Циклонный двигатель-утилизатор

Циклонный тепловой двигатель-утилизатор (WHE) — небольшой паровой двигатель, разработанный для производства электроэнергии из пара, образующегося из отходящего тепла . Это ответвление разработки двигателя Cyclone Mark V , разработанной компанией Cyclone Power Technologies из Помпано-Бич, Флорида. Первоначальные версии были разработаны изобретателем Гарри Шоеллом, основателем Cyclone Power Technologies, а более поздние версии были разработаны Центром Университета штата Огайо автомобильных исследований (OSU-CAR).

В июле 2014 года Cyclone Power Technologies выделила свой продукт двигателей на утилизированном тепле в отдельную WHE Generation Corporation, ^[1] которая ведет бизнес под торговой маркой Q2Power, Inc. из Ланкастера, штат Огайо.

Конструкция и эксплуатация двигателя

Циклонный двигатель на отходах тепла (WHE) представляет собой паровой двигатель одностороннего действия с однопоточным потоком . Двумя основными вариациями являются WHE-25, шестицилиндровый радиальный двигатель, разработка которого продолжалась до ноября 2013 года, и 3-цилиндровый WHE-DR, который с тех пор находится в стадии разработки. ^[2] Построен демонстрационный макет 12-цилиндрового радиального двигателя. ^[3] но неизвестно, были ли построены в этой конфигурации какие-либо работающие двигатели.

Операция

Момент впускного клапана(ов) устроен таким образом, что независимо от того, в каком положении находился двигатель в момент его последней остановки, клапан по крайней мере одного цилиндра всегда будет открыт. Это позволяет двигателю запускаться самостоятельно всякий раз, когда к нему подается пар, без использования других средств, таких как электростартер, которые вызывали бы первоначальное вращение двигателя.

Часть хода, в течение которой впускной клапан парового двигателя открыт, называется отсечкой . На WHE-25 это 34% хода. ^[4] От верхней мертвой точки до 34% хода кривошип поворачивается на угол около 71°. В шестицилиндровом двигателе один поршень достигает верхней мертвой точки каждые 360°/6 = 60°. В трехцилиндровом двигателе WHE-DR поршень достигает ВМТ только каждые 120°, поэтому его впускной клапан должен открываться на гораздо больший угол, чтобы обеспечить самозапуск двигателя. Если клапан открыт при повороте коленчатого вала на 130°, значение отсечки составит около 64%.

Такт расширения парового двигателя охватывает перемещение поршня от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки . Когда поршень поворачивает назад и возвращается в верхнюю мертвую точку, выпускной клапан должен открыться, чтобы пар, расширенный от предыдущего хода, мог выйти из цилиндра. Двигатель WHE имеет выпускной клапан в каждом поршне, приводимый в действие выступом шатуна (см. рисунок справа). На такте выпуска угол шатуна заставляет его открывать поршневой клапан, позволяя расширенному пару выходить в картер.

В конструкции WHE-25 использовался пластинчатый клапан, представляющий собой кусок тонкого металла, закрывающий верхнюю часть поршня (как показано на рисунке). В конструкции WHE-DR язычок заменен шариком, покоящимся в седле клапана в головке поршня. ^[5]

«Подшипник-паук»

WHE-25 имеет шесть шатунов, имеющих одну шатунную шейку на коленчатом валу . Стандартная конструкция такого соединения состоит в том, что главный шатун соединен с одним поршнем, а остальные шатуны соединены со штифтами на большом конце главного шатуна. Гарри Шоелл, изобретатель WHE, также изобрел то, что он назвал «паутинным подшипником». ^[6] который представляет собой диск, который может вращаться вокруг шатунной шейки и имеет по одной опорной шейке по своей периферии для каждого из шести шатунов. Хотя эта конструкция устраняет необходимость в отдельном главном стержне, она вводит одну неконтролируемую степень свободы , т. е. сам подшипник крестовины может вращаться в одном направлении до тех пор, пока его движение не будет остановлено ударом о шатуны, а затем вращаться в другом направлении за счет на некоторый угол, прежде чем он будет остановлен повторным ударом по шатунам.

