Isotherme Zustandsänderungen durch Flüssigkeitseinsdüsung

Kompressoren und Expansionsmaschinen erzielen mit isothermen Zustandsänderungen bestmögliche Wirkungsgrade. Eine isotherme Zustandsänderung ist eine Änderung von Druck und spezifischem Volumen bei konstanter Temperatur. Während der realen, nahezu adiabaten Verdichtung nimmt die Temperatur eines Gases zu. Bei hohen Druckverhältnissen muss das Gas mehrstufig verdichtet und zwischen den Verdichterstufen gekühlt werden.
Eine isotherme Kompression führt bei Verdichtern zum geringsten Energieaufwand und gleichzeitig zu einer niedrigeren Austrittstemperatur des verdichteten Gases. Bei der Expansion sinkt die Gastemperatur. Um ein Vereisen zu verhindern muss durch Verbrennung von fossilen Brennstoffen Wärme zugeführt werden. Bei Stirlingmotoren führt eine verbesserte Realisierung von isothermer Expansion und Kompression zu signifikant höheren Wirkungsgraden gegenüber heutigen Stirlingmotoren.
Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Optimierung eines Flüssigkeits-Einspritzsystems zur verbesserten Umsetzung von isothermen Zustandsänderungen.

Aktuelles:

Projektupdate September 2023 hier

Zur Realisierung einer isothermen Expansion bzw. Kompression muss während eines Hubs kontinuierlich im selben Umfang Wärme zu- bzw. abgeführt werden, wie das Gas technische Arbeit abgibt bzw. aufnimmt. Da ohne Temperaturdifferenz keine Wärme übertragen werden kann, ist die Umsetzung einer idealen isothermen Zustandsänderungen nicht möglich. Mithilfe der Flüssigkeitseinspritzung sollen bisher notwendige hohe Temperaturdifferenzen stark verringert und eine quasi-isotherme Zustandsänderung erreicht werden.
In Grundlagenversuchen konnte mit dem dargestellten Wärmeübergangs-Prüfstand nachgewiesen werden, dass durch Flüssigkeitseindüsung in Gasatmosphären quasi-isotherme Zustandsänderungen möglich werden. Die bisherigen Forschungsergebnisse wurden in der internationalen wissenschaftlichen Fachzeitschrift Applied Thermal Engineering veröffentlicht (zur Veröffentlichung). Der Wärmeübergang von Spray auf Gasatmosphären ist damit nachweislich ausreichend hoch, um in kurzer Zeit die benötigte Wärmemenge zu übertragen und gleichzeitig ist der energetische Aufwand für die Eindüsung so gering, dass damit die Gesamteffizienz in Arbeitsmaschinen und Motoren deutlich verbessert werden kann.

Die wärmetechnischen Vorarbeiten zum Nachweis effektiver Wärmeübertragung (Kühlung oder Aufheizung) durch Flüssigkeitseindüsung hat die Forschungsgruppe bisher mit eigenen angesparten Mitteln und durch private Spenden, als Ergebnis der Kickstarter-Kampagne "E-LISE: Electric-Liquid-Injection-Stirling-Engine" (Link zu Story und Video) vorangetrieben.

Zur weiteren Untersuchung wird ein Prüfstand mit bewegtem Kolben und interner Flüssigkeitsabscheidung konzipiert sowie eine Kreislaufführung der Flüssigkeit für den kontinuierlichen Dauereinsatz entwickelt.