Családi tervező és feltaláló csoport
nyelv nyelv

Photos by magaieu


INVERZ MOTOR


(SZTNH ügyszám: P1400284)


Technikai alapok:

A jelen gyakorlat szerint a hőerőgépek akkor teljesítenek a legjobban, ha minél nagyobb hőkülönbséget és / vagy nyomáskülönbséget alkalmazunk.

A környezetből felvett hőenergiát a hőerőgépek nem képesek teljes mértékben hajtássá alakítani. A hatékonyságuk egyik jellemzője a hatásfok, amely megmutatja, hogy a bevitt hőenergia hányad része alakul hasznos hajtássá.

A hőerőgépek energia termelő folyamatát leggyakrabban a Carnot körfolyamathoz viszonyítják. Ezen számítások jellemzője, hogy két adiabatikus és két izotermikus állapotváltozás képezi a körfolyamatot. Az elméleti veszteségmentes (reverzibilis) esetben az effektív hatásfok (a hasznos hajtás, valamint a bevitt hőenergia hányadosa) csak a hasznosított hőlépcső (alsó és felső hőmérséklet különbsége) nagyságától függ. A termodinamikai számítások szerint a Carnot körfolyamattal lehet elérni a legmagasabb elméleti effektív hatásfokot. Ennél alacsonyabb hatásfokot lehet elérni - többek között - a (Joule-) Brayton, az Otto és a Diesel körfolyamatokkal.

Némileg kilógnak a sorból az atmoszferikus gépek. Egyik korai példa a Thomas Newcommen által 1712-ben szabadalmaztatott gép. Ennél a hevítéssel előállított gőz tolta helyére a dugattyút, de a víz emelését a gőz kondenzációja után kialakult nyomáskülönbséggel a környezeti levegő térfogati munkája végezte. Az effektív hatásfoka 0,5 % körül lehetett.

Napjainkban a hőerőgépek esetében általában a belső nyomás jelentősen meghaladja a 20 – 40 bar-t, de nem ritka a 100 bar-nál lényegesen nagyobb belső nyomás alkalmazása sem. A nagy nyomásokhoz magas hőmérséklet különbség is tartozik annak érdekében, hogy a hatásfok és a fajlagos teljesítmény minél magasabb legyen.

Inverz technológia:

Az „inverz” szó itt fordítottat, kifordítottat jelent. Az inverz technológia lényegét az „inverz motor” alapesetén keresztül mutatjuk be az 1.ábrán, amely egy expanderből, egy kompresszorból és legalább egy hőcserélőből áll.


kép1
1.ábra

Az 1. ábrán a jelölések:

E: expander egység
K: kompresszor egység
h: hőcserélő
H: hőcserélő
q: hőelvonás
qki: kipufogott hő
Q: hőközlés
M: hajtás fogyasztó
Vcs: visszacsapó szelep
Va: adagoló szelep
1: munkaközeg betolása
2: hűtés kezdete
3: hűtés vége
4: kitolás 1 bárra


A 2.ábrán a forgó dugattyúk egy lehetséges kialakítását mutatjuk ahol a súrlódási veszteség csökkentése érdekében hajtott elválasztó elemeket alkalmazunk.

kép2
2.ábra

A működés leírása:

A kísérleti összeállításunkban a környezeti nyomáson lévő, de a Q hőforrás által felmelegített levegő a Va adagoló szelepen áthaladva az 1-es ponton 1 báros nyomással feltölti a térfogat kiszorításos elven működő „E” expander táguló terét, miközben feltöltési munkát végez a tengelyen. Az adagoló szelep zárását követően a táguló térben lévő levegő expandál a h hőcserélő nyomására. A dugattyú átfordulását követően a 2-3 pontok között a levegő a környezet hőmérsékletére hűl a „q” hőcserélőben. Azután az expanderrel közös tengelyen lévő „K” kompresszor összenyomja a lehűlt levegőt 1 bar-ra, majd a 4-es pontban a visszacsapó szelepen át a környezetbe tolja.

A folyamatok ábrázolása:

A 3.ábrán p-V diagramban ábrázoljuk az expanzió térfogati munkáit. A balra dőlő vonalkázás a forgó dugattyút az óramutató járása szerint forgató munkát mutatja (+ irány). A jobbra dőlő vonalkázás a „h” hőcserélőben lévő 0,737 bar-os levegő által végzett (-) irányú térfogati munkát mutatja.

kép3
3.ábra
kép4
4.ábra



A hajtáson a (+) betolási és expanziós munka áll szemben a „h” hőcserélő felé történő (-) kitolási munkával. A 4.ábrán a kompresszor egységben megvalósuló térfogati munkákat ábrázoljuk p-v diagramban.

