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Universitätsbibliographie

Eintrag in der Universitätsbibliographie der TU Chemnitz

Volltext zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-732475


Paul, Raphael Rüdiger
Hoffmann, Karl Heinz (Prof. Dr.) ; Salamon, Peter (Prof. Dr.) (Gutachter)

Optimal Control of Stirling Engines


Kurzfassung in deutsch

In dieser Arbeit wird eine Methode zur Leistungsoptimierung der Kolbenpfade von Stirling-Motoren entwickelt, die auf der Theorie der optimalen Steuerung beruht. Für die effiziente praktische Umsetzbarkeit ist dabei ein geringer numerischer Aufwand des eingesetzten thermodynamischen Modells entscheidend. In detaillierten Modellen von Stirling-Motoren resultiert ein Großteil des numerischen Aufwandes aus der Beschreibung des Regenerators, einem gasdurchströmten Kurzzeit-Wärmespeicher. Im ersten Teil der Arbeit wird der Fokus deshalb auf die Entwicklung eines effizienten Regeneratormodells gelegt. Hierbei wird ein neuartiger Ansatz gewählt, der sich aus der Perspektive der Endoreversiblen Thermodynamik ergibt: Der Regenerator wird als endoreversibles Teilsystem betrachtet, welches an zwei Kontaktpunkten durch irreversible Interaktionen mit den benachbarten Teilsystemen Gasteilchen, Entropie und Energie austauscht. Innere Irreversibilitäten des Regenerators werden als Entropiequellterme in die Modellierung einbezogen. Im zweiten Teil der Arbeit wird dann ein iterativer Optimierungsalgorithmus erarbeitet, der die Leistung von Stirling-Motoren unter periodischen Randbedingungen für eine vorgegebene Periodendauer maximieren kann. Der Algorithmus startet mit vorgegeben initialen Kolbenpfaden, die im Laufe der Iterationen graduell verschoben und so den optimalen Pfaden angenähert werden. Um diese graduelle Verschiebung zu bestimmen, muss in jedem Iterationsschritt neben dem Differentialgleichungssystem, das die Thermodynamik des Stirling-Motors beschreibt, ein konjugiertes Differentialgleichungssystem gelöst werden. Der erarbeitete Algorithmus nutzt dabei die Existenz eines Grenzzyklus des konjugierten Differentialgleichungssystems unter Zeitumkehr zu dessen Lösung für periodische Randbedingungen aus. Unter Verwendung des endoreversiblen Regeneratormodells wird mit diesem iterativen Optimierungsalgorithmus die Theorie der optimalen Steuerung erstmals für die Kolbenpfadoptimierung eines beispielhaften Stirling-Motors in α-Konfiguration eingesetzt.

Kurzfassung in englisch

In this thesis a method for power optimization of the piston paths of Stirling engines is developed, which is based on Optimal Control Theory. For the efficient practical feasibility of this task, low numerical effort of the utilized thermodynamic model is crucial. In detailed models of Stirling engines, a large part of the numerical effort results from the description of the regenerator, which is a short-time heat storage. Therefore, in the first part of this thesis the focus is on the development of an efficient regenerator model. Here, a novel ansatz is chosen which arises from the perspective of Endoreversible Thermodynamics: The regenerator is described as an endoreversible subsystem that has two contact points, at which it exchanges particles, entropy, and energy with the adjacent subsystems through irreversible interactions. Internal irreversibilities of the regenerator are included in the model as entropy source terms. In the second part of the thesis an iterative optimization algorithm is worked out, which can maximize the power output of Stirling engines under periodic boundary conditions for given cycle time. The algorithm starts with predefined initial piston paths, which are gradually shifted over the course of the iterations and thus approach the optimal paths. To determine this gradual shift, in every iteration not only the system of differential equations describing the thermodynamics of the Stirling engine needs to be solved, but also a conjugate system of differential equations. The algorithm here exploits the existence of a limit cycle of the conjugate system under time reversal to solve it for periodic boundary conditions. By means of the endoreversible regenerator model, with this iterative optimization algorithm Optimal Control Theory is applied for the first time to optimize the piston paths of an exemplary Stirling engine in α-configuration.

Universität: Technische Universität Chemnitz
Institut: Professur Theoretische Physik, insbesondere Computerphysik
Fakultät: Fakultät für Naturwissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Betreuer: Hoffmann, Karl Heinz (Prof. Dr.)
URL/URN: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-732475
SWD-Schlagwörter: Nichtgleichgewichtsthermodynamik , Regenerator , Stirling-Motor , Optimale Kontrolle
Freie Schlagwörter (Deutsch): Nichtgleichgewichtsthermodynamik , Endoreversible Thermodynamik , Optimierung , Optimale Steuerung , Regenerator , Stirling-Motor , Vuilleumier-Kältemaschine
Freie Schlagwörter (Englisch): Non-Equilibrium Thermodynamics , Endoreversible Thermodynamics , Optimization , Optimal Control Theory , Regenerator , Stirling engine , Vuilleumier refrigerator
DDC-Sachgruppe: Physik
Sprache: englisch
Tag der mündlichen Prüfung 21.12.2020

 

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