ELKRAFT. Slutrapport for projektet:

Transkript

1 PSO-FU kw Stirlingmotor ELKRAFT Slutrapport for projektet: Komponentoptimering - Stirlingmotorer til biobrændsler PSO-projekt FU2204 Revideret slutrapport, oktober 2006 Henrik Carlsen Inst. For Mekanik Energi og Konstruktion Danmarks Tekniske Universitet

2 PSO-FU kw Stirlingmotor Indhold 1 Indledning Formål med projektet Udvikling af stirlingmotor til forsøg Grundlæggende konstruktion af stirlingmotorerne til biobrændsler Valg af forsøgsmotor Design af 9 kw forsøgsmotor Cylinder med topstykke, heder, regenerator og køler Krumtapmekanisme Krumtaphus Laboratorieforsøg Resultater fra laboratorieafprøvning af SM5A Afprøvning af andre regeneratortyper Forbedring af målinger og databehandling Afprøvning af 9 kw motor på Fachhochschule Reutlingen Maskine til afprøvning af regeneratorer Model til simulering af stirlingmotorer Modifikation af eksisterende simuleringsmodel Sammenligning af resultater fra forsøg med resultater fra simulering Særlige krav til stirlingmotorer til biomasse Undersøgelse af særlige komponenter og driftsbetingelser Dellast Ventiler Lejetætninger og smørefedt Brint som arbejdsgas Simulering af arbejdsåg med indbyggede rulle og nålelejer Evaluering af teknologi og marked Små fjernvarmecentraler til boligopvarmning Virksomheder fortrinsvis i træindustrien Landbrug Støtteordninger i Europa Det oversøiske marked Konkurrerende produkter Konklusion og forslag til videre arbejde...66 Referencer...68 Bilag 1. Stirlingmotorens virkemåde Bilag 2: Praktiske aspekter ved anvendelse af brint som arbejdsgas. Bilag 3. Tegningningsliste og enkelte detailtegninger Bilag 4: 9 kw stirlingmotor SM5A Bilag 5: Resultater fra forsøg med SM5A-002 stirlingmotoren Bilag 6: Stirling engines and biomass what is the problem? Bilag 7: ANSYS Finite element raport vedrørende arbejdsåg.

3 PSO-FU kw Stirlingmotor Abstract (english) Based on the experience from a former development project, a new single cylinder, hermetically sealed Stirling engine with an electric power output of 9 kw has been designed and manufactured. The new engine is a complete redesign of the former design and many improvements have been implemented. One of the engines from the former project has been utilized for a comprehensive laboratory test of engine performance and new components and materials. Results from tests have been compared with results from an improved Numerical Simulation Program (NSP) for prediction of Stirling engine performance which showed that the NSP was able to reproduce the results from laboratory with a satisfactory accuracy. A novel machine for testing of heat transfer in regenerators has been designed, manufactured and utilized for testing of different regenerator designs. Although the actual project differs from the original plan, most of the tasks foreseen have been made, and the results have already contributed to the development of the Stirling engines.

