Der Stirling-Kreislauf

Der Stirling-Kreisprozess ist ein thermodynamischer Kreisprozess, der 1816 von dem schottischen Minister Robert Stirling erfunden wurde. Er wurde als Motor eingesetzt und galt damals als geeigneter Ersatz für die Dampfmaschine, da Dampfkessel zu lebensgefährlichen Explosionen neigten. Das Gegenstück zur Stirlingmaschine, die Kältemaschine, wurde erstmals 1832 entdeckt. Beide Maschinen erlebten im 19. Jahrhundert Höhen und Tiefen. Nach der Erfindung der Verbrennungsmotoren (Gas-, Benzin- und Dieselmotoren) und der Kompressor-Kühlschränke mit externer Verdampfung geriet das Prinzip der Maschinen fast in Vergessenheit.

Im Jahr 1938 suchte das berühmte niederländische Philips-Forschungslabor nach einer Möglichkeit, Stromgeneratoren für Kurzwellen-Kommunikationssysteme in abgelegenen Gebieten ohne Stromversorgung zu betreiben. Der fast vergessene Stirlingmotor erregte ihre Aufmerksamkeit.
Im Jahr 1946 begann Philips mit der Optimierung des Stirlingprozesses für die Tieftemperaturkühlung. Das Ergebnis war die Entwicklung des weltberühmten Stirling-Kryogenerators, der den Beginn bedeutender kryogener Aktivitäten bei Philips markierte. Obwohl der Stirling-Motor selbst nie ein kommerzieller Erfolg wurde, wurde der Stirling-Kryogenerator weltweit zu Tausenden verkauft und in Geräten und Projekten von der Antarktis bis zum Nordpol eingesetzt.

Stirling-Wirkungsgrad

Der Stirling-Kryogenerator ist im Vergleich zu anderen kryogenen Kühlkreisläufen sehr effizient. Der Carnot-Wirkungsgrad beträgt 30% bei 77 K, was zu einem hohen praktischen Gesamtwirkungsgrad führt, der definiert ist als die für die Anwendung verfügbare Kälteleistung in Watt geteilt durch die elektrische Eingangsleistung in kW. Abhängig von der Anwendungstemperatur variiert der Gesamtwirkungsgrad des Stirling Kryogenerators zwischen 10% für LN2 Anwendungen und über 20% für LNG Systeme.

Der Stirling-Kryogenerator

Das zentrale Element aller Anlagen der Stirling-Kryotechnik ist der Stirling-Kreislauf-Kryogenerator. Das Besondere am Stirling-Kreislauf ist, dass es sich um einen geschlossenen Kreislauf handelt, bei dem das interne Arbeitsgas (He) des Kryogenerators nie mit der zu kühlenden Flüssigkeit in Berührung kommt; die Verbindung besteht lediglich über den Wärmefluss durch die Wärmetauscherwand. Durch dieses Konzept wird eine Kontamination des Kundenprozesses und des Arbeitsgases des Stirlingkreislaufes vermieden, was zu einer langen Lebensdauer und Langlebigkeit führt.

Im Stirlingkreislauf wird eine bestimmte Menge Helium in einem geschlossenen Kreislauf abwechselnd komprimiert und entspannt. Die Kompression erfolgt bei Umgebungstemperatur, um die Abführung der bei der Kompression entstehenden Wärme zu erleichtern, während die Expansion bei der für die Anwendung erforderlichen kryogenen Temperatur erfolgt.

Zur Veranschaulichung kann der Prozess in vier verschiedene Kolbenpositionen unterteilt werden, die in Abbildung 1 dargestellt sind. In Position I befindet sich das gesamte Helium bei Raumtemperatur im Raum D. In Position II wird dieses Gas durch den Kolben B verdichtet, wodurch die Gastemperatur auf etwa 80 °C ansteigt (siehe Abbildung 2, Spalte 1). Wenn sich der Verdränger C von Position II nach III bewegt, wird das Gas von Raum D nach Raum E verdrängt und zunächst durch den Kühler H gepresst, wo die Kompressionswärme an das Kühlwasser abgegeben wird, wodurch die Gastemperatur auf etwa 15 °C sinkt (Spalte 2). Anschließend durchströmt das Helium den Regenerator G. Mit Hilfe der im Regenerator gespeicherten Kälte aus dem vorhergehenden Zyklus wird das Heliumgas bei seiner Ankunft in der Kammer E auf nahezu die endgültige Arbeitstemperatur abgekühlt (Spalte 3). Der letzte und wichtigste Vorgang ist die Bewegung des Verdrängers und des Kolbens nach unten in die Position IV, wodurch das Heliumgas expandiert. Diese Expansion erzeugt die eigentliche Kühlleistung im kalten Wärmetauscher J (Spalte 4) und kühlt den Kundenprozess.

Um einen neuen Zyklus zu starten, bewegt sich der Verdränger in die Position I und verdrängt das Helium wieder in den Raum D. Der Regenerator wird durch das durchströmende Helium gekühlt (Spalte 3) und speichert die Kälte, die im nächsten Zyklus genutzt wird. Das Helium wird wieder auf nahezu Raumtemperatur erwärmt, so dass die Ausgangssituation des Zyklus wiederhergestellt ist und der Zyklus wiederholt werden kann. Dieser Zyklus wird in der Regel mit 25 Hz wiederholt, um eine kontinuierliche Wärmeabfuhr zu gewährleisten.

Beim Warmstart kühlt sich der Kryogenerator zunächst selbst ab und baut im Regenerator einen Kältepuffer auf (Spalte 3). Diese Abkühlung dauert nur ca. 10 Minuten und ermöglicht ein schnelles Anfahren des gesamten Prozesses.

Leaflet

The Stirling Cycle
The Stirling Cycle 2-stage