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Programm P274 zur Berechnung von Stirlingmotoren nach F.Schmelz

"Historisches"

Im Jahre 1981, als ich meine erste Diplomarbeit "Der Stirlingmotor für den dezentralen stationären Energieeinsatz" an der FH München bei Prof. Dr. Anselm Vogel abgab, gab es nahezu keine Literatur zu diesem Motor. Nur wenige Broschüren, vorwiegend von Philips waren greifbar. Als echte Bücher gab es anfangs nur Martini und später - noch während der Diplomarbeit - kam der kanadische Professor Graham Walker dazu.

Damals war "Kraft-Wärme-Kopplung" bzw. "Strom-Wärme-Kopplung" (wie es richtig heißen müsste) noch ein Fremdwort. Wer schon davon gehört hatte, assozierte das immer mit großem technischem Aufwand, Unwirtschaftlichkeit, stinkenden Abgasen, Umständlichkeit, extrem hohen Wartungsaufwand und Lärm. Der damals weitestgehend unbekannte Stirlingmotor schien jedoch aus mancherlei Gründen für diese Technologie ganz besonders gut geeignet zu sein. Die evangelische Studentengemeinde in München griff meine Diplomarbeit auf und verbreitete das Wissen um diesen Motor. Seither gilt diese Maschine zu Recht als geradezu prädestiniert für den dezentralen stationären Einsatz.

P274

P274 ist in QBASIC geschrieben und als Quellcode verfügbar. QBASIC ist auf sämtlichen DOS-Computern verfügbar. Egal, ob das DOS nur emuliert ist oder direkt auf dem Prozessor läuft. P274 läuft deshalb auf nahezu jedem Computer - auch MAC und den meisten Großrechnern, da diese i.d.R. über einen DOS-Emulator mit QBASIC verfügen. Aus Gründen der Erschwinglichkeit wurde auf Eingabeschnickschnack weitestgehend verzichtet. Die Motoreigenschaften werden nach bestimmten Regeln einfach in eine Datei geschrieben. Diese Regeln erlauben es, dass zu jeder einzelnen Eingabe beliebige Kommentare geschrieben werden. Lieferanten, Überlegungen, warum welche Größe wie angenommen wurde, wie die Werte zustandekahmen usw. haben sich in dieser Datei als extrem nützlich erwiesen.

Zur Arbeitsweise: P274 interpretiert Ihren "Notiz-Zettel" (siehe unten); d.h., Sie füllen die beigefügte ASCII-Arbeitsdatei mit den technischen Daten Ihres beabsichtigten Motors aus, versehen Sie mit Kommentaren und präsentieren diese Datei dann P274. Es sucht sich die Parameter zusammen und berechnet damit Ihren Motor. Die Vorgaben und Ergebnisse werden an diese Datei angefügt. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, daß Sie sich von Anfang an in einem Editor Ihrer Wahl und damit in vertrauter Umgebung befinden. Die einzelnen Parameter werden an Ort und Stelle kommentiert und erklärt. Eigene "Eselsbrücken" können einfach eingefügt werden. Wenn nur wenige Parameter geändert werden sollen, müssen auch nur diese wenigen geändert werden - der Rest bleibt einfach stehen. Sollte vor lauter Variantenberechnungen einmal der "Faden gerissen" sein, so sind die alten Ergebnisse (falls sie nicht eigens gelöscht wurden) mitsamt ihren Vorgaben, Datum und Uhrzeit immernoch vorhanden. Dieser "Notiz-Zettel" ist auch hervorragend dafür geeignet, Lieferanten und Besonderheiten bei der Motorentwicklung zu notieren. Er kann also als kompaktes und "intelligentes" Logbuch angesehen werden.

Ein nicht zu unterschätzender Vorteil dieses Verfahrens gegenüber Tabellenkalkulationen u.ä. (auch Mathcad) ist, daß die Formeln zwar sehr gut einseh- und veränderbar sind; da jedoch Formeln und Daten in unterschiedlichen Dateien stehen, ist es sehr unwahrscheinlich, daß die Formeln VERSEHENTLICH verändert werden. Schließlich arbeitet man mit P274 eigentlich nur mit den Daten während P274 immer nur sehr kurz aktiv wird.

