Damals war "Kraft-Wärme-Kopplung" bzw. "Strom-Wärme-Kopplung" (wie es richtig heißen müsste) noch ein Fremdwort. Wer schon davon gehört hatte, assozierte das immer mit großem technischem Aufwand, Unwirtschaftlichkeit, stinkenden Abgasen, Umständlichkeit, extrem hohen Wartungsaufwand und Lärm. Der damals weitestgehend unbekannte Stirlingmotor schien jedoch aus mancherlei Gründen für diese Technologie ganz besonders gut geeignet zu sein. Die evangelische Studentengemeinde in München griff meine Diplomarbeit auf und verbreitete das Wissen um diesen Motor. Seither gilt diese Maschine zu Recht als geradezu prädestiniert für den dezentralen stationären Einsatz.
Zur Arbeitsweise: P274 interpretiert Ihren "Notiz-Zettel" (siehe unten); d.h., Sie füllen die beigefügte ASCII-Arbeitsdatei mit den technischen Daten Ihres beabsichtigten Motors aus, versehen Sie mit Kommentaren und präsentieren diese Datei dann P274. Es sucht sich die Parameter zusammen und berechnet damit Ihren Motor. Die Vorgaben und Ergebnisse werden an diese Datei angefügt. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, daß Sie sich von Anfang an in einem Editor Ihrer Wahl und damit in vertrauter Umgebung befinden. Die einzelnen Parameter werden an Ort und Stelle kommentiert und erklärt. Eigene "Eselsbrücken" können einfach eingefügt werden. Wenn nur wenige Parameter geändert werden sollen, müssen auch nur diese wenigen geändert werden - der Rest bleibt einfach stehen. Sollte vor lauter Variantenberechnungen einmal der "Faden gerissen" sein, so sind die alten Ergebnisse (falls sie nicht eigens gelöscht wurden) mitsamt ihren Vorgaben, Datum und Uhrzeit immernoch vorhanden. Dieser "Notiz-Zettel" ist auch hervorragend dafür geeignet, Lieferanten und Besonderheiten bei der Motorentwicklung zu notieren. Er kann also als kompaktes und "intelligentes" Logbuch angesehen werden.
Ein nicht zu unterschätzender Vorteil dieses Verfahrens gegenüber Tabellenkalkulationen u.ä. (auch Mathcad) ist, daß die Formeln zwar sehr gut einseh- und veränderbar sind; da jedoch Formeln und Daten in unterschiedlichen Dateien stehen, ist es sehr unwahrscheinlich, daß die Formeln VERSEHENTLICH verändert werden. Schließlich arbeitet man mit P274 eigentlich nur mit den Daten während P274 immer nur sehr kurz aktiv wird.
P274 wird mit 48,- DM weit unter dem realen Wert verkauft. Der Viebach-Stirlingmotor wurde mit diesem Programm optimiert. Motor und Programm konnten sich so gegenseitig verbessern. Sie können es gleich per e-Mail an mich bestellen . Sollten Sie professionell in die Entwicklung des Stirlingmotors einsteigen wollen - es existiert auch noch eine wesentlich ausgefeiltere Variante mit statistischer Parameteroptimierung auf Basis einer Evolutionsstrategie. Veränderbare Parameter werden dann durch je zwei Werte (untere und obere Grenze) angegeben. Die Erfahrung zeigt, daß nach der Berechnung von rund 200 zufälligen Motoren ein sehr gutes Optimum gefunden ist. Das dauert nur wenige Sekunden bis Minuten. Mit 48,- DM kann dieses Programm jedoch verständlicherweise nicht mehr bezahlt werden, weil es gar nicht so viele Interessenten geben kann, die damit den Aufwand bezahlen könnten. Der Preis ist dann Verhandlungssache.
Konstruktionsbüro Dieter Viebach, Spielhanstr. 17, 83059 Kolbermoor, Tel. u. Fax. 08031/97727. Vertrieb eines Gußteilesatzes für einen 350-Watt-Gamma-Stirlingmotor, der mit P274 optimiert wurde. Dieser kann hier per e-Mail zum Preis von 950,- DM + MwSt. bestellt werden.
Martini, W. R. "Stirling Engine Design Manual", 1978, DOE/NASA/3152-78/1. Enthält ein umfangreiches FORTRAN-Programm. Prägte die Begriffe "First Order, Second Order und Third Order" Berechnung sowie "Alpha-, Beta- und Gammatyp" Motoren.
