Cyklónový motor na odpadní teplo - Cyclone Waste Heat Engine

Tento článek obsahuje seznam obecných Reference, ale zůstává z velké části neověřený, protože postrádá dostatečné odpovídající vložené citace. Prosím pomozte zlepšit tento článek představuji přesnější citace. (Květen 2015) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

Pohled shora na šestiválcový radiální parní stroj Cyclone Waste Heat Engine (WHE). K připojení všech šesti ojnic k klikovému čepu se používá jedinečné „pavoučí ložisko“, nikoli tradiční hlavní ojnice používaná u hvězdicových motorů. Pára je odváděna přes vrcholy pístů do klikové skříně. Pára je přiváděna přes ventil do každé hlavy válců.

The Cyclone Waste Heat Engine (WHE) je malý parní stroj vyvinutý k výrobě energie z páry vyrobené z odpadní teplo. Jde o odnož vývoje Motor Cyclone Mark V. společnost Cyclone Power Technologies z Pampano Beach na Floridě. Původní verze navrhl vynálezce Harry Schoell, zakladatel společnosti Cyclone Power Technologies, a novější verze navrhl Ohio State University Centrum pro výzkum v automobilovém průmyslu (OSU-CAR).

V červenci 2014 společnost Cyclone Power Technologies rozdělila svůj produkt z motorů na odpadní teplo na samostatnou společnost WHE Generation Corporation,^[1] která podniká pod obchodním názvem Q2Power, Inc., Lancaster, Ohio.

Konstrukce a provoz motoru

Cyclone Waste Heat Engine (WHE) je jednočinný, Uniflow parní stroj. Dvě hlavní varianty jsou WHE-25, šestiválcový hvězdicový motor, který byl vyvíjen do listopadu 2013, a tříválcový WHE-DR, který byl vyvíjen od té doby.^[2] Byl postaven ukázkový model 12válcového hvězdicového motoru,^[3] ale není známo, zda byly v této konfiguraci postaveny nějaké funkční motory.

Úkon

Provoz pístového jazýčkového ventilu

Načasování vstupního ventilu (ventilů) je uspořádáno tak, že bez ohledu na to, v jaké poloze je motor, když se zastavil naposledy, bude ventil alespoň jednoho válce vždy otevřený. To umožňuje, aby se motor sám nastartoval, kdykoli je do něj přiváděna pára, aniž by jiné prostředky, jako je elektrický startér, způsobily počáteční otáčení motoru.

Zlomek zdvihu, při kterém je u parního stroje otevřený vstupní ventil, se nazývá odříznout. Na WHE-25 je to 34% zdvihu.^[4] Z horní úvrati do 34% zdvihu se klika otočí o úhel přibližně 71 °. U šestiválcového motoru dosáhne jeden píst do horní úvrati každých 360 ° / 6 = 60 °. Tříválcový motor WHE-DR má dosah pístu pouze každých 120 °, takže jeho vstupní ventil musí být otevřen pod mnohem větším úhlem, aby se zajistilo, že se motor sám nastartuje. Pokud je ventil otevřený pro 130 ° otáčení klikového hřídele, hodnota mezní hodnoty by byla asi 64%.

Expanzní zdvih parního stroje pokrývá zdvih pístu horní úvrať na dolní úvrať. Když se píst otočí a vrátí se do horní úvrati, je třeba otevřít výfukový ventil, aby mohla být z válce uvolněna expandovaná pára z předchozího zdvihu. Motor WHE má v každém pístu výfukový ventil ovládaný výstupkem na ojnici (viz obrázek vpravo). Při výfukovém zdvihu úhel ojnice způsobí, že otevře pístový ventil, což umožní odsávání expandované páry do klikové skříně.

Konstrukce WHE-25 používala jazýčkový ventil, což je kus tenkého kovu pokrývající horní část pístu (jak je znázorněno na obrázku). Konstrukce WHE-DR nahradila rákos s kuličkou spočívající v sedle ventilu v hlavě pístu.^[5]

„Pavoučí ložisko“

WHE-25 je navržen se šesti spojovacími tyčemi, které sdílejí jednu klikový čep na klikový hřídel. Standardní provedení takového spojení je s hlavní ojnice připojené k jednomu pístu a zbývající tyče připojené k čepům na velkém konci hlavní tyče. Harry Schoell, vynálezce WHE, také vynalezl to, co nazval „pavoučí ložisko“,^[6] což je disk, který se může otáčet kolem klikového čepu, a má po jednom obvodu jeden ložiskový čep pro každou ze šesti spojovacích tyčí. I když tento design eliminuje potřebu samostatného hlavního prutu, zavádí jeden nekontrolovaný stupeň svobody Samotné ložisko pavouka se může otáčet v jednom směru, dokud se jeho pohyb nezastaví nárazem ojnicemi, a poté se otočí v opačném směru o nějaký úhel, než se zastaví dalším nárazem ojnic.

