사이클론 폐열 엔진

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사이클론 폐열엔진(WHEL)은 폐열에서 생성된 증기로부터 동력을 생산하기 위해 개발된 소형 증기엔진이다.플로리다주 폼파노비치 사이클론파워 테크놀로지스가 개발한 사이클론 마크 V엔진 개발의 산물이다.원본은 사이클론 파워 테크놀로지의 창시자인 발명가 해리 쇼엘이 디자인했고, 이후 버전은 오하이오 주립대학 자동차 연구 센터(OSU-CAR)가 디자인했다.null

2014년 7월 사이클론 파워 테크놀로지는 자사의 폐열 엔진 제품을 오하이오주 랭커스터의 Q2Power, Inc.^[1]라는 상표명으로 사업을 하는 별도의 WIH 제너레이션 주식회사로 분리했다.null

엔진 구성 및 작동

사이클론 폐열 엔진(WHEL)은 단일 작동의 유니플로우 증기 엔진이다.2013년 11월까지 개발 중인 6기통 방사형 엔진인 WIH-25와 이후 개발 중인 3기통 WIH-DR이 크게 변형됐다.^[2]12기통 방사형 엔진의 디스플레이 모델이 제작됐지만,^[3] 이 구성에서 작동 중인 엔진이 제작됐는지는 알려지지 않았다.null

작전

승인 밸브의 타이밍은 엔진이 마지막으로 정지했을 때 어떤 위치에 있든 최소한 하나의 실린더에 대한 밸브가 항상 열려 있도록 배치된다.이는 증기가 공급될 때마다 전기 스타터 모터와 같은 다른 수단이 없이 스스로 엔진을 시동할 수 있게 한다.null

증기 엔진에서 입구 밸브가 열리는 스트로크의 분율을 컷오프라고 한다.WIH-25에서는 스트로크의 34%이다.^[4]상단의 데드 중심에서 스트로크의 34%까지 크랭크는 약 71°의 각도를 통해 회전한다.6기통 엔진에서 피스톤 1개는 360°/6 = 60°마다 상사점에 도달한다.3기통 WIH-DR 엔진은 120°마다 피스톤 리치 TDC만 있으므로, 엔진의 자체 시동을 보장하기 위해 훨씬 더 큰 각도로 입구 밸브를 열어야 한다.밸브가 크랭크축 회전의 130° 동안 열려 있는 경우 컷오프 값은 약 64%가 될 것이다.null

증기 엔진의 팽창 스트로크는 상단 데드 중심에서 하단 데드 중심까지의 피스톤 이동을 커버한다.피스톤이 역회전하여 상사점으로 되돌아갈 때, 이전 스트로크에서 팽창된 증기가 실린더에서 방출될 수 있도록 배기 밸브를 열어야 한다.WIH 엔진에는 각 피스톤에 연결봉의 돌출부에 의해 작동되는 배기 밸브가 있다(오른쪽 그림 참조).배기 스트로크에서 연결봉의 각도가 피스톤 밸브를 열게 하여 팽창된 증기가 크랭크케이스로 배출되도록 한다.null

WIH-25 설계는 리드 밸브를 사용했는데, 이는 피스톤 상단을 덮고 있는 얇은 금속 조각이다(그림 참조).WIR-DR 설계는 리드를 피스톤 크라운의 밸브 시트에 놓여 있는 공으로 교체했다.^[5]null

'스파이더 베어링'

WIH-25는 크랭크축에서 1개의 크랭크핀을 공유하는 6개의 연결봉으로 설계된다.이러한 연결에 대한 표준 설계는 하나의 피스톤에 연결된 마스터 연결봉과 마스터 로드의 큰 단부에 있는 핀에 연결된 나머지 로드에 대한 것이다.WIH의 발명자인 해리 쇼엘도 크랭크핀 주위를 회전할 수 있는 디스크인 '스파이더 베어링'^[6]이라고 불리는 것을 발명했고, 6개의 커넥팅 로드 각각에 대해 주변부에 하나의 베어링 저널을 가지고 있다.이 설계는 별도의 마스터 로드의 필요성을 없애지만 제어되지 않은 자유도를 도입한다. 즉, 거미 베어링 자체는 연결봉과 충돌하여 움직임이 정지될 때까지 한 방향으로 회전한 다음, 연결 r에 다시 충격을 가하여 정지되기 전에 일정 각도를 통해 다른 방향으로 회전할 수 있다.귀리.