P274 wird mit 48,- DM weit unter dem realen Wert verkauft. Der Viebach-Stirlingmotor wurde mit diesem Programm optimiert. Motor und Programm konnten sich so gegenseitig verbessern. Sie können es gleich per e-Mail an mich bestellen . Sollten Sie professionell in die Entwicklung des Stirlingmotors einsteigen wollen - es existiert auch noch eine wesentlich ausgefeiltere Variante mit statistischer Parameteroptimierung auf Basis einer Evolutionsstrategie. Veränderbare Parameter werden dann durch je zwei Werte (untere und obere Grenze) angegeben. Die Erfahrung zeigt, daß nach der Berechnung von rund 200 zufälligen Motoren ein sehr gutes Optimum gefunden ist. Das dauert nur wenige Sekunden bis Minuten. Mit 48,- DM kann dieses Programm jedoch verständlicherweise nicht mehr bezahlt werden, weil es gar nicht so viele Interessenten geben kann, die damit den Aufwand bezahlen könnten. Der Preis ist dann Verhandlungssache.

Literatur, Adressen u. ä.

Ellen Schmidt, Technische Raritäten, Postfach 2006, D-61410 Oberursel, Fax 06171/59518 bietet umfangreiche Literatur, Modelle und Modellbausätze rund um den Stirlingmotor und ähnliche.  DIE Adresse für Literatur zu Stirlingmotoren - Ellen Schmidt

Konstruktionsbüro Dieter Viebach, Spielhanstr. 17, 83059 Kolbermoor, Tel. u. Fax. 08031/97727. Vertrieb eines Gußteilesatzes für einen 350-Watt-Gamma-Stirlingmotor, der mit P274 optimiert wurde. Dieser kann hier per e-Mail zum Preis von 950,- DM + MwSt. bestellt werden.

Martini, W. R. "Stirling Engine Design Manual", 1978, DOE/NASA/3152-78/1. Enthält ein umfangreiches FORTRAN-Programm. Prägte die Begriffe "First Order, Second Order und Third Order" Berechnung sowie "Alpha-, Beta- und Gammatyp" Motoren.

Schmelz, Friedrich "Die Leistungsformel des Stirlingmotors" ISBN 3-928671-07-3 DM 19,80. Kann hier per e-Mail gleich bestellt werden. Diese Berechnungsmethode ist die Basis für P274. Diese Schrift und das Programm passen deshalb optimal zusammen.

Schmelz, Friedrich "Die Wärmeübertragung im Stirlingmotor" ISBN 3-928671-13-8 DM 12,80. Kann hier per e-Mail gleich bestellt werden. .

Walker, Graham "Stirling Engines", Clarendon Press, Oxford, England 1980 - Die "Bibel" in Sachen Stirlingmotor.

Werdich, M. "Stirling-Maschinen, Grundlagen, Technik, Anwendung" ISBN 3-922 964-35-4. Ist zum deutschsprachigen Einstiegs-Standardwerk geworden.

Um den Stirlingmotor voranzubringen, ist die Dezentralisierung der Stromwirtschaft eine der wichtigsten Voraussetzungen. Wie diese erreicht werden kann, habe ich in dem Buch "Der gangbare Weg in die regenerative Energiewirtschaft" (ISBN 3-928671-02-2) beschrieben. Es kann hier für DM 32,- bestellt werden. Die Seiten ASTROHS, Bahntaxi und Umwelt sollten Sie in diesem Zusammenhang ebenfalls lesen.
e-Mail: Christoph.Mueller@astrail.de
ASTROHS
Railtaxi (war Bahntaxi)
Umwelt
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                    Formular für die Berechnung eines

                           STIRILINGMOTORS

                           nach F. Schmelz
                            vom 24.8.1994

        ISBN 3-928671-07-3, Polygon-Verlag Buxheim Eichstätt

für die Auswertung mit P274, erstellt vom
Ing.-Büro
Christoph Müller                              Tel.: 49+ 0841/61883
Weisbergerlstr. 8                             Fax:  49+ 0841/62004
D-85055 Ingolstadt

Anleitung:

Kopieren Sie diese Datei. Machen Sie ÄNDERUNGEN NUR IN DEN KOPIEN!

