Regenerator

Ein Regenerator ist ein Kurzzeit-Wärmespeicher, der auch zur Wärmeübertragung genutzt werden kann. Dazu wird eine ausreichend große Speichermasse abwechselnd von einem warmen und einem kalten Stoff durchströmt. Wärme wird zuerst von diesem Stoff (Gas oder Flüssigkeit) auf die Speichermasse übertragen um anschließend wieder an den später durchlaufenden Stoff abgegeben zu werden.

Die Speichermasse kann ruhen oder bewegt werden. Im einfachsten Fall wird mit einer ruhenden Speichermasse ein diskontinuierlicher Betrieb erreicht. Durch Verwendung eines Mehrkammersystems mit Umschaltung ist aber auch ein quasikontinuierlicher Betrieb möglich. Der Regenerator erlaubt mit relativ einfachen Mitteln große Bauformen von Wärmeübertragern, bei denen die unvermeidbare teilweise Vermischung der Stoffströme eine untergeordnete Rolle spielt, wie beispielsweise Winderhitzer, Luftvorwärmer oder Rotationswärmeübertrager. Der Regenerator ist auch ein charakteristisches Element unter anderem bei Siemens-Martin-Öfen, Stirlingmotoren und Pulsröhrenkühlern.

Beispiel eines Regenerators anhand eines Stirlingmotors

Die Funktion von Stirlingmotoren – insbesondere die des Regenerators – lässt sich besonders einfach in der sogenannten Beta-Konfiguration erklären. Dann gibt es einen einzigen Arbeitsraum zwischen dem geheizten Boden und dem beweglichen Kolben, dessen Volumen der Regenerator in einen heißen (unteren) und kalten (oberen) Bereich trennt. Die Erklärung wird besonders einfach, wenn man annimmt, der Regenerator sei ein gasdurchlässiges Kupfergeflecht geringer Masse, das sich sehr schnell, also ruckartig und mit geringem Energieaufwand bewegen lässt. Abhängig vom Innendruck, der in beiden Bereichen gleich ist, wird der Kolben entweder nach oben gedrückt oder nach unten gezogen. Beides treibt die Kurbelwelle an.

1. Startposition: Der Kolben ist an seiner tiefsten Position, unmittelbar darunter der Regenerator. Der Großteil des enthaltenen Gases ist unterhalb des Regenerators, wird erhitzt, der Druck steigt und treibt den Kolben nach oben. Der Regenerator folgt dabei dem Kolben.
2. Sobald der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht, wird der Regenerator sehr schnell nach unten gedrückt, das heiße Gas strömt durch das Metallgeflecht nach oben, erwärmt es und wird dabei selbst abgekühlt, weshalb der Druck sinkt. Wenn das Metallgeflecht ausreichende Masse und damit ausreichende Wärmekapazität besitzt, ist seine Temperatur an der Unterseite erheblich höher als an der Oberseite. Es speichert Wärme, die im vierten Schritt das Gas wieder erwärmt.
3. Das Gas ist im Kaltbereich, wird dort weiter gekühlt, der Druck sinkt noch tiefer, der Kolben wird nach unten gezogen, wobei ebenfalls mechanische Arbeit geleistet wird.
4. Hat der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, springt der Regenerator nach oben an den Kolben. Das abgekühlte Gas muss das Metallgeflecht durchqueren, wird von diesem vorgewärmt, der Druck steigt. Der Regenerator hat die vorher gespeicherte Wärme (Punkt 2) wieder abgegeben. Weiter bei Punkt 1

In realen Stirlingmotoren wird der Regenerator meist mit variabler Geschwindigkeit bewegt, weil sich das einfach durch Pleuelstangen bewerkstelligen lässt und die Mechanik gleichmäßiger beansprucht. Diese konstruktive Vereinfachung verringert aber den Wirkungsgrad, weil die Ecken des p-V-Diagramms abgerundet werden und deshalb die umfahrene Fläche, die ein Maß für die abgegebene Arbeit ist, verringert wird. Beim Flachplatten-Stirlingmotor ist die sprungartige Bewegung des Regenerators wohl der Hauptgrund für die geringe notwendige Temperaturdifferenz.