В конструкции WHE-DR исключен подшипник крестовины за счет смещения каждого цилиндра относительно других в продольном направлении, так что большие концы шатуна могут располагаться на общей шатунной шейке бок о бок. Сообщается, что «первоначальное тестирование продемонстрировало значительно более плавную и тихую работу». ^[2] Устранение подшипника крестовины было единственным изменением конструкции, которое могло привести к такому улучшению.

Водяная смазка

Конструкция двигателя на утилизаторе тепла требует использования воды для смазки движущихся частей, поскольку выхлопной пар попадает в картер двигателя. Любое масло, используемое для смазки коленчатого вала и шатунных подшипников, вскоре образует эмульсию масла и воды, которая будет иметь очень плохие смазочные свойства.

Коренные подшипники коленчатого вала и шатунов, а также поршни, скользящие в их цилиндрах, работают в режиме гидродинамической смазки. Несущая способность опорного подшипника является прямой функцией динамической вязкости смазочной жидкости. Вода при 20 °C имеет вязкость 0,001002 Па·с, тогда как типичное моторное масло может иметь вязкость около 0,250 Па·с. ^[7] Таким образом, вода примерно в 250 раз менее эффективна в качестве смазки, чем масло.

Cyclone Power Technologies заключила контракт с Университета штата Огайо Центром автомобильных исследований (OSU-CAR) на инженерный анализ. Презентация от 8 марта 2014 г. ^[5] OSU-CAR назвал подшипники двигателя «критической проблемой» и заявил:

«Не считая собственного опыта компании Cyclone, данных об использовании водной смазки для шарикоподшипников или роликоподшипников в нашей среде и при наших нагрузках мало или вообще нет. Расчетный срок службы с использованием только нагрузки на подшипник и коэффициентов масштабирования вязкости смазки показывает, что требуется очень высокое соотношение несущей способности к приложенной нагрузке».
«Существуют минимальные данные по использованию полимерных опорных подшипников с водной смазкой в нашей среде и при наших нагрузках. Было показано увеличение срока службы в соотношении 4:1 при работе в погруженном состоянии, но мало данных о долгосрочном износе при смазке водой под давлением. "

Контракт между Cyclone Power Technologies и Phoenix Power Group на WHE ^[8] заявляет, что Phoenix Power Group произведет предварительный платеж в размере 150 000 долларов США «По завершении 200-часовых испытаний WHE версии 5.0 на долговечность, проводимых и/или контролируемых OSU. Испытания на долговечность должны состоять из работы двигателя WHE без сбоев и выдачи от 10 до 20 л.с.». По состоянию на 25 марта 2015 г. не было никаких признаков того, что двигатель с водяной смазкой прошел это 200-часовое испытание на долговечность.

Эффективность

О независимых испытаниях какой-либо модели WHE не сообщалось, но об этом свидетельствует опубликованная информация об испытательной системе рекуперации отходящего тепла для компании Bent Glass Design из Хатборо, Пенсильвания. ^[9] Система была описана как обеспечивающая электрическую мощность до 10 кВт с использованием двигателя модели WHE-25 и «преобразовывающая более 500 000 БТЕ тепла от печей по производству стекла заказчика в электроэнергию». Расход тепла 500 000 БТЕ/ч равен 146,5 кВт.

${\text{Efficiency}}={{\text{power out}} \over {\text{power in}}}={10kW \over 146.5kW}=6.8\%$

Двигатель WHE-25 имеет отсечку 34%. ^[4] Это позволяет в течение оставшихся 66% хода поршня расширять пар, извлекая из него работу и вызывая падение давления. На рисунке справа показано, как падает давление в цилиндре паровой машины после точки отсечки. WHE-DR должен иметь гораздо более позднее отключение, чтобы позволить ему запуститься самостоятельно. Более позднее отключение приводит к большему среднему эффективному давлению , что обеспечит большую выходную мощность для двигателя заданного размера, работающего с заданной скоростью, но также приводит к снижению эффективности, поскольку пар при выпуске из цилиндра находится под более высоким давлением. и меньшая часть его энергии была преобразована в механическую работу.

