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Optimierte irreversible Thermodynamik: Modell einer stochastischen WärmekraftmaschineLeonhardt, Karsten 18 August 2009 (has links) (PDF)
Für mikroskopische Teilchen, die sich durch eine
überdämpfte Fockker-Planck-Gleichung beschreiben
lassen, werden thermodynamische Größen definiert.
Es wird ein Ausdruck für die irreversible Arbeit
berechnet. Weiterhin wird ein Kreisprozess konstruiert
und für diesen der Wirkungsrad am Punkt maximaler
Leistung berechnet.
Als Spezialfall wird dann ein Teilchen in einem
harmonischen Potential betrachtet.
Alle Ergebnisse stammen bereits aus einer
Veröffentlichung, es werden jedoch hier alle
Berechnungen angegeben.
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Optimierte irreversible Thermodynamik: Modell einer stochastischen WärmekraftmaschineLeonhardt, Karsten 18 August 2009 (has links)
Für mikroskopische Teilchen, die sich durch eine
überdämpfte Fockker-Planck-Gleichung beschreiben
lassen, werden thermodynamische Größen definiert.
Es wird ein Ausdruck für die irreversible Arbeit
berechnet. Weiterhin wird ein Kreisprozess konstruiert
und für diesen der Wirkungsrad am Punkt maximaler
Leistung berechnet.
Als Spezialfall wird dann ein Teilchen in einem
harmonischen Potential betrachtet.
Alle Ergebnisse stammen bereits aus einer
Veröffentlichung, es werden jedoch hier alle
Berechnungen angegeben.
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Untersuchungen zur Optimierung eines solaren Niedertemperatur-Stirlingmotors / Optimization of a solar low temperature Stirling engineChen, Dejin 14 January 2005 (has links) (PDF)
Das Ziel der vorliegenden Dissertationsschrift bestand darin, für die äquatornahen Regionen mit hoher solarer Einstrahlung einen solaren Niedertemperatur-Stirlingmotor zu entwickeln, berechnen, konstruieren und fertigen, experimentelle Untersuchungen durchzuführen sowie die Ergebnisse auszuwerten. Des Weiteren war im Rahmen dieser Arbeiten die Gültigkeit der Schmidt-Theorie für den Niedertemperatur-Stirlingmotor zu überprüfen. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurden drei Varianten des solaren Niedertemperatur-Stirlingmotors(Stirlingmotor III, IV und IV-A)konstruiert und gefertigt sowie mit Hilfe eines Sonnensimulators (800 W / m2) getestet. Zur Ermittlung der Heißgastemperatur wurde ein mathematisches Modell erstellt, dessen Gültigkeit für den solaren Niedertemperatur-Stirlingmotor durch umfangreiche Experimente bestätigt werden konnte. Die Voraussetzungen der Schmidt-Theorie sind relativ ideal und bei dem solaren Niedertemperatur-Stirlingmotor nicht erfüllt. Trotzdem ist die Schmidt-Theorie auch auf den Stirlingmotor anwendbar. Eine vereinfachte Beziehung zur Berechnung der Leistung (Gl. 3.80) wurde abgeleitet und experimentell überprüft. Die Leistungsoptimierung erfolgte unter Berücksichtigung des Einflusses von Phasenwinkel, Verdichtungsverhältnis und Drehzahl. Der optimale Bereich des Phasenwinkels liegt zwischen 60° und 100°, empfohlen wird ein Winkel von 90°. Der optimale Drehzahlbereich liegt zwischen 18 und 25 U / min. Solare Niedertemperatur-Stirlingmotoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie immer die maximal mögliche mechanische Leistung abgeben, indem die Drehzahl sinkt und die Heißgastemperatur steigt. Die Reduzierung des Totvolumens ist für die Leistung des Niedertemperatur-Stirlingmotors von großer Bedeutung. So konnte durch das Einbringen eines Verdrängers in den Arbeitskolben die mechanische Leistung um etwa 10 % gesteigert werden. Weiterhin konnte experimentell nachgewiesen werden, dass sowohl das Anbringen der Abdeckungsfolie als auch der Einsatz eines Regenerators wichtige Voraussetzungen für den stabilen Betrieb des solaren Niedertemperatur-Stirlingmotors sind. Beim Stirlingmotor IV-A wurde neben der kontinuierlichen auch die diskontinuierliche Bewegung des Verdrängers realisiert. Die durchgeführten Versuche haben ergeben, dass bei letzterer Bewegungsart das übertragbare mechanische Moment größer ist. Voraussetzung für die diskontinuierliche