Schmelz, Friedrich "Die Leistungsformel des Stirlingmotors" ISBN 3-928671-07-3 DM 19,80. Kann hier per e-Mail gleich bestellt werden. Diese Berechnungsmethode ist die Basis für P274. Diese Schrift und das Programm passen deshalb optimal zusammen.
Schmelz, Friedrich "Die Wärmeübertragung im Stirlingmotor" ISBN 3-928671-13-8 DM 12,80. Kann hier per e-Mail gleich bestellt werden. .
Walker, Graham "Stirling Engines", Clarendon Press, Oxford, England 1980 - Die "Bibel" in Sachen Stirlingmotor.
Werdich, M. "Stirling-Maschinen, Grundlagen, Technik, Anwendung" ISBN 3-922 964-35-4. Ist zum deutschsprachigen Einstiegs-Standardwerk geworden.
Um den Stirlingmotor voranzubringen, ist die Dezentralisierung der
Stromwirtschaft eine der wichtigsten Voraussetzungen. Wie diese
erreicht werden kann, habe ich in dem Buch "Der gangbare Weg in die
regenerative Energiewirtschaft" (ISBN
3-928671-02-2) beschrieben. Es kann hier für DM 32,- bestellt
werden.
Die Seiten ASTROHS, Bahntaxi und Umwelt sollten Sie in diesem
Zusammenhang ebenfalls lesen.
e-Mail: Christoph.Mueller@astrail.de
ASTROHS
Railtaxi (war Bahntaxi)
Umwelt
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Müller
Formular für die Berechnung eines
STIRILINGMOTORS
nach F. Schmelz
vom 24.8.1994
ISBN 3-928671-07-3, Polygon-Verlag Buxheim Eichstätt
für die Auswertung mit P274, erstellt vom
Ing.-Büro
Christoph Müller Tel.: 49+ 0841/61883
Weisbergerlstr. 8 Fax: 49+ 0841/62004
D-85055 Ingolstadt
Anleitung:
Kopieren Sie diese Datei. Machen Sie ÄNDERUNGEN NUR IN DEN KOPIEN!
Im KOMMENTARTEIL können beliebige Bemerkungen niedergeschrieben werden. Er
endet, wenn eine Zeile mit mindestens 40 "-"-Zeichen beginnt.
Im darauf folgenden VARIABLENTEIL werden die Motordaten angegeben. Auch hier
können Kommentare angegeben werden; sie dürfen jedoch NICHT AM ZEILENANFANG
beginnen. Kommt eine Variable mehrfach vor, so gilt grundsätzlich die letzte
Zuweisung. Fehlen Variablen oder deren Werte, so erfolgt keine Berechnung.
Die fehlenden Variablen werden am Bildschirm angezeigt und an das aktuelle
Formular angefügt. Der Variablenteil ist zu Ende, wenn eine Zeile mit
mindestens 40 "="-Zeichen beginnt.
Der ERGEBNISTEIL wird von P274 an die aufgerufene Datei angefügt. Er wird mit
einer Zeile eingeleitet, die mit mindestens 40 "="-Zeichen beginnt. (P274
erzeugt eine Zeile mit 60 "="-Zeichen.)
******************************************************************************
Bei der Berechnung sind zwei Fälle zu unterscheiden:
Fall N: Neuentwicklung eines Motors
Fall W: Weiterentwicklung eines Motors
******************************************************************************
Die Benutzerlizenz für P274.BAS mit MUSTER.TXT und LIESMICH.TXT kosten
zusammen 48,50 DM, die ehrliche Menschen bitte auf das Konto 5 24 72 59 der
Sparkasse Ingolstadt, BLZ 721 500 00 überweisen wollen. Ohne das Bezahlen
der Lizenz benutzen Sie eine Raubkopie, was entsprechend verfolgt wird. Wenn
Sie über geplante Weiterentwicklungen informiert werden wollen, schreiben
Sie mir bitte und legen einen adressierten Freiumschlag bei.
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Variablenteil
Zulässige Dezimaltrennzeichen sind . und ,
Nach der Variablen bitte ein Leerzeichen.
Wenn unmittelbar nach der numerischen Variablen Kommentare folgen
sollen, dürfen sie nur mit Literalen - nicht mit Zahlen beginnen.
