Hauptquartier:
Stirling Cryogenics B.V.
Science Park Eindhoven 5003
5692 EB Son, The Netherlands
T +31 40 26 77 300
info@stirlingcryogenics.com


USA-Büro:Neu
Stirling Cryogenics Inc.
421 Fayetteville Street, Suite 1100
Raleigh NC, 27601 USA
T +1 610 714 9801
info@stirlingcryogenics.com
www.stirlingcryogenics.com

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Der Stirling-Kreislauf

Der Stirlingkreislauf ist ein thermodynamischer geschlossener Kreislauf, der 1816 von dem schottischen Minister Robert Stirling erfunden wurde. Er wurde als Motor verwendet und galt damals als geeignet, die Dampfmaschine zu ersetzen, da Dampfkessel zu lebensbedrohlichen Explosionen neigten. Das Gegenstück zur Stirlingmaschine, die Kältemaschine, wurde erstmals 1832 erkannt. Beide Maschinen erlebten im neunzehnten Jahrhundert Hochs und Tiefs. Das Prinzip der Maschinen geriet nach der Erfindung des Verbrennungsmotors (Gas-, Benzin- und Dieselmotoren) und der Kompressorkühlschränke mit externer Verdampfung fast in Vergessenheit.

Im Jahr 1938 suchte das berühmte niederländische Philips-Forschungslabor nach einer Möglichkeit, Stromgeneratoren für Kurzwellenkommunikationssysteme in abgelegenen Gebieten ohne Stromversorgung zu betreiben. Der praktisch vergessene Stirlingmotor erregte ihre Aufmerksamkeit.
Im Jahr 1946 begann Philips mit der Optimierung des Stirling-Zyklus für die kryogene Kühlung. 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, hat sich der Stirling-Kryogenerator weltweit zu Tausenden verkauft und wurde in Geräten und Projekten eingesetzt, die von der Antarktis bis zum Nordpol verwendet wurden.

Stirling-Wirkungsgrad

Der Stirling-Kryogenerator ist im Vergleich zu anderen kryogenen Kühlkreisläufen äußerst 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 Kühlleistung in Watt geteilt durch die elektrische Eingangsleistung in kW. Je nach Anwendungstemperatur schwankt der Gesamtwirkungsgrad des Stirling-Kryogenerators zwischen 10 % für LN2-Anwendungen und über 20 % für LNG-Systeme.

 

 

 

 

 

 

 

Der Stirling-Kryogenerator

Das zentrale Element in allen Geräten 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 im Wärmefluss durch die Wärmetauscherwand. Durch dieses Konzept wird eine Verunreinigung des Kundenprozesses und des Arbeitsgases des Stirlingkreislaufs vermieden, was zu einer langen Betriebsdauer und Langlebigkeit führt.

Beim Stirlingkreislauf wird eine bestimmte Menge Helium in einem geschlossenen Kreislauf abwechselnd komprimiert und expandiert. Die Kompression findet bei Raumtemperatur statt, um die Ableitung der durch die Kompression verursachten Wärme zu erleichtern, während die Expansion bei der für die Anwendung erforderlichen Tieftemperatur erfolgt.

Zur Erläuterung kann der Prozess in vier verschiedene Kolbenpositionen aufgeteilt 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 komprimiert, wodurch die Gastemperatur auf etwa 80 °C steigt (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 in das Kühlwasser abgeleitet wird, wodurch die Gastemperatur auf etwa 15 °C sinkt (Spalte 2). Anschließend strömt das Helium durch den Regenerator G. Mit Hilfe der im Regenerator durch den vorherigen Zyklus gespeicherten Kälte wird das Heliumgas bei seiner Ankunft im Raum E auf nahezu die endgültige Arbeitstemperatur abgekühlt (Spalte 3). Die letzte und wichtigste Aktion 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 beginnen, bewegt sich der Verdränger auf die Position I und verdrängt das Helium erneut in den Raum D. Der Regenerator wird durch das durchströmende Helium gekühlt (Spalte 3) und speichert die Kälte, die im nächsten Zyklus verwendet wird. Das Helium wird wieder auf nahezu Raumtemperatur erwärmt, so dass die Ausgangssituation des Zyklus nun wiederhergestellt ist und der Zyklus wiederholt werden kann. Dieser Zyklus wird in der Regel mit 25 Hz wiederholt, so dass eine kontinuierliche Wärmeabfuhr gewährleistet ist.

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

 

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