4 PSO-FU kw Stirlingmotor Resumé Projektets formål var at fremstille og instrumentere en 9 kw stirlingmotor, der alene skulle anvendes som forsøgsmotor til detaljerede målinger i laboratoriet samt afprøve nye komponenter og materialer med henblik på at forbedre stirlingmotorernes effekt og virkningsgrad samt levetid. Formålet var yderligere at forbedre en simuleringsmodel, der var udviklet i forbindelse med tidligere gennemførte projekter. Forsøgsmotoren skulle bygge på erfaringerne fra et tidligere projekt, hvor en én-cylindret hermetisk stirlingmotor med en el-effekt på 9 kw var udviklet. Desværre viste det sig, at der var mange problemer med denne motors konstruktion, og der blev brugt betydelige ressourcer og en del tid på at få de eksisterende motorer til at fungere tilfredsstillende. Det medførte, at revisionen af den én-cylindrede motors design blev mere omfattende end beregnet. Samtidig medførte andre problemer, at design og fremstillingen af komponenter til den nye motor blev væsentlig forsinket, og den nye motor var derfor først samlet og klar til afprøvning ved projektets afslutning. En væsentlig del af projektets indhold var at afprøve forsøgsmotoren i laboratoriet og afprøve forskellige nye forslag til komponenter og delløsninger. En af de to første 9 kw motorer er derfor benyttet til at gennemføre mere end 75 forsøg i forskellige driftstilstande, samt til at få afprøvet forskellige delkomponenter. Motoren er blandt andet benyttet til afprøvning af ventiler samt nye typer smørefedt. En afprøvning med brint som arbejdsgas er af sikkerhedsmæssige grunde erstattet af en afprøvning med nitrogen. En ny type fiberregenerator er afprøvet i forsøgsmotoren og resultaterne sammenlignet med den oprindelige regenerator fremstillet på DTU. Resultaterne viste, at regeneratorerne ikke var bedre end den eksisterende type, der er fremstillet af tynd tråd, men at de nye fiberregeneratorer meget vel kan vise sig at være billigere at fremstille. Det er vanskeligt at måle varmeovergangstallet for regeneratorerne i en stirlingmotor, fordi det ikke kan gøres under stationære forhold. Derfor er der udviklet en særlig maskine til at afprøve 9 kw motorens regeneratorer under periodisk strømning. Dette er ikke set før, og trods problemer med den elektriske varmeveksler er resultaterne meget interessante. Der er desuden gennemført stationære målinger af trykfald, og resultaterne er benyttet til at verificere de empiriske algoritmer i et numerisk simuleringsprogram til beregning af stirlingmotorers egenskaber. Resultater fra dette program er efterfølgende sammenlignet med resultater fra forsøg, som viste at der er en god overensstemmelse mellem beregnede og målte resultater. Selv om forløbet af projektet afviger noget fra den oprindelige plan, er de fleste af projektets delmål opnået, og resultaterne har allerede bidraget væsentlig til udviklingen af stirlingmotorerne.

5 PSO-FU kw Stirlingmotor 1 Indledning Distribueret el-produktion ved hjælp af små decentrale anlæg bliver med stor sandsynlighed en vigtig del af fremtidens el-forsyning. Man forestiller sig, at mange små anlæg i fremtiden samles i netværker og danner et virtuelt kraftværk, der styres centralt. Markedet for små elproducerende anlæg ventes derfor at vokse kraftigt i de kommende år. Kombineres el- og varmeproduktion, således at spildevarmen fra el-produktionen (kraftproduktionen) udnyttes til opvarmningsformål, er der store miljømæssige og økonomiske fordele at hente. Disse kraft-varme-anlæg må nødvendigvis placeres i nærheden af de steder, hvor der er behov for den producerede varme. Det medfører, at der først og fremmest er behov for små kraftvarmeanlæg til biomasse, fordi biomassen typisk anvendes i små varmeanlæg med en varmeeffekt på kw. Som en følge af behovet af små kraftvarmeanlæg til biobrændsler har man i Tyskland og Østrig vedtaget særdeles gunstige regler for sådanne anlæg. Således afregnes el produceret ved hjælp af biomasse på små anlæg til 0,215 EURO i Tyskland og 0,16 EURO i Østrig. El-producerende anlæg, der anvender biomasse som brændsel, er typisk baseret på dampturbineteknologi med en el-effekt på mellem 2 MW og 50 MW. Som følge af den høje politiske prioritering af små kraftvarmeanlæg til