Konstrukce WHE-DR eliminovala ložisko pavouka tím, že měl každý válec podélně odsazený od ostatních, aby se velké konce ojnice mohly vešly na sdílený klikový čep vedle sebe. Bylo oznámeno, že „počáteční testování prokázalo výrazně hladší a tišší provoz.“^[2] Eliminace pavoučího ložiska byla jedinou konstrukční změnou, která by vedla k tomuto zlepšení.

Vodní mazání

Konstrukce motoru Waste Heat Engine vyžaduje použití vody k mazání pohyblivých částí, protože výfuková pára jde do klikové skříně motoru. Jakýkoli olej používaný k mazání klikového hřídele a ojničních ložisek by brzy vytvořil emulze oleje a vody, které by měly velmi špatné mazací vlastnosti.

Ložisková ložiska na klikovém hřídeli a ojnicích a pístech klouzajících v jejich válcích pracují v hydrodynamický režim mazání. Nosnost čepového ložiska je přímou funkcí dynamická viskozita mazací kapaliny. Voda při 20 ° C má viskozitu 0,001002 Pa · s, zatímco typický motorový olej může mít viskozitu asi 0,250 Pa · s.^[7] Voda je tedy asi 250krát méně účinná jako mazivo než olej.

Společnost Cyclone Power Technologies uzavřela smlouvu s Ohio State University Centrum pro výzkum v automobilovém průmyslu (OSU-CAR) pro inženýrskou analýzu. Prezentace z 8. března 2014^[5] autor OSU-CAR popsal ložiska motoru jako „problém s kritickou cestou“ a uvedl:

• „Mimo vlastní zkušenosti společnosti Cyclone neexistují žádné údaje o použití vodního mazání buď pro kuličková ložiska, nebo pro valivá ložiska v našem prostředí a pod naším zatížením. Vypočítaná životnost pouze pomocí zatížení ložiska a měřítka viskozity maziva naznačují, že je vyžadován velmi vysoký poměr nosnosti k aplikovanému zatížení. “
• „Pro použití vodou mazaných polymerních ložisek v našem prostředí a při našem zatížení existují minimální údaje. Faktory prodloužení životnosti 4: 1 byly prokázány při ponořeném provozu, ale při mazání tlakovou vodou jsou k dispozici jen málo údajů o dlouhodobém opotřebení. "

Kontrakt mezi Cyclone Power Technologies a Phoenix Power Group pro WHE^[8] uvádí, že společnost Phoenix Power Group provede platbu ve výši 150 000 USD „Po dokončení 200 hodin testování životnosti WHE verze 5.0, které provádí a / nebo kontroluje OSU. Testování životnosti se skládá z provozu motoru WHE bez poruchy a výroby 10 hp až 20 hp ". K 25. březnu 2015 nic nenasvědčovalo tomu, že tento 200hodinový test odolnosti nechali projít motorem mazaným vodou.

Účinnost

Schematické indikátorový diagram tlaku ve válci parního stroje. Tlak ve válci po přerušení klesá, protože pára tlačí píst dolů do jeho otvoru.

Nebyly hlášeny žádné nezávislé testy žádného modelu WHE, ale informace pocházejí z publikovaných informací týkajících se systému rekuperace zkušebního odpadního tepla pro Bent Glass Design v Hatboro, PA.^[9] Tento systém byl popsán jako poskytující elektrický výkon až 10 kW pomocí modelu modelu WHE-25 a „převede více než 500 000 BTU výfukového tepla z pecí na výrobu skla zákazníka na elektrickou energii.“ Tepelný tok 500 000 BTU / h se rovná 146,5 kW.