A hajtáson a (-) kompressziós és kitolási munka áll szemben a (+) betolási munkával. Mivel a munkaközeg hőt vesztett a „h” hőcserélőben, ezért – azonos tömegáram mellett – a térfogata kisebb, mint az 1-es pontban volt, ezért kisebb térfogati+kompressziós munkával kitolható a munkatérből, mint amennyi munkát végzett a környezet a betoláskor és expandáláskor.


Modell számítás:

Példaként bemutatunk egy számítást, amelyet az egyesített gáztörvény összefüggéseit felhasználva számoltunk ki.
(p1 * V1 / T1 = p2 * V2 / T2) A veszteségeket az egyszerűség érdekében elhanyagoljuk ugyanúgy, mint a referenciaként alább hozott Brayton körfolyamatnál tesszük.


Bemenő adatok:

1-es pontban munkaközeg: p1 = 1 bar, t1 = 80 oC levegő
környezeti (hűtés alsó) hőmérséklet “h” hőcserélőnél: 0 oC térfogatáram: v=12,6 m3/h, fajlagos munkatérfogat v1 = 0,804 (arányszám a lökettérfogathoz viszonyítva)


Eredmények:

2-es pontban munkaközeg: p2 = 0,737 bar, t2 = 51 oC, v2 = 1,000
3-as pontban munkaközeg: p3 = 0,737 bar, t3 = 0 oC, v3 = 0,844
4-es pontban munkaközeg: p4 = 1,00 bar, t4 = 25 oC, v4 = 0,679


A térfogati munkák összegzése által az adott térfogatáramhoz létrejött hasznos hajtó teljesítmény: L = 10,3 W

Az effektív elméleti hatásfok = L / q1,4 = 8,3%

ahol
L = p1 * v1 + Wexp - p2 * v2 + p3 * v3 - p4 * v4 - Wcomp
A p*v szorzat a ki és betolási munka a Wexp az expanziós,
a Wcomp a kitolás előtti adiabatikus sűrítés teljesítmény igénye.


Az „inverz” működés miatt nem a hőközlés által létrehozott többlet energiát expandáljuk le, hanem a hőelvonás segítségével létrehozott, a környezet által végzett térfogati munkát alakítottuk hajtássá. A 2-3 pontok között ugyanakkora tömegű levegőt adagolunk be, mint ki.

A vizsgált munkaponton a hatásfok megegyezik egy Brayton ciklus hatásfokával, de az inverz esetben nem hőközlés, hanem hőelvonás + környezeti térfogati munka a kimenő munka forrása.

Amennyiben a p1 és p2 nyomások közötti arányszámot növeljük, akkor a hatásfok – a Brayton ciklusnál megszokottal ellentétben – növekedni fog. A 0,99 -es nyomásarány esetén az elméleti effektív hatásfok megközelíti a 18,8 %-ot.
(A Brayton a hatásfok itt 0-ba tart.)

Amennyiben a környezeti alapnyomásnál magasabb külső nyomást alkalmazunk (a rendszert zárt tartályba helyezzük), de nem változtatjuk meg a nyomások arányát (1 bár helyett 10, a 0.737 bár helyett 7,37), akkor a teljesítmény a statikus nyomás növekedési arányát megközelítően nő.

Amennyiben az inverz motor egységet nem önállóan használjuk, hanem kiegészítjük egyéb hőerőgép fokozattal, akkor a „h” hőcserélőn át leadott „q” hőenergia egyrészt hasznos hajtást hoz létre az inverz motorban, másrészt ugyanaz a hőátadás a hőcserélő külső oldalán egy hőlégmotorba jutva hasznos hajtást hozhat létre az ottani viszonyok mellett, ahol a munkavégzés fedezete a komprimált munkaközegbe hozott hőenergia. Így a megmozgatott hőenergia által létrejött hiányt is és a többletet is külön egységben hasznosítva összegezzük.


Referencia:

Ismert, hogy a Brayton körfolyamat hatásfoka csak a nyomásaránytól függ: termikus hatásfok =
(1 - 1/(p2/p1)(k-1)/k
Legyen az alsó hőmérséklet = 0 oC, a felső hőmérsékletet 80 oC.
A munkaközegből elvont hőenergia=q.
A levegő munkaközeg térfogatárama = 12,6 m3/h 1 bar nyomáson.

A Brayton körfolyamat és az Inverz motor hatásfokának összefüggését az 5.ábrán mutatjuk.

A görbék metszéspontja alapján belátható, hogy egy célszerűen megválasztott nyomás tartományban az inverz motor elméleti effektív hatásfoka a Brayton hatásfok többszöröse is lehet.

A 0,737-es nyomásviszony érték felett az Inverz motor működik magasabb elméleti hatásfokkal.

kép5
5.ábra

Az 5.ábrán mutatott diagram a 80-0 oC hőmérséklet lépcsőre érvényesek. Nagyobb hőmérséklet lépcsőnél az inverz motor előnye még jelentősebb.

