Nový parný motor s rotujúcim piestom - motor pre obnoviteľné zdroje energie

Úvod

Vývoj nového parného motoru s rotačným piestom začal na základe úvahy, že existuje veľa menších zdrojov tepelnej energie, ktoré produkujú pomerne malé objemy tepla a majú z energetického hľadiska nízku teplotu - do 250 stupňov Celzia, ale v podstate sú nevyčerpateľné: slnečná energia, geotermálna energia, energia z biomasy, bioplynu, odpadové teplo z technologických procesov, teplo získané spaľovaním, alebo pyrolýzou odpadov,...

Táto oblasť tepelnej energie sa pre výrobu elektrickej energie v súčasnosti prakticky využíva veľmi málo, alebo vôbec. Príčinou je vysoká rozptýlenosť týchto zdrojov energie a nekonečná návratnosť vložených investícií do využitia takejto energie. Zároveň, teoretická účinnosť premeny tepelnej energie na mechanickú energiu sa pri teplotách - do 250 stupňov Celzia, pohybuje maximálne na úrovni 30%, čo sa môže javiť pomerne málo.

Preto našim cieľom bolo vyvinúť zariadenie, ktoré bude jednoduché, spoľahlivé a z relatívne nízkej teoretickej účinnosti, využije v praxi maximum možného. To znamená, straty pri premene tepelnej energie na mechanickú energiu znížiť na minimum.

Na základe týchto úvah, rozhodli sme sa postaviť motor s vonkajším spaľovaním a s rotujúcim piestom, ktorý bude účinnejší ako motor s kmitavým pohybom piestu, ktorý časť svojej energie spotrebuje na neustálu zmenu smeru pohybu piesta.

Využili sme naše znalosti o princípe činnosti a konštrukcii Wankelovho motoru. Wankelov motor je motor s vnútorným spaľovaním a v súčasnosti je to jediný spoľahlivý a overený motor s rotujúcim piestom, ktorí sa aj sériovo vyrába a komerčne využíva.

Na základe znalostí o Wankelovom motore, znalostí o konštrukcii parných strojov vyvinuli sme parný motor s rotujúcim piestom.

Parný motor s rotujúcim piestom má veľa výhodných vlastností a možností uplatnenia v praxi. Veríme, že parný motor s rotujúcim piestom bude efektívny a spoľahlivý prostriedok na využitie menších zdrojov energie.

Schéma motora

Popis činnosti motora:

Pracovné médium /vodná para, pary iných kvapalín a olejov, ohriate plyny,.../ je ohrievané v kotle mimo skrine motoru, pričom palivo pod kotlom môže byť ľubovolné.

Po dosiahnutí určeného tlaku, prúdi ohriata para /červená/ k dvom vstupným ventilom na skrini motora. Vstupné ventily sa striedavo otvárajú a zatvárajú. Para, ktorá vstupuje do pracovnej komory motora, naráža na bok piestu, odovzdáva mu svoju kinetickú energiu a núti piest motora k pohybu. Po uzavretí vstupného ventilu, para sa v komore ďalej rozpína, tlačí na bok piestu a odovzdáva mu svoju potencionálnu /tlakovú/ energiu. Tlaková energia pary tiež núti piest motora k pohybu. Pohyb piesta otvorí výstupné otvory a para, ktorá odovzdala energiu piestu motora /modrá/ je vytlačovaná pohybom piesta do kondenzačnej nádoby, kde kondenzuje. Skondenzovaná para je čerpadlom pretlačená naspäť do kotla k ďaľšiemu ohrievaniu.

Pohybujúci sa piest tlačí na výstredník hriadeľa a núti ho spolu s celou hriadeľou k rotácii. Na hriadeľ motora je priamo alebo prostredníctvom prevodu napojený spotrebič rotačného pohybu. /generátor elektrickej energie, kompresor, čerpadlo, lodná skrutka, ventilátor,.../

Konštrukcia motora:

• Skriňa motora a hriadeľ motora sú z nerezovej ocele.
• Povrch piestu motora a tesnenia motora sú zo samomazného plastu odolávajúcemu dlhodobo teplotám do 250 stupňov Celzia.
• Ložiská v motore sú z grafitu, alebo z karbidu kremíka SiC.
• Chladenie a mazanie súčiastok v motore je zabezpečené pracovným médiom.
• Maximálna povolená teplota pracovného média je 250 stupňov Celzia.
• Maximálne otáčky hriadele motora - 1 500 otáčok / min.
• Výkon motoru - závisí od objemu pracovných komôr, na strednom efektívnom tlaku v komorách motora a otáčkach hriadele motora.

