Design and modeling of a uni-directional piston expander, a case study

• Autorzy: Rutczyk Bartłomiej

Warianty tytułu

PL

Projekt i modelowanie rozprężarki tłokowej typu przelotowego, studium przypadku

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A design of a reciprocating piston expander based on the uni-directional flow principle is proposed. The conversion of low value heat into mechanical work and electrical energy is a basic problem of small co-generation power plants. It is postulated that the proposed expander is appropriat for such applications. A methodology for engine design and modeling is brought forward and outlined. The design principle is based on the outlines proposed for steam engines by Stumpf [1]. The proposed design is of a horizontal, low speed unit designed with ease of manufacture in mind. Calculations based on the model show isentropic efficiencies around 70%, with the nominal power of 1,2 kW, for a machine working on 7 bar, mildly superheated steam, with the outlet pressure of 0,3 bar and condenser coolant used for residential heating. Furthermore, the most crucial mechanical and stress calculations are outlined.

PL

Przedmiotem pracy jest projekt tłokowego silnika parowego, jako rozprężarki dla siłowni parowych o małej mocy. Uznano, że dla założonych parametrów pary (7 bar na wlocie, 0,3 bar w skraplaczu) i przyjętej mocy w granicach 1,4 kW, konstrukcją optymalną ze względu na sprawność wewnętrzną i prostotę konstrukcji będzie maszyna o przepływie jednokierunkowym [1, 4]. W celu określenia jej wymiarów, stworzono uproszczony model obliczeniowy bazujący na założeniu, że sprężanie i rozprężanie pary to proces politropowy, w którym nadto wzięto pod uwagę straty ciśnienia pary na wlocie do maszyny, korzystając ze wzorów empirycznych [11]. Następnie, uzyskane w ten sposób wymiary wykorzystano jako dane dla kolejnego modelu, bazującego już na założeniu, że czynnik roboczy stanowi gaz rzeczywisty. Model ten utworzono w programie EES. Opiera się on na rozwiązywaniu równań bilansów w celu określenia parametrów pary w punktach charakterystycznych wykresu p-V. Następnie wykres jest kreślony przez program, zakładając przebieg krzywych wlotu i wylotu jako odpowiednio paraboli i funkcji wykładniczej (co stanowi dopuszczalne uproszczenie funkcji wylotu podanej przez Schulego [13] w tym szczególnym przypadku), oraz krzywych sprężania i rozprężania jako zbioru punktów dla procesu izentropowego (w ten sposób bierze się pod uwagę zmienność wykładnika izentropy). Zmieniając w modelu parametry prędkości obrotowej n i napełnienia ε rysuje się następnie charakterystyki mocy, momentu obrotowego i sprawności izentropowej maszyny. Osiągalne są sprawności izentropowe rzędu 0,8 przy małych mocach, oraz rzędu 0,7 przy mocach około nominalnych (1,4 kW). W dalszej części pracy pokazane są szczegóły obliczeń konstrukcyjnych proponowanej maszyny, w tym obliczenia zaworów wlotowych i obliczenia wytrzymałościowe wału i innych elementów. Na bazie ich wyników stworzono projekt silnika (w oprogramowaniu Solidworks).

Słowa kluczowe

EN

volumetric expander; piston expander; steam engine; Rankine cycle; pressure losses; expansion; valve pressure drop

PL

rozprężarka tłokowa; maszyna parowa; obieg Rankine’a; straty ciśnienia; rozprężanie; spadek ciśnienia w zaworze

• Wydawca: Instytut Techniki Cieplnej, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, Politechnika Śląska
• Czasopismo: Archiwum Instytutu Techniki Cieplnej
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 2
• Strony: 111--133
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Rutczyk Bartłomiej

• Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska

Bibliografia

• [1] J. Stumpf, The una-flow steam engine, second edition, Syracuse (1922)
• [2] G. Ferrara, G. Manfrida, A. Pescioni, Model of a small steam engine for renewable domestic CHP (combined heat and power) system, Energy (2013)
• [3] A. Miller, Teoria maszyn wirnikowych : zagadnienia wybrane, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa (2014)
• [4] St. Ochęduszko, Teoria maszyn cieplnych, tom II, PWT, Warszawa (1953)
• [5] W.Nußelt, Technische Thermodynamik, band 2:Theorie der Wärmekraftmaschinen, Walter de Gruyter, Berlin (1951) ISBN 9783111374550
• [6] R.L.Hills, Power from steam, Cambridge University Press, Cambridge (2000)
• [7] Y.A.Cengel, Heat and mass transfer, a practical approach, McGraw-Hill, New York (2006)
• [8] X.Zhang, X.Yuije, Study of a single-valve reciprocating expander, Journal of the Energy Institute, 2016
• [9] A. Perepeczko, J.Staliński, Okrętowe kotły i silniki parowe, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk (1971)
• [10] T. Neuman, Silniki parowe, Wydawnictwa komunikacyjne, Warszawa (1955)
• [11] W. Mozer, Stawidła suwakowe parowozów tłokowych, Książnica-Atlas, Lwów (1938)
• [12] J.Szargut, Termodynamika Techniczna, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice (2013),
• [13] W.Schule, Zur Dynamik der Dampfstromung in der Kolbendampfmaschine, VDIZeitschrift Band 50, Selbstverlag des Vereines, Berlin (1906)
• [14] Wolfram Mathworld, http://mathworld.wolfram.com/CircularSegment.html, access 10.11.2016
• [15] G.Klijn, W.Koetsier, A Note on Stephenson’s Valve Gear and its Analysis in the 1850s, 13th World Congress in Mechanism and Machine Science, Guanajuato, México, 19-25 June, (2011)
• [16] S.D.Eckard, R.D.Brooks, Design of reciprocating, single cylinder expanders for steam, final report, EPA-460/3-73-003, US Enviromental protection agency, Ann Arbor (1973)
• [17] Friction coefficients, Engineering toolbox, http://www.engineeringtoolbox.com/friction-coefficients-d_778.html, access 17.11.2016
• [18] M.Gleisner, C.Wieland, The Misselhorn Cycle: Batch-Evaporation Process for Efficient Low-Temperature Waste Heat Recovery, Energies (2016)
• [19] M.T.Huber, Stereomechanika techniczna, PWN, Warszawa (1958)
• [20] A.Rutkowski, A.Stępniewska, Zbiór zadań z części maszyn, WSiP, Warszawa (1978)

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).