Bewegung ist ein massenloser Verdränger. Dieser wurde durch das Anbringen von Ausgleichsgewichten verwirklicht. Die entsprechenden experimentellen Arbeiten führten zu dem Ergebnis, dass im Durchschnitt eine um ca. 10 % höhere mechanische Leistung erzielt werden kann. Im Ergebnis der durchgeführten theoretischen und experimentellen Untersuchungen an den drei Varianten des solaren Niedertemperatur-Stirlingmotors kann festgestellt werden, dass mit der Maschine IV-A die günstigsten Parameter erreicht wurden. Vorteilhaft bei dieser Version sind insbesondere einfachere Fertigung, gute Abdichtung, kleinere Strömungsverluste sowie eine um etwa 2 K niedrigere Kaltgastemperatur. Der Stirlingmotor IV-A sollte Prototyp für Feldtest werden.
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Untersuchungen zur Optimierung eines solaren Niedertemperatur-StirlingmotorsChen, Dejin 26 November 2004 (has links)
Das Ziel der vorliegenden Dissertationsschrift bestand darin, für die äquatornahen Regionen mit hoher solarer Einstrahlung einen solaren Niedertemperatur-Stirlingmotor zu entwickeln, berechnen, konstruieren und fertigen, experimentelle Untersuchungen durchzuführen sowie die Ergebnisse auszuwerten. Des Weiteren war im Rahmen dieser Arbeiten die Gültigkeit der Schmidt-Theorie für den Niedertemperatur-Stirlingmotor zu überprüfen. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurden drei Varianten des solaren Niedertemperatur-Stirlingmotors(Stirlingmotor III, IV und IV-A)konstruiert und gefertigt sowie mit Hilfe eines Sonnensimulators (800 W / m2) getestet. Zur Ermittlung der Heißgastemperatur wurde ein mathematisches Modell erstellt, dessen Gültigkeit für den solaren Niedertemperatur-Stirlingmotor durch umfangreiche Experimente bestätigt werden konnte. Die Voraussetzungen der Schmidt-Theorie sind relativ ideal und bei dem solaren Niedertemperatur-Stirlingmotor nicht erfüllt. Trotzdem ist die Schmidt-Theorie auch auf den Stirlingmotor anwendbar. Eine vereinfachte Beziehung zur Berechnung der Leistung (Gl. 3.80) wurde abgeleitet und experimentell überprüft. Die Leistungsoptimierung erfolgte unter Berücksichtigung des Einflusses von Phasenwinkel, Verdichtungsverhältnis und Drehzahl. Der optimale Bereich des Phasenwinkels liegt zwischen 60° und 100°, empfohlen wird ein Winkel von 90°. Der optimale Drehzahlbereich liegt zwischen 18 und 25 U / min. Solare Niedertemperatur-Stirlingmotoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie immer die maximal mögliche mechanische Leistung abgeben, indem die Drehzahl sinkt und die Heißgastemperatur steigt. Die Reduzierung des Totvolumens ist für die Leistung des Niedertemperatur-Stirlingmotors von großer Bedeutung. So konnte durch das Einbringen eines Verdrängers in den Arbeitskolben die mechanische Leistung um etwa 10 % gesteigert werden. Weiterhin konnte experimentell nachgewiesen werden, dass sowohl das Anbringen der Abdeckungsfolie als auch der Einsatz eines Regenerators wichtige Voraussetzungen für den stabilen Betrieb des solaren Niedertemperatur-Stirlingmotors sind. Beim Stirlingmotor IV-A wurde neben der kontinuierlichen auch die diskontinuierliche Bewegung des Verdrängers realisiert. Die durchgeführten Versuche haben ergeben, dass bei letzterer Bewegungsart das übertragbare mechanische Moment größer ist. Voraussetzung für die diskontinuierliche Bewegung ist ein massenloser Verdränger. Dieser wurde durch das Anbringen von Ausgleichsgewichten verwirklicht. Die entsprechenden experimentellen Arbeiten führten zu dem Ergebnis, dass im Durchschnitt eine um ca. 10 % höhere mechanische Leistung erzielt werden kann. Im Ergebnis der durchgeführten theoretischen und experimentellen Untersuchungen an den drei Varianten des solaren Niedertemperatur-Stirlingmotors kann festgestellt werden, dass mit der Maschine IV-A die günstigsten Parameter erreicht wurden. Vorteilhaft bei dieser Version sind insbesondere einfachere Fertigung, gute Abdichtung, kleinere Strömungsverluste sowie eine um etwa 2 K niedrigere Kaltgastemperatur. Der Stirlingmotor IV-A sollte Prototyp für Feldtest werden.
