Kurzbeschreibung
(Deutsch)
|
Der Freikolben-Resonanzstirling bildet das Herzstück von fortschrittlichen „Stromerzeugenden Heizungen“. Seine kompakte, dauerhafte und unterhaltsfreie Mechanik werden im Heizungsmarkt neue Massstäbe setzen. Komplette Einheiten werden langzeitig erprobt und in Kürze als serienweise hergestelltes Produkt erhältlich sein. Beim neu entwickelten Resonanzprinzip schwingen die Freikolben unter hohen Heiztemperaturen und entsprechend starken, periodischen Druckänderungen des Arbeitsgases einwandfrei stabil. Die Wärme wird mit einem FLOX-Brenner kontinuierlich zugeführt, die Verbrennung ist vollständig, die Abgase minimal mit Schadstoffen belastet. Vibrationen und Lärm sind äusserst gering. Strom wird mit über 25% erzeugt, der Gesamtwirkungsgrad dieser Anlagen (Strom + verfügbare Wärme) beträgt mehr als 90%. Diese doppelte Nutzung ist energetisch optimal und wirtschaftlich interessant, was eine verbreitete Anwendung dieser Technik verspricht.
|
Kurzbeschreibung
(Englisch)
|
The free-piston resonance Stirling forms the heart of advanced "power-generating heaters". Its compact, durable and maintenance-free mechanics will set new standards in the heating market. Complete units will undergo long-term testing and will soon be available as a mass-produced product. With the newly developed resonance principle, the free pistons oscillate with perfect stability under high heating temperatures and correspondingly strong, periodic pressure changes in the working gas. The heat is continuously supplied by a FLOX burner, combustion is complete and the exhaust gases are minimally polluted. Vibrations and noise are extremely low. Electricity is generated at over 25%, the overall efficiency of these systems (electricity + available heat) is more than 90%. This double utilization is energetically optimal and economically interesting, which promises a widespread application of this technology.
|
Kurzbeschreibung
(Französisch)
|
Le bulbe résonnant à piston libre constitue le cœur des "chauffages générateurs d'électricité" avancés. Son mécanisme compact, durable et sans entretien établira de nouvelles normes sur le marché du chauffage. Des unités complètes sont testées à long terme et seront bientôt disponibles sous forme de produits fabriqués en série. Avec le principe de résonance nouvellement développé, les pistons libres oscillent de manière parfaitement stable sous des températures de chauffage élevées et des changements de pression périodiques et importants correspondants du gaz de travail. La chaleur est amenée en continu par un brûleur FLOX, la combustion est complète et les gaz d'échappement ne contiennent qu'un minimum de substances nocives. Les vibrations et le bruit sont extrêmement faibles. L'électricité est produite à plus de 25%, le rendement global de ces installations (électricité + chaleur disponible) est supérieur à 90%. Cette double utilisation est optimale du point de vue énergétique et intéressante du point de vue économique, ce qui promet une utilisation répandue de cette technique.
|
Schlussbericht
(Deutsch)
|
Mitte der 70-er Jahre entwickelte W. Beale bei Sunpower (USA) erstmalig einen Stirling-Freikolbenmotor mit elastisch eingespannten, frei beweglichen Kolben. Diese sind seitlich durch Gaslager geführt und brauchen nicht geschmiert zu werden. Kleine Wärme-Kraft-Kopplungs (WKK)-Geräte können serienmässig hergestellt und mit minimaler Wartung langzeitig betrieben werden. Die Nutzung der kombinierten Strom- und Wärmeproduktion ist ideal angepasst, um einen Teil des europäischen Heizungsmarktes abzudecken. Mit grossem, privatem Aufwand wurde ein neues Freikolben-Resonanzstirling-Konzept entwickelt, bei welchem der Verdränger mit dem Motorkolben fest verbunden ist. Zusätzliche Resonanzkolben erzeugen hohe Druckänderungen und schwingen einwandfrei stabil, phasenverschoben zum Hauptkolben. Anhand von Prototypen (SFM2) konnte Strom mit über 25% elektrischem Wirkungsgrad erzeugt werden, bei einem Gesamtwirkungsgrad (Strom + verfügbare Wärme) von 90%. Diese doppelte Nutzung ist energetisch optimal und wirtschaftlich interessant, was dieser Technik einen verbreiteten Einsatz ermöglicht und der Forderung der MuKEn entspricht. Im Rahmen des laufenden P+D-Projektes wurden 7 verbesserte Feldtestgeräte (SFM3) hergestellt, wovon 5 bei privaten Kunden installiert und unter verschiedenen Einsatzbedingungen langzeitig erprobt wurden. Die Freikolben-Resonanzstirling, mit nominaler elektrischer Abgabeleistung von 2 kWEL, mussten den Erfordernissen der zu beheizenden Gebäuden und ihren bestehenden Heizkreisläufen angepasst werden: mit/ohne Spitzenlastheizung, Solaranlagen und ergänzenden Regelkreisläufen. Der Betrieb dieser Feldtestgeräte wurde laufend überwacht und die gemessenen Hauptparameter (Gasverbrauch, Temperaturen, Druck, Kolbenhübe, Kühlwasser- und, Brennerluftstrom, Schadstoffe in den Abgasen, etc.) protokolliert. Die verschiedenen Feldtestgeräte können miteinander verglichen und optimal bedient werden. Im Laufe der vergangenen 2 Jahre wurden die Feldtestgeräte gesamthaft während 40‘000 Stunden betrieben, oder jedes durchschnittlich etwa 6000 