${ displaystyle { text {Efficiency}} = {{ text {power out}} over { text {power in}}} = {10kW přes 146,5kW} = 6,8 \%}$

Motor WHE-25 má mezní hodnotu 34%.^[4] To umožňuje zbývajícím 66% zdvihu pístu expandovat páru, extrahovat z ní práci a způsobit pokles tlaku. Obrázek vpravo ukazuje, jak tlak ve válci parního stroje klesá po bodu uzavření. WHE-DR musí mít mnohem pozdější mezní hodnotu, aby umožnil vlastní spuštění. Pozdější mezní hodnota vede k většímu střední efektivní tlak který poskytne větší výstupní výkon motoru dané velikosti pracujícího při dané rychlosti, ale také povede ke snížení účinnosti, protože pára je při vyčerpání z válce vystavena vyššímu tlaku a menší část její energie byla přeměněna na mechanickou práce.

Pomocné vybavení

Fyzické rozložení čtyř hlavních zařízení použitých v Rankinově cyklu

Expandér: Parní stroj je jen jedna součást v a Rankinův cyklus systém napájení. Obrázek Rankinova cyklu vpravo ukazuje spíše turbínu než pístový motor s vratným pohybem mezi stavy 3 a 4, ale každé zařízení funguje jako fáze expandéru v cyklu.

Kondenzátor: Zařízení mezi stavy 4 a 1 je kondenzátor. Odvádí teplo z výfukové páry z motoru a kondenzuje jej zpět do vody. V případě motoru WHE-25 v předchozím pododdílu se ze 146,5 kW tepelné energie dodávané v počáteční páře přeměnilo 10 kW na elektřinu. To ponechá 146,5 - 10 = 136,5 kW tepelné energie, které mají být odstraněny kondenzátorem. Pro srovnání: Caterpillar C13 dieselový motor, který se běžně používá v nákladních vozech tahačů a přívěsů, má tepelnou izolaci na jmenovitou hodnotu 128 kW.^[10] Kondenzátor pro motor WHE-25 produkující výkon 10 kW by tedy měl přibližně velikost chladiče na návěsu. Novější WHE-DR je pravděpodobně méně efektivní, takže by pro stejný výstupní výkon potřeboval ještě větší kondenzátor.

Kondenzátor vyžaduje dostatečné proudění vzduchu, aby odvádělo teplo. K vytvoření tohoto proudění vzduchu se obvykle používá ventilátor a jeho spotřeba energie snižuje čistý výkon dostupný v systému.

Napájecí vodní čerpadlo: Kondenzovaná voda je uložena v nádrži a poté čerpána na vysoký tlak čerpadlem napájecí vody, na obrázku je stav 1 až 2. Toto čerpadlo vyžaduje zdroj energie a také řídicí systém, který pumpuje správné množství vody, aby kompenzovalo množství páry přiváděné do motoru.

Kotel: Teplo se přidává do vody v kotli, aby se vytvořila pára, na obrázku je uvedeno 2 až 3. Kotlům se někdy říká parní generátory a společnost Cyclone Power Technologies použila termín „spalovací komora / výměník tepla“ nebo „CCHX“.^[11] Bez ohledu na použitý název, pokud je tlak v systému vyšší než 15 psi (1 bar) a je přidáno teplo, je zařízení legálně kotel. Všechny státy ve Spojených státech s výjimkou Idaho a Wyomingu a všechny provincie v Kanadě legálně přijaly požadavek na registraci kotlů u Národní rada inspektorů kotlů a tlakových nádob.^[12] Registrace zahrnuje požadavky, aby byla konstrukce kotle schválena jako vyhovující Kód kotle a tlakové nádoby ASME (BPVC), musí být postaveno v zařízení, které je v současné době schváleno ASME k výrobě takových kotlů, musí být instalováno a testováno se souhlasem inspektora Národní rady a je povinen podstoupit pravidelné kontroly na náklady vlastníka.

Právní jurisdikce může také vyžadovat, aby instalaci provozoval licencovaný uživatel stacionární inženýr, jakož i krytí dostatečným pojištěním odpovědnosti.

Důvodem takového zkoumání jsou katastrofické ztráty, ke kterým může dojít v důsledku a exploze kotle.

Systém bude také vyžadovat schválenou páru bezpečnostní ventil a řízení hladiny vody, jakož i ventily pro vodu do kotle a páru do motoru. Pokud má systém fungovat bez dozoru, jsou zapotřebí senzory a automatické bezpečnostní vypínací systémy.

Motor pro odpadní teplo tedy může být jednou z nejméně nákladných součástí kompletního systému rekuperace odpadního tepla.

Reference

externí odkazy

• Oficiální webové stránky Cyclone Power Technologies
• Oficiální web Q2Power, Inc.