WIH-DR 설계는 연결봉 빅 엔드가 공유 크랭크핀에 나란히 장착될 수 있도록 각 실린더와 다른 실린더의 오프셋을 종방향으로 하여 스파이더 베어링을 제거했다."초기 시험에서는 훨씬 더 부드럽고 조용한 작동이 입증되었다"^[2]고 보고되었다.이러한 개선을 이끌 수 있었던 유일한 설계 변화는 거미 베어링 제거였다.null

물 윤활

폐열 엔진의 설계는 배기 증기가 엔진 크랭크케이스로 들어가기 때문에 움직이는 부품에 윤활유를 공급하기 위해 물을 사용해야 한다.크랭크축과 커넥팅 로드 베어링을 윤활하는 데 사용되는 모든 오일은 곧 윤활 특성이 매우 불량한 기름과 물의 에멀젼을 형성할 것이다.null

크랭크축과 연결봉의 저널 베어링과 실린더에서 미끄러지는 피스톤은 유체역학 윤활 시스템에서 작동한다.저널 베어링의 운반 용량은 윤활유의 동적 점도의 직접적인 기능이다.20 °C의 물은 점도가 0.001002 Pa·s인 반면, 일반적인 모터 오일은 점도가 약 0.250 Pa·s일 수 있다.^[7]따라서 물은 기름보다 윤활유에 약 250배 덜 효과적이다.null

사이클론 파워 테크놀로지스는 오하이오 주립 자동차 연구 센터(OSU-CAR)와 엔지니어링 분석을 위해 계약을 맺었다.2014년 3월 8일 OSU-CAR의 프레젠테이션에서는^[5] 엔진 베어링을 "중요한 경로 문제"로 설명하고 다음과 같이 기술하였다.

• "우리 환경에서 볼 베어링이나 롤러 베어링의 물 윤활을 사용하기 위한 사이클론 자체의 경험 밖과 적재 하에서의 데이터는 거의 또는 전혀 존재하지 않는다.윤활유의 점도에 대한 베어링 부하와 스케일링 계수만을 사용하여 계산된 수명은 적용 부하에 대한 부하 용량의 매우 높은 비율이 요구됨을 나타낸다.
• "최소한의 데이터는 우리 환경과 하중에 수분 윤활 폴리머 저널 베어링을 사용하기 위해 존재한다.수명을 4:1로 증가시키는 요인은 수중 작업에서 나타났지만 가압수 윤활으로 장기 마모 데이터를 거의 이용할 수 없다.

싸이클론 파워 테크놀로지와 피닉스^[8] 파워 그룹간의 계약에 따르면 피닉스 파워 그룹은 "OSU가 시행 및/또는 감독하는 WI 버전 5.0의 200시간 내구성 테스트를 완료한 후" 15만 달러의 진행 비용을 지불할 것이다.내구성 시험은 고장 없이 작동하고 10hp ~ 20hp"를 생성하는 WIH 엔진으로 구성되어야 한다.2015년 3월 25일 현재, 그들이 물 윤활 엔진을 200시간 내구성 시험에서 통과시켰다는 어떠한 징후도 없다.null

효율성

어떠한 WIR 모델에 대한 독립적 테스트도 보고되지 않았지만, PA, Hatboro의 Bent Glass Design에 대한 테스트 폐열 회수 시스템과 관련하여 발표된 정보로부터 지표가 나온다.^[9]이 시스템은 WIH-25 모델 엔진을 사용하여 최대 10kW의 전력을 공급하며, "고객의 유리 제조 용해로에서 배출되는 50만 BTU 이상의 배기열을 전원으로 변환할 것"으로 설명되었다.50만 BTU/hr의 열 유량은 146.5 kW이다.