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Performance Optima for Endoreversible Systems / Optima und Grenzen von Leistungsmerkmalen Endoreversibler SystemeBurzler, Josef Maximilian 08 January 2003 (has links) (PDF)
Theoretical bounds for performance measures of thermodynamical systems are
investigated under conditions of finite times and rates of processes using
endoreversible models. These models consist of reversible operating
sub-systems which exchange energy via generally irreversible interactions.
Analytical and numerical calculations are performed to obtain performance optima
and respective optimized process and design parameters for four model systems.
A heat engine where the heat transfer between the working fluid and heat reservoirs
is described by generalized, polytropic process is optimized for
maximum work output. Thermal efficiencies, optimal values for temperatures and
process times of the heat transfer processes are determined.
A model of a generalized system suited to describe the operation of heat
engines, refrigerators, and heat pumps is optimized with respect to thermal
efficiency. Several examples illustrate how the results of the analysis are
used to allocate financial resources to the heat exchanger inventory in
an optimal way.
A power-producing thermal system which exchanges heat with several heat
reservoirs via irreversible heat transfer processes is analyzed to find the
optimal contact times between the working fluid and each of the reservoirs.
The piston motion of a Diesel engine is optimized to achieve maximum work
for a given amount of fuel. The endoreversible model of the Diesel engine
accounts for the temporal variations of the heat produced by the combustion
process, the basic flow pattern within the engine's cylinder, the
temperature dependence of the viscosity, thermal conductivity, and heat
capacity of the working fluid and losses due to friction and heat leak
through the cylinder walls. / Theoretische Grenzen für verschiedene Leistungsmerkmale von
thermodynamischen Systemen werden unter der Bedingung endlicher Zeiten und
Prozessraten im Rahmen endoreversibler Modelle untersucht. Diese Modelle
bestehen aus reversiblen Subsystemen, welche über allgemein irreversible
Wechselwirkungen Energie austauschen.
Analytische und nummerische Berechnungen quantifizieren diese Grenzen und
liefern optimale Prozess- und Konstruktionsparameter für vier Modellsysteme.
Für eine auf maximale Ausgangsarbeit optimierte Wärmekraftmaschine, bei der
die Wärme zwischen Arbeitsmedium und Wärmereservoirs während allgemeiner
polytroper Zustandsänderungen des Arbeitsmediums übertragen wird, werden
optimale Temperaturen und Zeiten für die Wärmeübertragungsprozesse sowie die
thermischen Wirkungsgrade bestimmt.
Für ein wirkungsgrad-optimiertes Modell eines verallgemeinerten thermischen
Umwandlungssytems, das sowohl Wärmekraftmaschinen, Kühler und Wärmepumpen
beschreibt, wird die optimale Verteilung von Investitionskosten auf die
Wärmetauscher ermittelt und die Anwendung der allgemeingültigen
Ergebnisse anhand mehrerer Beispiele demonstriert.
