Maximierung der Konvektionsflächen von „Kalter Platte“ und „Heißer Platte“ und somit einem sehr großen Verdrängerzylinder-Durchmesser (bis zu 160 cm). Die Nachteile so großer Verdrängerzylinder und damit auch Verdrängerkolben liegen auf der Hand:
  • Die enorm große Kolbenfläche führt zu einem hohen Luftwiderstand und somit relativ kleiner Drehzahl des Motors.
  • Der Verdrängerkolben muss relativ dick und damit schwer sein, um nicht durch Verbiegen an der Zylinderwand anzustoßen oder gar hängen zu bleiben. Dies bedeutet viel unnötig bewegte Masse und schmälert die Leistung zusätzlich.
Neuartiges, patentrechtlich geschütztes Konstruktionsprinzip
Die Nachteile sehr großer Verdrängerzylinder beseitigt das neue, patentrechtlich geschützte Doppelzylinder-Konstruktionsprinzip von MACH 1881:
Je 2 Verdrängerzylinder werden zu einem Doppelzylinder in Boxer- oder Stapel-Bauweise kombiniert und beliebig viele Doppelzylinder zu Doppelzylinder-Paketen.

Boxer-Bauweise
Stapel-Bauweise
Paket-Bauweise
Die neuartige Doppelzylinder-Bauweise führt gegenüber der konventionellen Flachplatten-Bauweise neben einer Reduzierung der Baugröße zu folgenden Ergebnissen.
  • Drehzahlsteigerung,
  • Minimierung unnötig bewegter Masse,
  • Minimierung von Reibungsverlusten,
  • Maximierung der Nutzung der zugeführten thermischen Energie,
  • und damit Maximierung der Leistung.
Eine weitere Stärke der Konzeption von MACH 1881 ist die Skalierbarkeit. Fast beliebig viele Doppelzylinder-Motoren können zu einem Motor zusammengefügt werden, um damit die jeweilige Leistungsanforderung zu erfüllen.
Stand der Umsetzung
Ein Labor-Prototyp von MACH 1881 mit 2 Verdränger-Doppelzylindern und 2 doppeltwirkenden Arbeitszylindern in Boxer-Bauweise wurde realisiert und intensiv getestet.
Dieser Labor-Prototyp zeigt folgende Ergebnisse:
  • Das Konstruktionsprinzip ist funktionsfähig, selbst unter schwierigsten Laborbedingungen.
  • Der Motor läuft ohne Schwungrad, ist selbstanlaufend (d.h. er startet ohne Anlasser) und benötigt keinerlei elektronische Steuerung.
  • Die tatsächliche Leistung entspricht fast exakt der geplanten, die mit einem speziell entwickelten Simulationsprogramm berechnet wurde.
  • Weiterhin wird ein West-Faktor (Maß für die Leistung eines Stirling-Motors) von annähernd 2,0 erreicht wird, was in vielen renommierten Fachbüchern als unmöglich angesehen wird.
MACH 1881 macht somit möglich, was schon lange versucht, aber nie erreicht wurde: Wertvoller Strom aus wertloser Niedrigtemperatur-Abwärme (unter 150 °C).
MACH 1881 Labor-Prototyp
Real einsetzbarer Motor mit Leistung 500 Watt
Stellt man an einen real einsetzbaren Motor die Anforderungen
  • Leistung min. 500 Watt mechanisch,
  • Temperaturdifferenz Heizung / Kühlung max. 110 – 120 °C und
  • überschaubare Baugröße,
so liefern Berechnungen auf Basis des speziell entwickelten Simulationsprogramms folgende Dimensionierung:
  • 4 Verdrängerzylinderpakete mit je 3 Doppelzylindern (Durchmesser 50 cm) und
  • 4 doppeltwirkende Arbeitszylinder (Durchmesser 20 cm).
Die Baugröße wird (einschließlich Gehäuse) bei ca. 1,10 m x 1,10 m x 0,60 m liegen. 
Frontansicht
Draufsicht
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