Regenerator

Ein Regenerator ist ein Wärmeübertrager, der nach dem Prinzip des Wärmespeichers funktioniert. Dazu wird ein Apparateraum mit großer Speichermasse abwechselnd von einem warmen und einem kalten Stoffstrom durchströmt. Wärme wird von einem Stoffstrom auf die Speichermasse übertragen um anschließend wieder an den anderen Stoffstrom abgegeben zu werden. Durch die abwechselnd geführten Stoffströme wird weitgehend eine getrennte Stoffführung erreicht.

Die Speichermasse kann ruhend oder bewegt ausgeführt sein. 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. Systeme mit bewegten Speichermassen gestatten immer einen kontinuierlichen Betrieb.

Der Regenerator erlaubt mit relativ einfachen Mitteln große Bauformen von Wärmeübertrager, bei denen eine teilweise Vermischung der Stoffströme eine untergeordnete Rolle spielt, wie beispielsweise Winderhitzer, Luftvorwärmer oder Wärmerad.

Beispiel eines Regenerators anhand eines Stirlingmotors

Wegen des Regenerators erreicht der Stirlingmotor theoretisch den Carnot-Wirkungsgrad (höchstmöglicher Wirkungsgrad bei thermischen Prozessen).

Regenerator Versuchsmessung

Er nimmt beim Abkühlen und beim Komprimieren des Arbeitsmediums einen Teil der Wärmeenergie auf, speichert sie und gibt sie bei Erwärmung und bei Expansion wieder an das Arbeitsmedium ab. Die Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe erfolgt innerhalb sehr kurzer Zeitspannen, da Stirling-Motoren meist in einem Drehzahlbereich von 300–4000/min betrieben werden. z. B. Bei einer Drehzahl von 1000/min verbleiben nur ca. 0,015 Sekunden für die Wärmeübertragung der Arbeitgaswärme auf den Regenerator.

Ein idealer Regenerator würde aus dem in den kalten Bereich strömenden Arbeitsgas so viel Wärme entnehmen, dass das Gas bei Verlassen des Regenerators die Temperatur des kalten Bereichs erreichte. Umgekehrt würde das Arbeitsgas beim Einströmen in den heißen Bereich so viel Wärme aus dem idealen Regenerator aufgenommen haben, dass die Austrittstemperatur der des heißen Bereichs entspräche. In einem solchen idealisierten Fall wäre kein Energieverlust vorhanden und der Carnot-Wirkungsgrad theoretisch erreichbar. Dies setzt jedoch voraus, dass der sich im Regenerator einstellende axiale Temperaturverlauf T := f(Position im Regerator entlang Strömung) dem eines Gegenstromwärmetauschers mit idealem Wärmeübergang und unendlicher Länge entspricht. Ein idealer Wärmeübergang benötigt jedoch eine unendlich hohe Wärmeleitfähigkeit im Regeneratormaterial und im Arbeitsgas. Des Weiteren dürfte sich die Temperatur für einen beliebig ausgewählten Ort im Regeneratormaterial nicht ändern, da sich sonst die lokale Temperaturdifferenz zwischen Gas und Regenerator änderte. Dies setzt jedoch eine unendlich hohe Wärmekapazität des Regeneratormaterials voraus.

Für einen realen Regenerator ergeben sich damit die folgenden Anforderungen:

• Die Wärmekapazität des Regenerators, die sicherstellt, dass die Temperatur des Regeneratormaterials sich nicht ändert, obwohl Wärme an das den Regenerator durchströmenden Arbeitsgas abgegeben bzw. von ihm aufgenommen wird, sollte möglichst groß sein. Der Regenerator müsste also möglich groß sein und aus einem Material mit hoher spezifischen Wärmekapazität bestehen. Der Lückengrad des Regenerators (sein Hohlraum) sollte dagegen möglichst klein sein.

• Der Wärmeübergang im Regenerator sollte möglichst groß sein. Das könnte mit einem großen Regenerator mit möglichst fein unterteiltem Material erreicht werden.

• Der Druckverlust des durchströmenden Gases sollte klein sein. Ideal wäre ein kleiner Regenerator mit großem Hohlraumanteil.

• Das Totvolumen im Regenerator sollte 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 sollten die Strömungswege möglichst große freie Querschnitte aufweisen.

Als Kompromiss zwischen den sich teilweise konkurrierenden 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.

Die zwischengespeicherte Wärmemenge im Regenerator entspricht bei einem Regenerator ungefähr dem 4–6 fachen der im Expansionsraum zugeführten Wärmemenge.

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Der Lückengrad (Hohlraumanteil) berechnet sich aus:

${L_g} = {V_l \over V_g}$

Lg = Lückengrad, Vl = Leervolumen Regenerator, Vg = Gesamtvolumen

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Der Regenerator ist auch ein charakteristisches Element unter anderem bei Siemens-Martin-Öfen, Stirlingmotoren und Pulsröhrenkühlern.