Stunden lang. Die Mechanik der Freikolben funktionierte zuverlässig und eignet sich für ihren erwarteten, langzeitigen Betrieb. Die gekapselten Feldtestgeräte zeichnen sich durch geringe Vibrationen und Lärm aus, was ihren Einsatz in bewohnten Gebäuden begünstigt. Bei einigen Einheiten traten an den Erhitzerköpfen geringe Leckagen auf, was vorerst durch Nachspeisen von Arbeitsgas kompensiert wurde. Diese stark beanspruchten Erhitzerköpfe wurden anschliessend mit erhöhter Wandstärke ausgeführt und an allen Feldtestgeräten ersetzt. Die Einheiten wurden mit einem kommerziell verfügbaren FLOX-Brenner bestückt, bei welchen die Abgase intern rezirkuliert werden. Die kontinuierliche Verbrennung findet bei Temperaturen über 800°C statt. Sie ist vollständig und zeichnet sich durch Abgase mit geringem Schadstoffgehalt aus, die den bei uns für Wohnquartiere geltenden Normen entsprechen. Die verwendeten Brenner umfassen einen Wärmetauscher für die Luftvorwärmung, eine Steuerung und ein Startmodul, die für andere Einsätze ausgelegt sind. In Zukunft sollten diese neugestaltet und den Anforderungen des Freikolben-Resonanzstirling besser angepasst werden. Zur Industrialisierung müssen alle Komponenten serienmässig, möglichst kostengünstig hergestellt werden. Dank optimaler Nutzung der Brennstoffe stellt das neue WKK-Konzept ein vielversprechendes, marktgerechtes Produkt dar. Die bei hohen Temperaturen freigesetzte Verbrennungswärme wird genutzt, um Strom zu produzieren, welcher hauptsächlich während der kalten Jahreszeit anfällt, wenn grosser Mangel herrscht. Der Freikolben-Resonanzstirling erfüllt bei kleinen Motoreinheiten zum ersten Mal alle notwendigen Charakteristiken, es besteht praktisch keine Konkurrenz. Für die Energieversorgung kleiner Wohneinheiten liegt eine gleichwertige Lösung zu den elektrisch betriebenen Wärmepumpen vor. Durch die effiziente, gesetzlich vorgeschriebene Lösung können mit WKK 40 bis 50% Primärenergie gegenüber fossilen Heizungen eingespart werden. Werden dem Erdgas 30% erneuerbare Gase beigemischt (nach VSG bis 2030) wird der CO2-Ausstoss sogar um 65 bis 70% gesenkt.
Zugehörige Dokumente
|
Schlussbericht
(Englisch)
|
50 years ago, W. Beale at Sunpower (USA) conceived a Stirling engine with free-pistons which are elastically suspended. These pistons are guided laterally by gas bearings and do not need to be lubricated. Combined heat and power units (CHP) which are equipped by these engines can be operated for long time periods with a reduced maintenance demand. Their electric power output is an ideal asset upon the future European heating equipment market. In an important private development effort, a new free-piston resonance Stirling concept was conceived, in which the displacer is firmly connected to the power piston. It comprises additional resonance pistons which oscillate in a stable mode, inducing an important pressure swing to the working gas, Prototypes built during the SFM2-phase operated at electric efficiencies of 25%, with total efficiency (heat + electricity) exceeding 90%. The fuel is used economically, promising a widespread application of this technology. During the present P + D – project, 7 units were built according to an improved design (SFM3). 5 units were installed in private premises and run under locally prevailing conditions for long service periods. The engines, delivering a nominal electric power of 2kWEL had to be operated according to the heat demand, depending upon the heat distribution scheme, and complying with possible presence of peak power burner or solar heating facilities. The engine operation and major system parameters (gas consumption, electric output, temperatures, working gas pressure, piston strokes, burner air flow rate, flue gas quality) were continuously monitored. The recorded data serve to compare the performance of the engines and to determine optimal operating conditions. The engines were operated during 2 years, in total for 40’000 hours, at an average of 6000 hours per unit. Their mechanical part operated very reliably, and long service periods with minimum maintenance demand may be expected. The engines are placed within a confinement and operate with low vibration or noise, well suited for their application in residential homes. The heat receiver of these engines operates at temperatures of approximately 800°C. By this exposure, minute gas leakages appeared on some heater heads, which at first were compensated by refilling working gas. It was then decided to replace all engine heater heads by a more robust design.
The engines are equipped with commercially available FLOX – burners, in which the flue gas is recycled internally. The complete receiver head is exposed to high temperatures, ensuring a complete combustion to be achieved with flue gases charged with minimal amounts of pollutants. These burners also comprise a heat exchanger for preheating the combustion air, a control system as well as a starting unit. The existing sets were conceived for other applications. In future, this complete heating equipment will have to be redesigned, well suited for its service operation of a Stirling engine.