Für eine Wärmekraftmaschine mit mehreren Wärmereservoirs wird bestimmt,
welche der Wärmereservoirs wie lange kontaktiert werden müssen, um eine
maximale Ausgangsarbeit zu erzielen.
Für einen Dieselmotor wird die Kolbenbewegung so optimiert, dass bei
gegebener Treibstoffmenge eine maximale Ausgangsarbeit erzielt wird. Das
endoreversible Modell des Dieselmotors berücksichtigt die
Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Viskosität
des Arbeitsfluids, die Zeitabhängigkeit des Verbrennungsprozesses sowie
Reibungs- und Wärmeverluste.
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Performance Optima for Endoreversible SystemsBurzler, Josef Maximilian 28 January 2002 (has links)
Theoretical bounds for performance measures of thermodynamical systems are
investigated under conditions of finite times and rates of processes using
endoreversible models. These models consist of reversible operating
sub-systems which exchange energy via generally irreversible interactions.
Analytical and numerical calculations are performed to obtain performance optima
and respective optimized process and design parameters for four model systems.
A heat engine where the heat transfer between the working fluid and heat reservoirs
is described by generalized, polytropic process is optimized for
maximum work output. Thermal efficiencies, optimal values for temperatures and
process times of the heat transfer processes are determined.
A model of a generalized system suited to describe the operation of heat
engines, refrigerators, and heat pumps is optimized with respect to thermal
efficiency. Several examples illustrate how the results of the analysis are
used to allocate financial resources to the heat exchanger inventory in
an optimal way.
A power-producing thermal system which exchanges heat with several heat
reservoirs via irreversible heat transfer processes is analyzed to find the
optimal contact times between the working fluid and each of the reservoirs.
The piston motion of a Diesel engine is optimized to achieve maximum work
for a given amount of fuel. The endoreversible model of the Diesel engine
accounts for the temporal variations of the heat produced by the combustion
process, the basic flow pattern within the engine's cylinder, the
temperature dependence of the viscosity, thermal conductivity, and heat
capacity of the working fluid and losses due to friction and heat leak
through the cylinder walls. / Theoretische Grenzen für verschiedene Leistungsmerkmale von
thermodynamischen Systemen werden unter der Bedingung endlicher Zeiten und
Prozessraten im Rahmen endoreversibler Modelle untersucht. Diese Modelle
bestehen aus reversiblen Subsystemen, welche über allgemein irreversible
Wechselwirkungen Energie austauschen.
Analytische und nummerische Berechnungen quantifizieren diese Grenzen und
liefern optimale Prozess- und Konstruktionsparameter für vier Modellsysteme.
Für eine auf maximale Ausgangsarbeit optimierte Wärmekraftmaschine, bei der
die Wärme zwischen Arbeitsmedium und Wärmereservoirs während allgemeiner
polytroper Zustandsänderungen des Arbeitsmediums übertragen wird, werden
optimale Temperaturen und Zeiten für die Wärmeübertragungsprozesse sowie die
thermischen Wirkungsgrade bestimmt.
Für ein wirkungsgrad-optimiertes Modell eines verallgemeinerten thermischen
Umwandlungssytems, das sowohl Wärmekraftmaschinen, Kühler und Wärmepumpen
beschreibt, wird die optimale Verteilung von Investitionskosten auf die
Wärmetauscher ermittelt und die Anwendung der allgemeingültigen
Ergebnisse anhand mehrerer Beispiele demonstriert.
Für eine Wärmekraftmaschine mit mehreren Wärmereservoirs wird bestimmt,
welche der Wärmereservoirs wie lange kontaktiert werden müssen, um eine
maximale Ausgangsarbeit zu erzielen.
Für einen Dieselmotor wird die Kolbenbewegung so optimiert, dass bei
gegebener Treibstoffmenge eine maximale Ausgangsarbeit erzielt wird. Das
endoreversible Modell des Dieselmotors berücksichtigt die
Temperaturabhängigkeit der Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Viskosität
des Arbeitsfluids, die Zeitabhängigkeit des Verbrennungsprozesses sowie
Reibungs- und Wärmeverluste.
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