Upozornenie: Riešenie motora je predmetom patentovej ochrany !

Závislosť veľkosti užitočného výkonu motora na strednom efektívnom tlaku v pracovných komorách a otáčkach hriadele motora je vynesená na grafe:

Vypočítané hodnoty sú teoretické, overenie týchto hodnôt prebehne až na motoroch vyšších výkonov, ktoré budú postavené na základe požiadavok potencionálnych odberateľov.

Výhody a nevýhody parného motora s rotujúcim piestom

1. výhoda: Je to motor s vonkajším spaľovaním - to znamená, že proces horenia paliva prebieha mimo skrine motora a je v podstate úplne jedno, aké palivo na ohriatie pracovného média sa použije.

Môže ísť o využívanie slnečnej energie, geotermálnej energie, energie z biomasy, z bioplynu, ale i iné plynové, kvapalné, či tuhé palivá, prípadne o kombináciu viacerých typov palív. Napríklad - kombinácia využitia slnečnej energie a energie z biomasy, alebo kombinácia využitia slnečnej energie a energie zo zemného plynu,... Je reálna možnosť využívať ako zdroj na ohrievanie pracovného média - odpadové teplo z technologických procesov vo výrobných podnikoch. Ako zaujímavá možnosť sa javí - využiť paru vystupujúcu z parnej turbíny ešte na pohon piestu motora a tak získať z pary ešte dodatočnú energiu. Zároveň, ušetrila by sa časť energie, ktorá je určená na chladenie pary vystupujúcej z parnej turbíny.

2. výhoda: Ide o motor, ktorého piest /piesty/, koná rotačný pohyb, to znamená - nespotrebuje časť energie na zmenu rýchlosti a smer pohybu svojho piesta /piestov/, tak ako to robia motory s lineárnym pohybom piestu. /napr. benzínové, alebo naftové motory /.

3. výhoda: Motor využíva aj kinetickú, aj potencionálnu /tlakovú/ energiu pary. Para po otvorení vstupného ventilu prúdi do motoru a naráža na boky piestu, kde odovzdá časť svojej kinetickej energie - podobne ako na lopatkách parnej turbíny. Po uzavretí vstupného ventilu sa para v komore ďalej rozpína, tlačí na bok piestu motora a odovzdá piestu svoju potencionálnu /tlakovú/ energiu - podobne, ako v klasickom piestovom parnom stroji..

4.výhoda: Parný motor je navrhnutý tak, že nie je nutné používať v motore mazivá. Nedochádza k znehodnoteniu pary mazivami, pracovné médium môže pracovať v zatvorenom systéme: kotol - motor - kondenzačná nádoba - kotol.

5. výhoda: Parný motor je navrhnutý tak, že jeho súčiastky sú chladené pracovným médiom a teplo ktoré vzniká trením - najmä v ložiskách motora, je pomocou pracovného média odvádzané z ložísk. Takto dodatočne ohriate pracovné médium je privedené späť na vstup do motora. To znamená, znižujeme straty, ktoré vznikajú trením súčiastok.

6. výhoda: Veľmi dobrá a jednoduchá regulovateľnosť otáčok motora, pomocou škrtiacej klapky na prívode pary do motora.

Nevýhody:

1. Nevýhoda - motor je v štádiu vývoja a prototypu. V súčasnosti je postavený prototyp, na ktorom sme overovali správnosť našich výpočtov, vhodnosť materiálov. Prototyp má len jeden rotujúci piest, dve pracovné komory, pričom objem každej pracovnej komory je 100 cm³. Celkový objem pracovnej komory v motore je 2x100=200cm³. Pri strednom efektívnom tlaku Pe=0,4Mpa a 1 000 otáčkach/ min je výkon motora približne 1,3 kW.

V súčasnosti prebiehajú rozhovory s potencionálnymi odberateľmi. Na základe ich záujmu a požiadavok na výkon motora, plánujeme postaviť v budúcom roku overovaciu sériu motorov, na ktorých potom prebehnú praktické skúšky účinnosti a spoľahlivosti.