Ein idealer Regenerator entnimmt dem Arbeitsgas, das in den kalten Bereich strömt, so viel Wärme, dass das Gas bei Verlassen des Regenerators die Temperatur des kalten Bereichs besitzt. Umgekehrt erwärmt er das Arbeitsgas beim Einströmen in den heißen Bereich so stark, dass die Temperatur des heißen Bereichs wieder erreicht wird. In einem solchen idealisierten Fall ginge keine Exergie verloren und der Carnot-Wirkungsgrad wäre erreichbar. Mit anderen Worten ausgedrückt: Der Regenerator soll möglichst große Temperaturdifferenzen rechts (2) und links (4) sicherstellen, weil nur so die umfahrene Fläche maximal wird. Ohne wirkungsvollen Regenerator würde das Gas zwischen beiden Bereichen mit zu geringer Temperaturänderung hin- und herpendeln. Dann müsste (in Punkt 3) erheblich mehr Wärme abgeführt werden und der Wirkungsgrad wäre recht gering. Ganz ohne Regenerator, also mit einem einfachen Verdränger wären die Kurven 1 und 3 identisch und die abgegebene Energie Null.

Einen prinzipiellen Nachteil der "sanften" Bewegung des Regenerators erkennt man im unteren Bild: Während eines gewissen Zeitraumes bewegen sich beide Kolben nach oben, weshalb das Gas gleichzeitig oben gekühlt und unterhalb des Regenerators aufgeheizt wird. Dieser systematische Fehler ließe sich vermeiden, wenn der Regenerator eng am Kolben anliegen würde. Dieses konstruktive Detail ist im Flachplatten-Stirlingmotor besser gelöst.

Ein realer Regenerator soll folgende Anforderungen erfüllen:

• Die Wärmekapazität des Regenerators sollte möglichst groß sein, damit sich seine Temperatur kaum ändert, obwohl Wärme an das durchströmende Arbeitsgas abgegeben bzw. von ihm aufgenommen wird. Der Regenerator muss also möglichst groß sein und aus einem Material mit hoher spezifischer Wärmekapazität bestehen. Der Lückengrad des Regenerators (sein Hohlraum) soll dagegen möglichst klein sein.
• Der Druckverlust des durchströmenden Gases soll klein sein. Ideal wäre ein kleiner Regenerator mit großem Hohlraumanteil.
• Das Totvolumen im Regenerator soll möglichst klein sein. Das Ideal ist ein kleiner, kurzer Regenerator mit kleinem Hohlraumanteil.
• Der Regenerator darf sich nicht mit Abrieb aus der Maschine (z. B. Kolbenlauffläche) zusetzen. Daher sollen die Strömungswege möglichst große freie Querschnitte aufweisen.

Als Kompromiss zwischen den teilweise widersprüchlichen Anforderungen sind Regeneratoren häufig aus einem porösen oder faserigen Material (z. B. Kupferdraht mit < 0,03–0,2 mm Durchmesser), welches bei einer großen Oberfläche in der Lage ist, ohne große Strömungsverluste schnell und viel Wärme zu speichern und genauso schnell wieder abzugeben. Die vielen erforderlichen Gewebelagen sind jedoch sehr aufwändig herzustellen. Daher bildet der Regenerator oft das teuerste Bauteil des Stirling-Motors. Üblicherweise wird er so dimensioniert, dass er etwa fünfmal mehr Energie speichern kann als dem Expansionsraum pro Arbeitstakt zugeführt wird. Wie man der Formel

<math>W_{\rm Nutz} = Q_{\rm zu} - Q_{\rm ab} = n\cdot R \cdot (T_1 -T_3) \cdot \ln \left( \frac{V_2}{V_4} \right)</math>

entnehmen kann, müssen Temperaturdifferenz und Volumenverhältnis möglichst groß gemacht werden. (Die Indices beziehen sich auf das Bild rechts oben) Der Faktor n (die Stoffmenge des Arbeitsgases) bedeutet, dass die erzielbare Arbeit proportional zur aktiven Gasmenge steigt, weshalb der Innendruck des Stirlingmotors möglichst groß sein soll.