Вспомогательное оборудование

Депандер: Паровой двигатель — это всего лишь один компонент энергетической системы с циклом Ренкина . На рисунке цикла Ренкина справа между состояниями 3 и 4 показана турбина, а не поршневой двигатель с возвратно-поступательным движением, но любое устройство действует как расширительная ступень в цикле.

Конденсатор: Устройство между состояниями 4 и 1 является конденсатором . Он отводит тепло из выхлопного пара двигателя и конденсирует его обратно в воду. В случае с двигателем ВЭД-25 из предыдущего подраздела из 146,5 кВт тепловой энергии, отдаваемой в начальном паре, 10 кВт преобразовывались в электроэнергию. Остаётся 146,5 – 10 = 136,5 кВт тепловой энергии, которую нужно отвести конденсатору. Для сравнения: дизельный двигатель Caterpillar C13 , который обычно используется в тягачах с прицепами, имеет мощность отвода тепла от охлаждающей жидкости 128 кВт. ^[10] Таким образом, конденсатор двигателя WHE-25 мощностью 10 кВт будет размером с радиатор полуприцепа. Новый WHE-DR, вероятно, менее эффективен, поэтому для той же выходной мощности потребуется конденсатор еще большего размера.

Конденсатору требуется достаточный поток воздуха для отвода тепла. Для создания такого воздушного потока обычно используется вентилятор, а его энергопотребление снижает полезную мощность системы.

Насос питательной воды: Конденсированная вода хранится в резервуаре, а затем перекачивается под высоким давлением насосом питательной воды (поз. 1–2 на рисунке). Для этого насоса требуется источник энергии, а также система управления, чтобы он перекачивал необходимое количество воды, чтобы компенсировать количество пара, подаваемого в двигатель.

Бойлер : к воде в котле добавляется тепло для образования пара, отмечено цифрами 2–3 на рисунке. Котлы иногда называют парогенераторами, а Cyclone Power Technologies использует термин «камера сгорания/теплообменник» или «CCHX». ^[11] Независимо от используемого названия, если давление в системе превышает 15 фунтов на квадратный дюйм (1 бар) и добавляется тепло, устройство по закону считается котлом. Все штаты США, за исключением Айдахо и Вайоминга, а также все провинции Канады законодательно приняли требование о регистрации котлов в Национальном совете инспекторов котлов и сосудов под давлением . ^[12] Регистрация включает в себя требования о том, что конструкция котла должна быть одобрена как соответствующая Кодексу ASME по котлам и сосудам под давлением (BPVC) , должна быть построена на объекте, в настоящее время уполномоченном ASME для строительства таких котлов, должна быть установлена и испытана с одобрением Национального совета. инспектор, и обязан проходить периодические проверки за счет владельца.

Юрисдикция может также потребовать, чтобы установка управлялась лицензированным стационарным инженером , а также была застрахована достаточной ответственностью.

Причиной такого пристального внимания являются катастрофические потери, которые могут возникнуть из-за взрыва котла .

Для системы также потребуется утвержденный паровой предохранительный клапан и регулятор уровня воды, а также клапаны для подачи воды в котел и пара в двигатель. Если система предназначена для работы без присмотра, то необходимы датчики и системы автоматического защитного отключения.

Таким образом, двигатель на отработанном тепле может быть одним из наименее дорогих компонентов полной системы рекуперации отходящего тепла.