biomasse i Tyskland og Østrig er de første små anlæg med en el-effekt under 1 MW ved at komme på markedet. Disse anlæg er baseret på forgasning af biomasse og anvendelse af forgasningsgassen i en konventionel forbrændingsmotor. Anlæggene, der forventes at blive kommercielt konkurrencedygtige, har en el-effekt på mindst 100 kw, og mange mener, at el-effekten skal være højere, før det er muligt at opnå en tilfredsstillende anskaffelsespris. Kraftvarmeanlæg til biobrændsler med en el-effekt under 150 kw kan derfor med fordel baseres på en anden teknologi. I en stirlingmotor foregår forbrændingen ikke inde i cylindrene som i en almindelig motor, men udenfor cylindrene. Varmen fra forbrændingen overføres til motoren i en varmeveksler. Det gør stirlingmotoren velegnet til faste brændsler, fordi faste brændsler som flis eller andre former for biobrændsler forbrændes på samme måde som i en almindelig varmekedel. Et lille decentralt kraftvarmeværk til fast brændsel kan dermed opbygges ved at kombinere en stirlingmotor med en fastbrændselskedel. I 1989 indledtes et samarbejde mellem det daværende Vølund R & D og Henrik Carlsen, DTU, om udvikling af store stirlingmotorer. I Energistyrelsen var man på det tidspunkt ikke interesseret i projektet, og projektet kom alene i gang, fordi ELKRAFT stillede midler til rådighed for udviklingen. Arbejdet var i perioden indtil 1993 koncentreret om udvikling af en stirlingmotor med en el-effekt på 149 kw. Motoren skulle anvendes til decentral kraftvarme og anvende flis som brændsel. I 1993 blev aktiviteterne udvidet med endnu et projekt, der sigtede på udvikling, fremstilling og afprøvning af en stirlingmotor med en el-effekt på 35 kw, der ligeledes anvendte flis som brændsel. Dette projekt fik tilskud fra Energistyrelsen til at fremstille en prototype, der blev afprøvet i laboratoriet i I samarbejde med Naturgas Midt-Nord blev der yderligere igangsat et projekt med det formål at udviklet en mindre stirlingmotor med en el-effekt på 9 kw. Hensigten var, at denne motor skulle anvendes i små kraftvarmeanlæg, der anvendte biogas eller naturgas som brændsel. De danske projekter vedrørende udvikling af stirlingmotorer til decentral kraftvarme med biobrændsler omfattede dermed ved projektet start udvikling og afprøvning af følgende to motortyper:

6 PSO-FU kw Stirlingmotor 1. Fire-cylindret stirlingmotor/generator med en el-effekt på 35 kw til direkte fyring med flis og andre biobrændsler 2. Én-cylindret stirlingmotor/generator med en el-effekt på 9 kw til fyring med gasformige biobrændsler (biogas, forgasningsgas) og naturgas Ved projektets start i sommeren 2002 var der afprøvet 3 forskellige modeller af den 4- cylindrede motor, SM3A, SM3B og SM3C. Desuden var der fremstillet to identiske motorer af den én-cylindrede motor type, SM5A. Status for udviklingen og afprøvningen af den éncylindrede motor er behandlet i de følgende kapitler. Status for udviklingen, produktion og afprøvningen af den fire-cylindrede motor medio 2005 er, at der er fremstillet 9 motorer af den 4-cylindrede type, idet to af disse motorer er bygget sammen til en 8-cylindret enhed med fælles generator. Følgende motortyper og anlæg er produceret: Antal Samlet Med flis Tilskud, DK aktiviteter Model stk. driftstimer driftstimer Driftsafprøvning SD3A Skarp Salling, DK Danske Energistyrelse SD3B Ansager, DK Danske Energistyrelse SD3C Oberlech, A Østrigske Energistyrelse SD3D 1+2x Lund, S og Lingenau, A Svensk og EU SD3E Feldbach & Bielefeld, A, Hjortshøj, DK ABC og Energistyrelsen I alt Status for afprøvningen af den fire-cylindrede motor er dermed følgende Afprøvningen af den første motor, type SM3A, blev afbrudt i 1999 på grund af mekaniske problemer De øvrige motorer er i drift eller ved at blive sat i drift efter installation eller revision En motor (SM3C), som p.t. er i drift på et hotel i Oberlech i Østrig, har kørt ca timer med flis som brændsel. Motorerne har tilsammen kørt i alt ca timer, hvoraf ca timer er med flis som brændsel På de seneste versioner af den 4-cylindrede motor er effekten i praksis over den ønskede el-effekt på 35 kw og virkningsgraden er væsentligt forbedret, så varmen til kølevandet i dag udgør ca. 90 kw ved fuld last mod tidligere helt op til 110 