A 6.ábrán összehasonlítjuk az Inverz motor és a Brayton ciklus hatásfokát különböző hőmérséklet különbségek esetében.
(Az alsó hőmérséklet az 1.ábra 1-es pontjának, a felső hőmérséklet a 3-as pontjának felel meg.)

6.ábra

Alsó … felső
hőmérséklet (oC)
Nyomás arány Inverz motor
hatásfok (%)
Brayton ciklus
hatásfok (%)
0...80 0,7 7,1 9,69
0...80 0,8 10,6 6,20
0...80 0,9 14,4 2,97
15...80 0,7 4,8 9,69
15...80 0,8 7,8 6,20
15...80 0,9 11,3 2,97
0...150 0,7 11,8 9,69
0...150 0,8 15,6 6,20
0...150 0,9 20,0 2,97
0...200 0,7 13,4 9,69
0...200 0,8 17,3 6,20
0...200 0,9 21,5 2,97

Az inverz technológia sajátosságai:

A hőerőgépek hagyományos számolásához az energia mérleg meghatározásánál csupán a „hőtartályok” hőenergia tartalmának változását (általában hőmérsékletét) adja meg a gyakorlat, ezért az energia bevezetése a hőenergia bevezetésre korlátozódik. (Ez az általános érvényű energia betáplálásnak egy leszűkített értelmezése annak érdekében, hogy a számítások egyszerűbbé váljanak. )

Az Inverz technológiánál az energia forrás esetén a hőenergia változást ki kell egészítenünk a végzett térfogati munka figyelembe vételével. Az energia megmaradási törvénynek megfelelően számoljuk a környezet összetett hatását (hő és térfogati munka, aerodinamika...), és nem hanyagoljuk el a ki- és betolási munkákat sem.

kép7
7.ábra


Az egyes részfolyamatok egymásra hatása miatt nem alkalmazható az additivitás az egyes alrendszerekre, ezért minden állapotváltozást és közegáramlást külön számolunk, és a végén összegzünk. Az adiabatikus állapotváltozások térfogati munkáját numerikus integrálással számoljuk a kezdő- és végtérfogati pontok között.

Az inverz motor esetében a hőerőgépeknél szokásos kipufogási veszteség helyett a betoláshoz viszonyított kipufogási nyereség jelentkezik, és a hőcserélő környezeti oldalán megvalósult izobár állapotváltozáshoz társult térfogati munka egy része a hőcserélőben kivezethető hővé, másik része a hajtáson munkává alakul az inverz működés következtében.



Fejlesztési lehetőségek:

A példánkban nyitott rendszert mutattunk be 1 bar környezeti nyomással. Amennyiben a ki- és bemeneteket lezárjuk egy hőcserélővel, akkor az 1 bár helyett akár 10, vagy 50 báros statikus nyomást is alkalmazhatunk. Ebben az esetben a munkaközeg tömege megsokszorozódik, így a fajlagos teljesítmény is megsokszorozódik. A nyomásarányokat célszerű alacsonyan tartani – levegő alapú munkaközeg esetén.


Ma már előállíthatók olyan forgó egységek, amelyek fajlagos üresjárati forgatási igénye (mechanikus vesztesége) kompresszorként a hagyományos hűtő, vagy légkompresszorok teljesítmény-lökettérfogat hányadosának (W/cm3) 50 -ed része. (Lásd a 8.ábra)

Expanderként a kis súrlódású egységekkel már 0,1 – 0,2 bar nyomáskülönbséggel is lehet hasznos hajtást létrehozni, miközben 5-10 bar nyomáskülönbségnél is üzembiztosak maradnak.

A jelenlegi belsőégésű motorok effektív indikált középnyomása 10 bar körül van, de a belső súrlódásuk a névleges teljesítmény 6-12 %-át is eléri.

kép8
8.ábra

Nyomásálló egységeket is lehet alkalmazni, de hermetikusan zárt tartályba is elhelyezhető a forgó egység. A 80 oC alatti hőmérsékletű hőforrások is jó hatásfokkal használhatók hajtás előállítására: füstgáz, technológiai gázok, meleg folyadékok, napenergia, földhő...

Az inverz motor szerkezetét nem kell hűteni, folyadékkal kenni.

A hőerőgépeknél megszokott kipufogási-kitolási veszteség helyett kipufogási nyereségről beszélhetünk.

Inverz technológiát alkalmazva a hőtárolós energiaellátó rendszerek hőenergia tartalma a jelenleginél jóval alacsonyabb értékig gazdaságosan kisüthető.



Jelen példánkban az Inverz motor alapváltozatát mutattuk be. Az energia forrásoknak, illetve a hajtási, hőkormányzási igényeknek megfelelően további egységekkel bővíthető a berendezés.

A rendszer aerodinamikus elven működő expanderrel és kompresszorral is megépíthető.