Ссылки

^ Ежеквартальный отчет Cyclone Power Technologies, Inc. (Отчет). Комиссия по ценным бумагам и биржам . 30 июня 2014 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Cyclone Power Technologies завершает создание двигателя на утилизаторе нового поколения совместно с Центром автомобильных исследований Университета штата Огайо» (пресс-релиз). 5 ноября 2013 г.
^ Кертис Эллзи берет интервью у Гарри Шоелла о циклонном тепловом двигателе – через youtube.com.
^ Jump up to: ^а ^б Спецификация циклонного двигателя на отходах тепла. Получено из «Технические характеристики циклонного теплового двигателя» (PDF) . cyclonepower.com . Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2015 г. Проверено 22 марта 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б «ИНЖЕНЕРНЫЙ АНАЛИЗ ЦИКЛОННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ-УТИЛИЗАТОРОВ» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2015 г. Проверено 21 марта 2015 г.
^ Патент США 7900454 «Шатунные шейки и крестовина коленчатого вала в двигателе».
^ Сервей, Раймонд А. (1996). Физика для ученых и инженеров (4-е изд.). Издательство Колледжа Сондерса. ISBN 0-03-005932-1 .
^ Лицензионное соглашение на применение системных приложений с поправками и изменениями для компании Cyclone Power Technologies, Inc (Отчет). Комиссия по ценным бумагам и биржам . 30 сентября 2013 г.
^ «Bent Glass Design приобретает систему двигателя у Cyclone Power Technologies» (пресс-релиз).
^ «Технические характеристики дизель-генераторной установки Caterpillar C13» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 17 апреля 2015 г. Проверено 25 марта 2015 г.
^ «Cyclone Power Technologies и Phoenix Power Group успешно интегрируют систему совместного производства отработанного масла» (пресс-релиз).
^ «Сводная карта Национального совета на 2015 год» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 17 апреля 2015 г. Проверено 25 марта 2015 г.

Внешние ссылки

[2014q2-1] Ежеквартальный отчет Cyclone Power Technologies, Inc. (Отчет). Комиссия по ценным бумагам и биржам . 30 июня 2014 г.

[whedr-2] Jump up to: ^а ^б «Cyclone Power Technologies завершает создание двигателя на утилизаторе нового поколения совместно с Центром автомобильных исследований Университета штата Огайо» (пресс-релиз). 5 ноября 2013 г.

[vid20080602-3] Кертис Эллзи берет интервью у Гарри Шоелла о циклонном тепловом двигателе – через youtube.com.

[whe25specs-4] Jump up to: ^а ^б Спецификация циклонного двигателя на отходах тепла. Получено из «Технические характеристики циклонного теплового двигателя» (PDF) . cyclonepower.com . Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2015 г. Проверено 22 марта 2015 г.

[osupres-5] Jump up to: ^а ^б «ИНЖЕНЕРНЫЙ АНАЛИЗ ЦИКЛОННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ-УТИЛИЗАТОРОВ» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2015 г. Проверено 21 марта 2015 г.

[spider-6] Патент США 7900454 «Шатунные шейки и крестовина коленчатого вала в двигателе».

[7] Сервей, Раймонд А. (1996). Физика для ученых и инженеров (4-е изд.). Издательство Колледжа Сондерса. ISBN 0-03-005932-1 .

[PhoenixLic-8] Лицензионное соглашение на применение системных приложений с поправками и изменениями для компании Cyclone Power Technologies, Inc (Отчет). Комиссия по ценным бумагам и биржам . 30 сентября 2013 г.

[pr20090128-9] «Bent Glass Design приобретает систему двигателя у Cyclone Power Technologies» (пресс-релиз).

[10] «Технические характеристики дизель-генераторной установки Caterpillar C13» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 17 апреля 2015 г. Проверено 25 марта 2015 г.

[pr20120927-11] «Cyclone Power Technologies и Phoenix Power Group успешно интегрируют систему совместного производства отработанного масла» (пресс-релиз).

[12] «Сводная карта Национального совета на 2015 год» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 17 апреля 2015 г. Проверено 25 марта 2015 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]