kw. Konstruktionen er løbende forbedret, så det er væsentlig nemmere at samle og servicere den nye motor Driftsafprøvninger har vist, at anlæggene kan køre ubemandet i fuldautomatisk drift. Der er både udviklet fyringssystemer til direkte fyring med flis på en rist og til forgasning af flis og efterfølgende afbrænding af den urensede gas i en brænder på stirlingmotoren. Resultaterne fra nærværende projekt har haft stor indflydelse for de forbedringer, som er gennemført ved videreudviklingen af type SM3C til de følgende modeller SM3D og SM3E. I 2004 stiftedes selskabet Stirling.dk ApS (SD), idet DTU-Innovation investerede midler i den videre udvikling og markedsføring. SD har indgået en licens- og samarbejdsaftale med det østrigske firma MAWERA, som har installeret 4 anlæg i Østrig og yderligere solgt to anlæg af to motorer hver til henholdsvis en tysk og en østrigsk kunde. Et andet resultat af dette samarbejde er et projekt vedrørende afprøvning af nogle konkrete forslag til forbedringer af den fire-cylindrede motor, der finansieres af det østrigske Austrian Bioenergy Centre. SD er ved at installere en af de tre sidst producerede motorer (type SM3E) i Hjortshøj, hvor anlægget skal producere el og varme til ca. 100 boliger. Samtidig er SD ved at revidere

7 PSO-FU kw Stirlingmotor anlægget i Ansager, der består af en modstrømsforgasser og en af de fire-cylindrede stirlingmotorer, således at det kan sættes i drift i starten af Udviklingsprojekterne er gennemført i samarbejde mellem skiftende parter med DTU som det centrale omdrejningspunkt, og aktiviteterne har fået tilskud fra Energistyrelsen, ELKRAFT, Naturgas Midt-Nord, EU, Austrian Bioenergy Centre m.fl. Sammenlignes resultaterne fra ovennævnte projekter med aktiviteterne andre steder i verden, er der næppe tvivl om, at den danske udvikling af stirlingmotorer til små kraftvarmeværker, der anvender biomasse som brændsel, er førende trods de vanskelige forhold for finansiering og hjemmemarked i de seneste år. 1.1 Formål med projektet Projektets formål var at fremstille og instrumentere en 9 kw stirlingmotor, der alene skulle anvendes som forsøgsmotor til detaljerede målinger i laboratoriet samt afprøve nye komponenter og materialer med henblik på at forbedre stirlingmotorernes effekt og virkningsgrad samt levetid. Formålet var yderligere at forbedre en simuleringsmodel, der var udviklet i forbindelse med tidligere gennemførte projekter. Ønsket om at fremstille en forsøgsmotor skal ses i lyset af, at de tidligere projekter alle sigtede på at udvikle kraftvarmeanlæg til biomasse, der efterfølgende blev installeret hos en vært, hvor anlægget skulle sættes i normal drift. Dermed var anlægget ikke til rådighed for forsøg, og der var oftest lang vej fra det team på DTU, der stod for udviklingen af stirlingmotorerne, til de værter, hvor anlæggene var installerede. Hensigten med at fremstille en stirlingmotor til laboratorieforsøg var derfor at fokusere på udvikling og afprøvning af forskellige forhold af betydning for stirlingmotorernes ydelse, virkningsgrad og drift. Resultater fra forsøgsmotoren skulle yderligere anvendes til at evaluere simuleringsprogrammet ved bl.a. at afprøve specielle komponenter, der alene er fremstillet med henblik på at eftervise modellens godhed. Desuden ønskes en evaluering af stirlingmotoren som "prime mover" i små kraftvarmeinstallationer. Følgende emner ønskedes undersøgt: Dellast. Undersøgelse af de tekniske muligheder for effektregulering af motorerne undersøges inklusive måling af forsøgsmotorens egenskaber under dellast. Test af ventiler. Undersøgelse af mulighederne for at forbedre ventilernes pålidelighed og levetid. Test af slidmaterialer. Undersøgelse af de smøringsfri stempelringe og tætninger, som anvendes i stirlingmotoren. Lejetætninger. Undersøgelse af forskellige typer smørefedt til de nåle- og rullelejer, som benyttes i stirlingmotorerne, samt undersøgelse af lejetætningerne, der holder smørefedtet inde i lejerne. Reduktion af støj. Undersøgelse af mulighederne for at reducere klaringerne i lejerne med henblik på reduktion af mekanisk støj fra motoren. Brint i stedet for Helium. Undersøge af de materiale- og håndteringsmæssige problemer ved anvendelse af brint i forsøgsmotoren.