${\displaystyle {\textEfficiency}={{\text{power in}}={10kW \over 146.5kW}=6.8\%}$

WIH-25 엔진은 34% 컷오프를 가지고 있다.^[4]이를 통해 피스톤 스트로크의 나머지 66%가 증기를 팽창시켜 그 증기로부터 작업을 추출해 압력을 떨어뜨릴 수 있다.오른쪽 그림은 컷오프 지점 이후 증기 엔진 실린더의 압력이 어떻게 떨어지는지를 보여준다.WIR-DR은 훨씬 후에 컷오프를 해야 스스로 시동할 수 있다.나중에 컷오프는 주어진 속도로 작동하는 특정 크기의 엔진에 대해 더 큰 출력을 제공하는 더 큰 평균 유효 압력으로 이어진다. 그러나 또한 증기가 실린더에서 소진될 때 더 높은 압력에 있고 그 에너지의 더 적은 양이 기계적 작업으로 전환되었기 때문에 효율의 저하를 초래한다.null

보조 장비

확장기:증기 엔진은 랭킨 사이클 전원 시스템의 한 구성 요소일 뿐이다.오른쪽의 랭킨 사이클 그림은 상태 3과 4 사이의 왕복 피스톤 엔진보다는 터빈을 보여주지만, 어느 한 장치도 사이클에서 팽창기 단계로 작용한다.null

콘덴서:상태 4와 상태 1 사이의 장치는 콘덴서다.그것은 엔진 배기가스 증기의 열을 제거하여 그것을 다시 물로 응축시킨다.이전 하위 섹션의 WIH-25 엔진의 경우, 초기 증기에 공급된 열 에너지 146.5kW 중 10kW가 전기로 변환되었다.그러면 콘덴서에 의해 제거될 열 에너지는 146.5 - 10 = 136.5 kW가 남는다.비교하자면 트랙터-트레일러 트럭에 흔히 사용되는 캐터필러 C13 디젤 엔진은 냉각재 정격 128kW에 대한 열제거가 있다.^[10]따라서 10kW의 출력을 내는 WIH-25 엔진의 콘덴서는 세미트럭의 라디에이터 크기 정도일 것이다.새로운 WIH-DR은 효율성이 낮을 가능성이 높기 때문에 동일한 출력 전력에 더 큰 콘덴서가 필요할 것이다.null

콘덴서는 열을 흡수하기에 충분한 기류를 필요로 한다.선풍기는 보통 이러한 공기 흐름을 만드는 데 사용되며, 그 전력 소비는 시스템에서 사용할 수 있는 순 전력을 감소시킨다.null

급수 펌프:응축수는 탱크에 저장한 후 급수펌프에 의해 고압으로 펌핑되며, 그림에는 1 - 2가 표시된다.이 펌프는 엔진에 투입되는 증기의 양을 보상하기 위해 적절한 양의 물을 펌핑하도록 제어 시스템뿐만 아니라 동력원을 필요로 한다.null

보일러: 보일러의 물에 열을 가하여 증기를 발생시킨다. 그림의 2와 3이다.보일러를 증기발생기라고도 하는데 사이클론파워테크놀로지는 "복합기실/열교환기" 또는 "CCHX"^[11]라는 용어를 사용해 왔으며, 사용하는 명칭과 관계없이 시스템 압력이 15psi(1bar) 이상이고 열이 가해지면 장치는 법적으로 보일러다.아이다호와 와이오밍을 제외한 미국의 모든 주와 캐나다의 모든 주는 보일러 및 압력 선박 검사국(National Board of Boiler and Pressure Vessel Inspectors)에 보일러를 등록하는 요건을 법적으로 채택했다.^[12]등록에는 ASME 보일러 및 압력 용기 코드(BPVC)를 충족하는 보일러 설계가 승인되어야 하며, 이러한 보일러를 건설하기 위해 현재 ASME가 승인한 시설에 건설되어야 하며, 국가 위원회 검사관의 승인에 따라 설치 및 시험되어야 하며, 정기 검사를 받아야 한다.ns 소유자의 부담으로null

관할구역은 또한 충분한 책임보험에 가입되어 있을 뿐만 아니라 면허가 있는 정지 기술자가 설치를 운영하도록 요구할 수 있다.null

이 같은 정밀조사 이유는 보일러 폭발로 발생할 수 있는 대재앙적 손실 때문이다.null

또한 시스템은 승인된 증기 안전 밸브와 수위 조절, 보일러로 유입되는 물 및 엔진으로 공급되는 증기를 위한 밸브를 필요로 한다.시스템이 감독 없이 작동되도록 의도된 경우 센서와 자동 안전 정지 시스템이 필요하다.null

따라서 폐열 엔진은 완전한 폐열 회수 시스템에서 가장 비용이 적게 드는 구성 요소 중 하나가 될 수 있다.null

참조

외부 링크

• 사이클론 전력 기술 공식 웹사이트
• Q2Power, Inc.공식 웹사이트