Motorbezeichnung: Viebach ST 05 G
Die Motorbezeichnung wird im Ergebnisteil wiederholt.
TYP GAMMA
Entsprechend der drei grundsätzlich möglichen Stirlingmotoren sind
die Typen ALPHA, BETA oder GAMMA einzusetzen. Der Inhalt der Variablen
TYP bestimmt die Berechnungsmethode für den angegebenen Motortyp.
d1 9,6
Durchmesser des Verdrängerkolbens in cm
d2 8
Durchmesser des Arbeitskolbens in cm
s1 7,5
Kurbeldurchmesser des Verdrängerkolbens in cm
s2 7,5
Kurbeldurchmesser des Arbeitskolbens in cm
ALPHA 90
Voreilwinkel des heißen Verdrängerkolbens in Grad
(Kelvin = Temperatur in Grad Celsius + 273,15)
T1 575
(=302+273)
mittlere Heißgastemperatur in Kelvin
Diese Temperatur ist äußerst schwierig zu ermitteln (vgl. Broschüre Schmelz
S.3) Meist ist man auf Schätzungen angewiesen. Direkt am Erhitzer außen
gemessen ergibt i.d.R. viel zu hohe Temperaturen, die das Arbeitsgas nicht
annimmt. Beim ST 05 G von Viebach wurden z.B. 773 K gemessen. Für das
Arbeitsgas wird aber nur 603 K geschätzt.
Nach einer Daumenregel von Ivo Kolin wirkt sich die Temperaturdifferenz
(T1 - T2) mit der dritten (!) Potenz auf die Motorleistung aus! Die am
wenigsten bekannte Größe hat somit den größten Einfluß auf die Berechnung.
T2 397
(=124+273)
mittlere Kaltgastemperatur in Kelvin
Die Meßprobleme sind vergleichbar mit T1.
T0 293
(=20+273)
Aufladetemperatur in Kelvin
p0 10
Aufladedruck bei stehendem kalten Motor und maximalem Arbeitsvolumen in bar.
(Notwendig, um die wirksame Arbeitsgasmasse zu berechnen.)
Vs 540
Schädliches Volumen in ccm
Wind 84
Indikatorarbeit (Ws bzw. Joule), die z.B. durch Ausplanimetrieren eines
vorhandenen pV-Diagramms ermittelt wurde.
Im Fall einer Neuentwicklung (N) nicht gegeben.
Peffgem 350
gemessene mechanische Leistung des Motors in Watt.
Im Fall einer Neuentwicklung (N) nicht gegeben.
n 425
gemessene oder erwartete Drehzahl des Motors in Upm
R 287
spezielle Gaskonstante in J/(kg*K)
Luft 287,0
Stickstoff 296,8
Helium 2078,0
Wasserstoff 4124,4
Kohlendioxid 296,8
eta-m
mechanischer Wirkungsgrad
muß im Fall einer Neuentwicklung (N) geschätzt werden.
Als erster Anhalt für Neukonstruktionen können dienen
alpha-Ridermotor 0,43
beta-Lehmannmotor 0,64
gamma-Laubereaumotor 0,46
neuere Motoren (geschätzt) 0,75...0,85
fg
Gütefaktor
muß im Fall einer Neuentwicklung (N) geschätzt werden.
Als erster Anhalt für Neukonstruktionen können dienen
alpha-Ridermotor 0,51
beta-Lehmannmotor 0,51
gamma-Laubereaumotor 0,50
neuere Motoren (geschätzt) 0,65...0,80
Fehlt dieser Wert, muß Wind bekannt sein.
Pheiz 3317
Die von der Wärmequelle bereitgestellte LEISTUNG in Watt.
Im Fall einer Neuentwicklung (N) nicht gegeben.
Pheiz = Brennstoffmasse * Hu / Zeit (Zeit z.B. Sekunden)
Beispiel: m=0,263 kg (Butan)
Hu=45,4 MJ/kg
t=1 h = 3600 s
Pheiz=0,263*45,4*e6/3600=3317 (Watt)
Heizwerttabelle nach dem Heizwert Hu, also ohne Wasserdampfkondensation.
