Theoretical and Experimental Investigation of Thermal Losses in the Appendix Gap of Regenerative Gas Cycles
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projekts wurden die sogenannten Kolbenspaltverluste – thermische Verluste im Ringspalt zwischen Kolben und Zylinder in regenerativen Maschinen, die mehr als 10% der Heizleistung letzterer ausmachen können und sich vor allem durch eine optimale Auslegung der Spaltweite reduzieren lassen – erstmals direkt experimentell untersucht. Dazu wurde eine bestehende, zwischen verschiedenen Prozessen umschaltbare Versuchsmaschine um radial verstellbare Feindrahtthermoelementmessfühler zur zeitlich hochauflösenden Messung der zyklisch veränderlichen Gastemperaturen sowie Thermoelemente zur Messung der stationären Wandtemperaturen erweitert. Dabei zeigte sich, dass es am offenen Ende des Spalts zu einem zyklischen Eindringen turbulenter Wirbel aus dem Zylinderraum kommt, die während der kurzen Verweilzeit im Spalt nicht vollständig abklingen. In der axialen Mitte des Spalts konnte dagegen eine laminare Strömung und eine gute Übereinstimmung der gemessenen mit analytisch vorhergesagten Gastemperaturen festgestellt werden. Somit konnte erstmals ein analytisches Modell zur Berechnung der Kolbenspaltverluste experimentell verifiziert werden. Mithilfe dieses nun verifizierten Modells konnten anschließend Berechnungsgleichungen für den Wärmeübergang zwischen dem Gas und den Wänden im Spalt zur Anwendung in einer 1-dimensionalen numerischen Simulation abgeleitet werden. Diese wurden in einen modular aufgebauten Simulationscode zur Berechnung regenerativer Maschinen implementiert, der im Rahmen dieses Projekts um eine differentielle Simulation des Spalts erweitert wurde, und mit bestehenden Modellierungsansätzen für den Wärmeübergang verglichen. Dabei stellte sich heraus, dass die Annahme parabolischer Temperaturprofile in radialer Richtung im Spalt bei der Modellierung des Wärmeübergangs zu einer zufriedenstellenden Simulationsgenauigkeit führt. Es wurde außerdem gezeigt, dass eine solche 1-dimensionale Simulation sich besonders durch die wechselseitige Verknüpfung der Verluste mit dem Gesamtprozess auszeichnet und damit einen entscheidenden Vorteil bei der Auslegung dieser Maschinen bietet. Abschließend konnte experimentell – durch Umbau der Dichtungsgeometrie in der verwendeten Versuchsmaschine – und auch durch Simulation gezeigt werden, dass – wie mit dem analytischen Modell vorhergesagt – ein Stufensprung in der Zylinderwand oberhalb der Dichtungslauffläche zu einer deutlichen Reduzierung der Verluste im Kolbenspalt führen kann. Dabei kommt es aufgrund der so reduzierten volumetrischen Verdrängung der Dichtung zu einem geringeren zyklischen Gasaustausch zwischen dem Zylinderraum und dem Kolbenspalt und dadurch einem geringeren Enthalpiestromverlust – einem der beiden Hauptverlustmechanismen im Kolbenspalt. Zudem wurde – entgegen den Erwartungen – trotz einer geringeren volumetrischen Verdrängung des Kolbens experimentell eine gesteigerte Maschinenleistung beobachtet und durch Simulation bestätigt, die u.a. auf geringere Druckverluste und thermische Regeneratorverluste aufgrund geringerer Massenströme sowie eine teilweise Kompensation der verminderten thermischen Kompression durch selbstverstärkende Mechanismen zurückzuführen ist. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend wurde schließlich erstmalig eine einfache Gestaltungsregel für diesen Stufensprung hergeleitet und eine erweiterte und verbesserte analytische Vorschrift zur Auslegung der Spaltgeometrie in neuen regenerativen Maschinen entwickelt.
Publications
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Numerical Model for Stirling Cycle Machines Including a Differential Simulation of the Appendix Gap, Applied Thermal Engineering, Vol. 111, 2017, pp. 819–833
Sauer, J., and Kühl, H.-D.
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Analysis of unsteady gas temperature measurements in the appendix gap of a Stirling engine, Journal of Propulsion and Power, Vol. 34 (2018), 4, pp. 1039-1051
Sauer, J., and Kühl, H. D.
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Experimental investigation of Displacer Seal Geometry Effects in Stirling Cycle Machines, Energies, ISSN: 1996-1073, Vol. 12 (2019), No. 21, pp. 4215
Sauer, J., Kühl, H.D.
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Theoretically and Experimentally Founded Simulation of the Appendix Gap in Regenerative Machines, Applied Thermal Engineering
Sauer, J., Kühl, H.D.