2. Nevýhoda - Vyššia cena z dôvodu, zatiaľ malej - kusovej výroby. Nutnosť použiť antikorózne materiály, grafitové ložiská, ...Počítame, že s rozbehom sériovej výroby značne klesnú výrobné náklady.

3. Nevýhoda - Motor dnes môže pracovať dlhodobo s teplotami maximálne 220 až 250 stupňov Celzia. O vyšších teplotách pracovného média sme zatiaľ neuvažovali.

Využiteľnosť motora:

1/ na výrobu elektrickej energie - výstavba minielektrární. Vhodné najmä pre výrobcov kotlov a vyvíjačov pary.

Slnečná, alebo geotermálna energia, alebo biomasa, alebo bioplyn, prípadne iné palivá, ohrievajú v kotle vodu, menia ju na paru, para poháňa motor, motor točí generátorom elektrickej energie. Ako zaujímavá sa javí možnosť- využiť na pohon motora paru, ktorá vzniká ohrievaním z viacerých zdrojov energie / slnečná energia + zemný plyn, alebo slnečná energia + biomasa.../, alebo využiť teplo z technologických procesov podnikov, ako napríklad paru, ktorá vystupuje z parnej turbíny. Získa sa tak dodatočne ešte ďalšia elektrická energia a ušetrí sa časť elektrickej energie určenej na ochladzovanie pary po výstupe z turbíny.

Parný motor s rotujúcim piestom umožňuje lepšie využitie slnečnej energie na energetické účely:

V kombinácii so zemným plynom, alebo s biomasou je možné postaviť elektráreň, ktorá bude vyrábať elektrickú energiu bez výkyvov - 24 hodín denne.

V prípade dostatočného slnečného žiarenia vodu mení na paru len slnečná energia. V prípade nedostatočného slnečného žiarenia voda bude len predohrievaná slnečným žiarením a druhý zdroj energie /zemný plyn, biomasa, bioplyn.../ bude dohrievať vodu a paru na požadované parametre.

V prípade úplnej absencie slnečného žiarenia /v noci/, para bude generovaná len pomocou energie zo zemného plynu, alebo bioplynu, alebo biomasy.

2/ na kombinovanú výrobu tepla a elektrickej energie - kogeneračné jednotky.

Vhodné pre výrobcov kogeneračných jednotiek.
Slnečná, alebo geotermálna energia, alebo biomasa, alebo bioplyn,... ohrievajú vodu, menia ju na paru, para poháňa motor, motor poháňa generátor el. energie. Para, ktorá vystupuje z motora, odovzdáva svoju zostatkovú tepelnú energiu vo výmenníku para/vzduch, alebo para/voda, alebo para/olej.

3/ na čerpanie kvapalín - pohon čerpadiel.
Vhodné pre výrobcov čerpadiel. Slnečná, alebo geotermálna, alebo energia z biomasy, alebo z bioplynu,..... vyrába paru, para poháňa motor, motor poháňa čerpadlo. Vhodné najmä pre poľnohospodárske účely, prípadne pri živelných pohromách.

4/ na výrobu chladu - pohon kompresorov.
Slnečná, alebo geotermálna energia, alebo energia z biomasy, bioplynu, .....vyrába paru, para poháňa motor, motor poháňa kompresor na výrobu chladu.

5/ na pohon ventilátorov - vhodné najmä pre sušiarne.

6/ špeciálne pohonné jednotky - na pohon lodnej skrutky, alebo pohonné jednotky poháňané stlačeným vzduchom - vhodné do výbušného prostredia.

Záver:

Vývoj parného motora s rotujúcim piestom pokračuje ďaľej. V súčasnosti, prebiehajú diskusie s potencionálnymi odberateľmi a na základe ich záujmu a požiadavok na výkon motora, postavíme overovaciu sériu, ktorá bude testovaná u vybraných partnerov a v skúšobniach. Sme presvedčení, že parný motor s rotujúcim piestom prispeje k lepšiemu využívaniu obnoviteľných zdrojov energie, ktoré sú síce značne rozptýlené, ale sú k dispozícii vo veľmi veľkom objeme.

Více informací najdete na www.parnymotor.sk.