Stoff: Dichte kg/m³: Hu in MJ/m³ (bei 0°C und 101,3 kPa):
Hu in MJ/kg:
Wasserstoff 0,0899 10,8 120,13
Äthan 1,36 64,5 47,5
Methan 0,72 35,9 47,5
Motorenmethan 0,915 41,9 45,6
Propan 2,0096 93,4 46,5
Butan 2,732 124 45,4
Flüssiggas 0,545 108,4 46,1
Stadtgas ca. 0,6 15,9...20,5 26,5...34,2
Erdgas 0,83 47,7
Generatorgas 3,8... 5,4 3,8...5,4
Kohlenmonoxid 10,1
Klärgas (Faulgas, ungereinigt) 27,2
Klärgas (Faulgas, gereinigt) 37,7
Heizöl ca. 41
Petroleum ca. 40,8
Äthylalkohol 27
Methylalkohol 19,5
Dieselkraftstoff 38...43
Benzin ca. 42
Benzin (paraffinisch) 43,5
Benzin (naphtenisch) 43,5
Motorenbenzol 40,2
Braunkohlenteeröl 41
Steinkohlenteeröl 37,7
Leindotteröl 30,5
Rapsöl 36
Palmöl ca. 42
Sojaöl ca. 37
Yatrophal cal 36
(http://www.fnca.jp/english/mini/report/e_ins.pdf 22.4.2006)
Sonnenblumenöl
Purgiernußöl
Generatorholz 14,7
Generatorholzkohle 29,4
Generatortorf 14,7
Generatortorfkoks 31,8
Generatorbraunkohle stückig 28,5
Generatorbraunkohle brikett 20
Generatorbraunkohle schwelkoks 23
Generator-Steinkohlenschwelkoks 29,3
Generator-Anthrazit 33,5
Holz trocken 16
Holz frisch 8,4
Holzkohle ca. 31
Steinkohle 27...32
Anthrazit 31
Koks 26,5
Braunkohle, hart 17
Torf, lufttrocken ca. 14
Reisschalen
Stroh
Nußschalen
Kokosnußfasern
============================================================
Berechnung vom 18.05.1995 um 09:30:45 mit P274 vom 2.9.94
(Weiterentwicklung eines Motors)
Hier steht bei regulär erworbenen Programmen die
Registriernummer. (Quasi "Autonummer", ohne die sich
keiner erwischen lassen sollte.)
Es hat folgende Basisdaten verstanden:
Motorbezeichnung: Viebach ST 05 G
Motortyp: GAMMA
(1) d1 = 9.6 cm (2) d2 = 8 cm
(3) s1 = 7.5 cm (4) s2 = 7.5 cm
(5) ALPHA = 90° (6) T1 = 575 K
(7) T2 = 397 K (8) T0 = 293 K
(9) p0 = 10 bar (10) Vs = 540 ccm
(11) Wind = 84 Joule (12) Pheiz = 3317 Watt
(13) Peffgem = 350 Watt (14) n = 425 Upm
R = 287 J/(kg*K)
Ergebnisse
----------
(15) heißes, maximal bewegtes Volumen 543 ccm
(16) kaltes, maximal bewegtes Volumen 377 ccm
(17) gesamtes, maximales Volumen.................. 1460 ccm
(18) Gasmasse in kg 0.0174
(19) epsilon 0.6944
(20) epsilon-s 0.9947
(21) epsilon-0 2.6892
(22) epsilon-v 1.3481
(23) tau..........................................0.6904
(24) tau-0 1.3549
(25) 2s 1.6251
(26) sigma 0.6244
(27) Groß-A 0.6970
(28) Groß-B 3.9400
(29) delta........................................0.1769
(30) kdelta 0.0160
ß in Grad (vgl. (31), tan ß in Brosch. Schmelz) 63.6305
(32) sin ß 0.8959
(33) Stirlingleistung 1877 Watt
(Dem Arbeitsgas zugeführte Wärmeleistung)
(34) Schmidtleistung Ps 899 Watt
(35) Indikatorleistung............................ 595 Watt
(36) Carnotwirkungsgrad 0.31
(37) Schmidtfaktor 0.48
(38) Gütefaktor 0.66
(39) innerer Wirkungsgrad 0.32
(40) mechanischer Wirkungsgrad 0.59
(41) effektive gerechn. Leistung Peff in Watt 350
Der mechanische Wirkungsgrad eta-m und der Gütefaktor fg
sind BERECHNETE Werte (Weiterentwicklung eines Motors).
(42) äußerer thermischer Wirkungsgrad 0.57
(Stirlingleistung / Heizleistung)
(43) effektiver Gesamtwirkungsgrad 0.11