Im KOMMENTARTEIL können beliebige Bemerkungen niedergeschrieben werden. Er
endet, wenn eine Zeile mit mindestens 40 "-"-Zeichen beginnt.

Im darauf folgenden VARIABLENTEIL werden die Motordaten angegeben. Auch hier
können Kommentare angegeben werden; sie dürfen jedoch NICHT AM ZEILENANFANG
beginnen. Kommt eine Variable mehrfach vor, so gilt grundsätzlich die letzte
Zuweisung. Fehlen Variablen oder deren Werte, so erfolgt keine Berechnung.
Die fehlenden Variablen werden am Bildschirm angezeigt und an das aktuelle
Formular angefügt. Der Variablenteil ist zu Ende, wenn eine Zeile mit

mindestens 40 "="-Zeichen beginnt.

Der ERGEBNISTEIL wird von P274 an die aufgerufene Datei angefügt. Er wird mit
einer Zeile eingeleitet, die mit mindestens 40 "="-Zeichen beginnt. (P274
erzeugt eine Zeile mit 60 "="-Zeichen.)

******************************************************************************
Bei der Berechnung sind zwei Fälle zu unterscheiden:
Fall N: Neuentwicklung eines Motors
Fall W: Weiterentwicklung eines Motors
******************************************************************************
Die Benutzerlizenz für P274.BAS mit MUSTER.TXT und LIESMICH.TXT kosten
zusammen 48,50 DM, die ehrliche Menschen bitte auf das Konto 5 24 72 59 der
Sparkasse Ingolstadt, BLZ 721 500 00 überweisen wollen. Ohne das Bezahlen
der Lizenz benutzen Sie eine Raubkopie, was entsprechend verfolgt wird. Wenn
Sie über geplante Weiterentwicklungen informiert werden wollen, schreiben
Sie mir bitte und legen einen adressierten Freiumschlag bei.
------------------------------------------------------------------------------
        Variablenteil
        Zulässige Dezimaltrennzeichen sind . und ,
        Nach der Variablen bitte ein Leerzeichen.
        Wenn unmittelbar nach der numerischen Variablen Kommentare folgen
        sollen, dürfen sie nur mit Literalen - nicht mit Zahlen beginnen.


Motorbezeichnung: Viebach ST 05 G
    Die Motorbezeichnung wird im Ergebnisteil wiederholt.

TYP GAMMA
    Entsprechend der drei grundsätzlich möglichen Stirlingmotoren sind
    die Typen ALPHA, BETA oder GAMMA einzusetzen. Der Inhalt der Variablen
    TYP bestimmt die Berechnungsmethode für den angegebenen Motortyp.

d1 9,6
  Durchmesser des Verdrängerkolbens in cm
d2 8
  Durchmesser des Arbeitskolbens in cm

s1 7,5
  Kurbeldurchmesser des Verdrängerkolbens in cm
s2 7,5
  Kurbeldurchmesser des Arbeitskolbens in cm