8 PSO-FU kw Stirlingmotor Forbedring af simuleringsmodeller. Forbedring af den eksisterende simuleringsmodel, der er udviklet på Inst. for Energiteknik, DTU. Der sigtes mod forbedring af beregningen af tryktab i motoren samt udvikling af bedre delmodeller af de enkelte komponenter. Optimering af design-parametre. Optimering af effekt og virkningsgrad for stirlingmotorer. Vurdering af stirlingmotorteknologien. Ud fra resultaterne fra laboratorieforsøg og beregninger vurderes stirlingmotorernes potentiale som basismodul i små kraftvarmeanlæg til biobrændsler. Budgettet taget i betragtning er listen over opgaver og emner, der ønskedes undersøgt, omfattende. Som følge af store mekaniske problemer med de to 9 kw motorer, der er udviklet i forbindelse med et tidligere projekt, har det heller ikke været muligt at gennemføre projektet som planlagt. Først langt inde i projektet var der skabt et overblik over årsagen til problemerne, og det var derfor ikke muligt at nå at udvikle en ny motor, fremstille den og anvende den til de planlagte forsøg. Projektforløbet blev derfor ændret, således at en af motorerne fra det tidligere projekt blev bragt i køreklar stand, og forsøgene blev derefter gennemført med denne motor, samtidig med at den nye motor blev detailkonstrueret og komponenterne fremstillet. Projektet har yderligere været påvirket af, at der ikke i samme omfang som planlagt har været projektmidler til rådighed, så det har været muligt at fastholde en fast projektstab med 9 kw motoren som fokus. Der har derfor været en stor udskiftning af medarbejdere under projektforløbet, hvilket har medført betydelige vanskeligheder for gennemførelsen af projektet. 2 Udvikling af stirlingmotor til forsøg Stirlingmotoren er baseret på en lukket termodynamisk proces, hvor det er den samme arbejdsgas, der gennemfører en cyklisk proces. Stirlingmotorens arbejdsprincip er nærmere beskrevet i bilag 1. Normalt benyttes Helium som arbejdsfluid, da denne gas har lav friktion og gode varmetransport egenskaber. Varmen overføres til og fra processen ved hjælp af varmevekslere. Forbrændingen foregår dermed ikke inde i motorens cylindre, men udvendigt som i en almindelig kedel, således at forbrænding og mekanik er fuldstændig adskilt. Dette er en stor fordel ved anvendelse af faste brændsler og andre vanskelige brændsler. 2.1 Grundlæggende konstruktion af stirlingmotorerne til biobrændsler Adskillelsen af forbrænding og mekanik gør det muligt at fremstille en hermetisk stirlingmotor, hvor generatoren er indbygget i et tryksat krumtaphus på samme måde som elmotoren er indbygget i en hermetisk kølekompressor. Sammenlignet med andre teknologier har den hermetiske stirlingmotor til små, decentrale kraftvarmeværker følgende fordele: Simpel opbygning Høj virkningsgrad i forhold til størrelsen. Lave emissioner uden anvendelse af katalysatorer Lang levetid med at lavt behov for service Ingen reduktion af effekt og virkningsgrad med tiden Mulighed for at anvendelse af mindre rene brændstoffer som f.eks. fyringsolie og biomasse

