Regenerator

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Ein Regenerator ist ein Wärmeübertrager, der abwechselnd von heißem und kaltem Gas durchströmt wird und die Wärme dabei zwischenspeichert. Er ist ein charakteristisches Element bei Siemens-Martin-Öfen und Stirlingmotoren.

Wegen des Regenerators erreicht der Stirlingmotor theoretisch den Carnot-Wirkungsgrad (höchstmöglicher Wirkungsgrad bei thermischen Prozessen). Er nimmt beim Abkühlen und beim Komprimieren des Arbeitsmediums einen Teil der Wärmeenergie auf, speichert sie zwischen und gibt sie bei Erwärmung und bei Expansion wieder an das Arbeitsmedium ab. Er besteht aus einem porösen oder faserigen Material, das in der Lage ist, ohne große Strömungsverluste schnell und viel Wärme zu speichern und genauso schnell wieder abzugeben.

Die Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe erfolgt innerhalb sehr kurzer Zeitspannen, da Stirling-Motoren meist in einem Drehzahlbereich von 300 - 4000 U/min betrieben werden. z.B. Bei einer Drehzahl von 1000 U/min verbleiben nur ca. 0,015 Sekunden für die Wärmeübertragung der Arbeitgaswärme auf den Regenerator. Aus diesem Grunde muss das Arbeitsgas an einer möglichst großen Oberfläche im Regenerator vorbei strömen können.

Um die Bedeutung eines Regenerators auf den Wirkungsgrad eines Stirling-Motors noch deutlicher zu machen, sei erwähnt, dass die zwischengespeicherte Wärmemenge im Regenenerator ungefähr dem 4-6 fachen der im Expansionsraum zugeführten Wärmemenge entspricht.

An den Regenerator in Stirling-Maschinen werden eine Reihe von sich widersprechenden Anforderungen gestellt.

• Die Wärmekapazität des Regenerators, die sicherstellt, dass die Temperatur des Regeneratormaterials sich nicht ändert, obwohl Wärme an das den Regenerator durchströmenden Arbeitsgas abgegeben bzw. von ihm aufgenommen wird, sollte möglichst groß sein. Der Regenerator müsste also möglich groß sein und aus einem Material mit hoher spezifischen Wärmekapazität bestehen. Der Lückengrad des Regenerators (sein Hohlraum) dagegen möglichst klein.

• Der Druckverlust des durchströmenden Gases sollte klein sein. Ideal wäre ein kleiner Regenerator mit großem Hohlraumanteil.

• Das Totvolumen im Regenerator sollte möglichst klein sein. Da wäre es Ideal einen kleinen Regenerator mit kleinem Hohlraumanteil.

• Der Wärmeübergang im Regenerator sollte möglichst groß sein. Das könnte mit einem großen Regenerator mit möglichst fein unterteiltem Material erreicht werden.

• Der Regenerator darf sich aber mit Abrieb aus der Maschine (z.B. Kolbenlauffläche) nicht zusetzen. Daher sollten die Strömungswege möglichst große freie Querschnitte aufweisen.

All diese Anforderungen lassen sich jedoch nicht vereinbaren.

Besonders geeignet für den Bau von Regeneratoren haben sich Drahtgewebe mit sehr kleinen Drahtdurchmesser von < 0,03 - 0,2 mm . Der Vorteil liegt dabei in der großen Oberfläche.

Die vielen erforderlichen Gewebelagen sind sehr aufwändig herzustellen. Daher bildet der Regenerator oft das teuerste Bauteil des Stirling-Motors.

• Lückengrad (Hohlraumanteil) berechnet sich aus:

Lg = Lückengrad , Vl = Leervolumen Regenerator, Vg = Gesamtvolumen