ALPHA 90
  Voreilwinkel des heißen Verdrängerkolbens in Grad

  (Kelvin = Temperatur in Grad Celsius + 273,15)
T1 575
  (=302+273)
  mittlere Heißgastemperatur in Kelvin
  Diese Temperatur ist äußerst schwierig zu ermitteln (vgl. Broschüre Schmelz 
  S.3) Meist ist man auf Schätzungen angewiesen. Direkt am Erhitzer außen
  gemessen ergibt i.d.R. viel zu hohe Temperaturen, die das Arbeitsgas nicht
  annimmt. Beim ST 05 G von Viebach wurden z.B. 773 K gemessen. Für das
  Arbeitsgas wird aber nur 603 K geschätzt.
  Nach einer Daumenregel von Ivo Kolin wirkt sich die Temperaturdifferenz
  (T1 - T2) mit der dritten (!) Potenz auf die Motorleistung aus! Die am
  wenigsten bekannte Größe hat somit den größten Einfluß auf die Berechnung.
T2 397
  (=124+273)
  mittlere Kaltgastemperatur in Kelvin
  Die Meßprobleme sind vergleichbar mit T1.
T0 293
  (=20+273)
  Aufladetemperatur in Kelvin

p0 10
  Aufladedruck bei stehendem kalten Motor und maximalem Arbeitsvolumen in bar.
  (Notwendig, um die wirksame Arbeitsgasmasse zu berechnen.)

Vs 540
  Schädliches Volumen in ccm

Wind 84
  Indikatorarbeit (Ws bzw. Joule), die z.B. durch Ausplanimetrieren eines
  vorhandenen pV-Diagramms ermittelt wurde.
  Im Fall einer Neuentwicklung (N) nicht gegeben.

Peffgem 350
  gemessene mechanische Leistung des Motors in Watt.
  Im Fall einer Neuentwicklung (N) nicht gegeben.

n 425
  gemessene oder erwartete Drehzahl des Motors in Upm

R 287
  spezielle Gaskonstante in J/(kg*K)
  Luft          287,0
  Stickstoff    296,8
  Helium       2078,0
  Wasserstoff  4124,4
  Kohlendioxid  296,8


eta-m
  mechanischer Wirkungsgrad
  muß im Fall einer Neuentwicklung (N) geschätzt werden.
  Als erster Anhalt für Neukonstruktionen können dienen
  alpha-Ridermotor              0,43
  beta-Lehmannmotor             0,64
  gamma-Laubereaumotor          0,46
  neuere Motoren (geschätzt)    0,75...0,85

fg
  Gütefaktor
  muß im Fall einer Neuentwicklung (N) geschätzt werden.
  Als erster Anhalt für Neukonstruktionen können dienen
  alpha-Ridermotor              0,51
  beta-Lehmannmotor             0,51
  gamma-Laubereaumotor          0,50
  neuere Motoren (geschätzt)    0,65...0,80
  Fehlt dieser Wert, muß Wind bekannt sein. 

Pheiz 3317
  Die von der Wärmequelle bereitgestellte LEISTUNG in Watt.
  Im Fall einer Neuentwicklung (N) nicht gegeben.
  Pheiz = Brennstoffmasse * Hu / Zeit  (Zeit z.B. Sekunden)
  Beispiel: m=0,263 kg (Butan)
            Hu=45,4 MJ/kg
            t=1 h = 3600 s
            Pheiz=0,263*45,4*e6/3600=3317 (Watt)
  Heizwerttabelle nach dem Heizwert Hu, also ohne Wasserdampfkondensation.
  Stoff:        Dichte kg/m³:   Hu in MJ/m³ (bei 0°C und 101,3 kPa):
                                                Hu in MJ/kg:
  Wasserstoff   0,0899          10,8           120,13
  Äthan         1,36            64,5            47,5
  Methan        0,72            35,9            47,5
  Motorenmethan 0,915           41,9            45,6
  Propan        2,0096          93,4            46,5
  Butan         2,732          124              45,4
  Flüssiggas    0,545          108,4            46,1
  Stadtgas ca.  0,6             15,9...20,5     26,5...34,2
  Erdgas        0,83                            47,7
  Generatorgas                   3,8... 5,4      3,8...5,4
  Kohlenmonoxid                                 10,1
  Klärgas (Faulgas, ungereinigt)                27,2
  Klärgas (Faulgas, gereinigt)                  37,7
  