All components will then need to be adjusted for their production at an industrial scale, at low cost. In Micro-CHP units, fuel is used at high efficiency; electric power is produced essentially during the cold season, covering the lacking supply from other resources. The free-piston resonance principle shows highly favourable characteristics as compared to other competitive small thermal engines. Their application in domestic heating may be considered as an alternative solution to the electric driven heat pumps. Switzerland prescribe the efficient use of energy. CHP-units based on the free-piston resonance Stirling principle save 40 to 50% of primary energy as compared to traditional heating equipment. In using fuel gas mixtures with up to 30% from natural resources (objective of ASIG for 2030), the exhaust of CO2 may be reduced by 65 to 70% against usual heating techniques.
|
Schlussbericht
(Französisch)
|
Il y a 50 ans, W. Beale de Sunpower (USA) concevait un moteur Stirling à pistons libres, suspendus élastiquement. Ces pistons sont guidés latéralement par des coussins à gaz et ne sont pas lubrifiés. Des unités de couplage chaleur-force (CCF) sont ainsi produites en série, fonctionnent durablement avec un minimum de maintenance. La production combinée de courant électrique et de la chaleur est idéalement adaptée pour le marché des équipements de chauffage européen. La variante du moteur Stirling à résonance, qui avait été développé à titre privé, comprend un piston-déplaceur fixé solidairement au piston moteur. Des pistons de résonance additionnels oscillent de manière stable et induisent une variation périodique au gaz de travail. Les prototypes réalisés durant la phase préalable (SFM2) fonctionnent avec un rendement électrique supérieur à 25% et un rendement global (chaleur utile + courant électrique) de 90%. L’économie d’énergie réalisée par ce couplage est substantielle et promet une vaste diffusion de cette nouvelle technologie. Au cours du présent projet P + D, 7 machines d’essai ont été réalisées dans une version améliorée (SFM3), dont 5 unités ont été installées chez des clients particuliers, puis exploités sous différentes conditions durant de longues périodes. Ces machines d’une puissance nominale de 2 kWEL ont été adaptées aux conditions particulières des réseaux de chauffage, qui en partie comprennent un brûleur d’appoint ainsi qu’aux systèmes de réglage existants. Le service de ces installations est surveillé en continu et les paramètres mesurés (consommation de gaz, puissance électrique dégagée, températures, pression du gaz de travail, amplitude des pistons, dégagement de chaleur, débit et qualité des effluents etc.) sont enregistrés. Les différentes installations peuvent ainsi être comparées entre elles, permettant d’optimiser leurs régimes de fonctionnement. Durant les 2 années d’essai, ces machines ont fonctionné au total durant 40'000 heures, en moyenne durant 6000 heures par machine. Toute la partie mécanique de ces pistons s’avérait hautement fiable, laissant prévoir de longues périodes de service. Chaque unité est placée dans une enceinte hermétiquement fermée et fonctionne avec un niveau de vibration ou de bruit remarquablement faible, ce qui favorise leur application dans des bâtiments habités. Le récepteur chaud de ces unités est porté à des températures de l’ordre de 800°C. Sur plusieurs unités, de faibles fuites sont apparues, qui d’abord ont pu être compensées par une injection de gaz de travail. Par la suite, les récepteurs chauds de toutes les machines ont été remplacés par des modèles d’une conception plus robuste. Les unités ont été équipées avec des brûleurs FLOX commerciaux, comprenant un circuit de recyclage interne des gaz de combustion. La combustion a lieu à des températures supérieures à 800°C dans un milieu uniforme ; elle est complète et les effluents sont chargés d’un minimum de polluants. Les brûleurs actuellement utilisés comprennent un échangeur de chaleur pour le préchauffage de l’air de combustion, un système de contrôle ainsi qu’un dispositif de démarrage qui avait été conçu pour d’autres applications. Cet ensemble devrait à l’avenir être remplacé par une configuration mieux adaptée aux conditions du moteur Stirling à pistons libres. A l’avenir, les composants d’un produit commercial devront être réalisés à faible coût. Ces unités de CCF, qui se distinguent par leur rendement énergétique élevé, se prêtent idéalement pour le marché des équipements de chauffage : en complément à la chaleur dégagée, du courant électrique est produite, surtout durant la saison froide, contribuant ainsi à réduire le déficit hivernal. Les petits moteurs thermiques réalisés sur le principe du Stirling à résonance se distinguent par leurs caractéristiques favorables, connaissant pratiquement aucune concurrence. Les unités CCF équipés de ces moteurs représentent une solution alternative aux pompes à chaleur électriques. Ces unités CCF répondent aux exigences légales et permettent d’économiser 40 à 50% d’énergie primaire par rapport aux chauffages traditionnels. En utilisant un gaz combustible comprenant 30% de gaz renouvelables (prévu par ASIG en 2030), les rejets de CO2 sont réduits de 65 à 70% par rapport à ces systèmes habituels.
|