  Heizöl                                    ca. 41
Petroleum                                 ca. 40,8
  Äthylalkohol                                  27
  Methylalkohol                                 19,5
  Dieselkraftstoff                              38...43
  Benzin                                    ca. 42
  Benzin (paraffinisch)                         43,5
  Benzin (naphtenisch)                          43,5
  Motorenbenzol                                 40,2
  Braunkohlenteeröl                             41
  Steinkohlenteeröl                             37,7
Leindotteröl 30,5
  Rapsöl                                        36
  Palmöl ca. 42
Sojaöl ca. 37
Yatrophal cal 36
(http://www.fnca.jp/english/mini/report/e_ins.pdf 22.4.2006)
  Sonnenblumenöl
  Purgiernußöl

  Generatorholz                                 14,7
  Generatorholzkohle                            29,4
  Generatortorf                                 14,7
  Generatortorfkoks                             31,8
  Generatorbraunkohle stückig                   28,5
  Generatorbraunkohle brikett                   20
  Generatorbraunkohle schwelkoks                23
  Generator-Steinkohlenschwelkoks               29,3
  Generator-Anthrazit                           33,5
  Holz trocken                                  16
  Holz frisch                                    8,4
  Holzkohle                                 ca. 31
  Steinkohle                                    27...32
  Anthrazit                                     31
  Koks                                          26,5
  Braunkohle, hart                              17
  Torf, lufttrocken                         ca. 14
  Reisschalen
  Stroh
  Nußschalen
  Kokosnußfasern                                  

============================================================
Berechnung vom 18.05.1995 um 09:30:45 mit P274 vom 2.9.94
(Weiterentwicklung eines Motors)

Hier steht bei regulär erworbenen Programmen die
Registriernummer. (Quasi "Autonummer", ohne die sich
keiner erwischen lassen sollte.)

Es hat folgende Basisdaten verstanden:

Motorbezeichnung: Viebach ST 05 G
Motortyp: GAMMA
(1) d1 = 9.6 cm             (2) d2 = 8 cm  
(3) s1 = 7.5 cm             (4) s2 = 7.5 cm
(5) ALPHA = 90°             (6) T1 = 575 K
(7) T2 = 397 K              (8) T0 = 293 K
(9) p0 = 10 bar             (10) Vs = 540 ccm
(11) Wind = 84 Joule        (12) Pheiz = 3317 Watt
(13) Peffgem = 350 Watt     (14) n = 425 Upm  
R = 287 J/(kg*K)

Ergebnisse
----------
(15) heißes, maximal bewegtes Volumen                543 ccm
(16) kaltes, maximal bewegtes Volumen                377 ccm
(17) gesamtes, maximales Volumen..................  1460 ccm
(18) Gasmasse in kg                               0.0174
(19) epsilon                                      0.6944
(20) epsilon-s                                    0.9947
(21) epsilon-0                                    2.6892
(22) epsilon-v                                    1.3481
(23) tau..........................................0.6904
(24) tau-0                                        1.3549
(25) 2s                                           1.6251
(26) sigma                                        0.6244
(27) Groß-A                                       0.6970
(28) Groß-B                                       3.9400
(29) delta........................................0.1769
(30) kdelta                                       0.0160
ß in Grad (vgl. (31), tan ß in Brosch. Schmelz)  63.6305
(32) sin ß                                        0.8959
(33) Stirlingleistung                               1877 Watt
     (Dem Arbeitsgas zugeführte Wärmeleistung)
(34) Schmidtleistung Ps                              899 Watt
(35) Indikatorleistung............................   595 Watt
(36) Carnotwirkungsgrad                             0.31
(37) Schmidtfaktor                                  0.48
(38) Gütefaktor                                     0.66
(39) innerer Wirkungsgrad                           0.32
(40) mechanischer Wirkungsgrad                      0.59
(41) effektive gerechn. Leistung Peff in Watt        350

     Der mechanische Wirkungsgrad eta-m und der Gütefaktor fg
     sind BERECHNETE Werte (Weiterentwicklung eines Motors).

(42) äußerer thermischer Wirkungsgrad               0.57
     (Stirlingleistung / Heizleistung)
(43) effektiver Gesamtwirkungsgrad                  0.11