9 PSO-FU kw Stirlingmotor Stirlingmotorens eksterne varmetilførsel gør den særligt velegnet til vanskelige brændsler. Varmen overføres fra forbrændingen til motoren gennem en varmeveksler ved ca. 700 C, og partikler i røggasserne er derfor ikke et stort problem. Det er derfor en oplagt mulighed at anvende stirlingteknologien i små biomassefyrede kraftvarmeværker. Det særlige ved de dansk-udviklede stirlingmotorer er, at de i modsætning til andre stirlingmotorer er konstrueret direkte til at anvende brændsler, som er vanskelige at anvende i almindelige motorer. Det kan f.eks. være faste biobrændsler som flis eller træpiller eller gasformige brændsler som biogas og forgasningsgas fra forgasning af træ. Det betyder, at varmebelastningen er lav i motorens varmeoverførende flader, og at der ikke forekommer snævre passager, hvor partiklerne kan sætte sig og tilstoppe varmeveksleren. Motorernes øvrige komponenter er tilpasset de kraftige rør i kedeldelen og det store indre volumen. Det medfører, at motorernes cylindre har et forholdsvis stort cylindervolumen og et lavt middeltryk sammenlignet med stirlingmotorer, der er beregnet til naturgas eller dieselolie. Motorerne er yderligere konstrueret som hermetisk lukkede enheder, hvor alle de mekaniske dele sammen med generatoren er indbygget i et lukket hus, og den eneste forbindelse fra motorens indre til omgivelserne er kabelforbindelsen til el-nettet. På den måde undgås bevægelige tætninger, som har givet mange problemer i stirlingmotorer med krumtaphuse, der har forbindelse til omgivelserne. Stempelringe og -tætninger er fremstillet af smøringsfri PTFE-materialer. En helt ny type krumtapmekanisme sørger for, at sliddet på stempelringene er lille. Olie i motoren er helt undgået ved at anvende fedtsmurte rulle- og nålelejer. Der skal dermed hverken skiftes olie eller tændrør i motoren, og behovet for service er derfor reduceret til et minimum. Som tidligere beskrevet er der udviklet to motortyper. Den største motor har 4 dobbeltvirkende cylindre og en nominel el-effekt på 35 kw. Den integrerede 6-polede asynkron generator har en nominel el-effekt på 37 kw, hvilket medfører et omdrejningstal lidt over 1000 omdrejninger per min. Arbejdsprocessen, der anvender Helium som arbejdsgas, har et middeltryk på 4,5 MPa. De fire cylindre er placeret i hvert hjørne af et kvadrat, hvor de fire hederpaneler, der udgør den varme varmeveksler, for hver af de fire cylindre danner et kvadratisk kammer, der er placeret for enden af fyringssystemets brændkammer. Der er til dato produceret 9 motorer i 5 generationer. Den seneste model, SM3E, er fremstillet i 3 eksemplarer, og en af motorerne har nu kørt over 4000 timer med særdeles godt resultat. Den maksimale el-effekt ved nominel driftstilstand er 40 kw, og den interne virkningsgrad er 34% (den interne virkningsgrad defineres som motorens akseleffekt i forhold til den varmeeffekt, der tilføres i motorens varme varmeveksler, hederen). Det er en forbedring på 15% i forhold til de tidligere modeller, hvilket først og fremmest er muliggjort som følge af resultaterne fra dette projekt. Den mindre motor, SM5A, har en enkelt cylinder og en nominel el-effekt på 9 kw. Motoren er konstrueret efter de samme grundlæggende principper som den ovenfor beskrevne firecylindrede motor, og mange af erfaringerne fra konstruktion og drift kan udveksles mellem de to motortyper. Der blev fremstillet to prototyper af den første udgave af 9 kw-motoren, SM5A (se ref. 1), og det var meningen at disse to motorer skulle langtidsafprøves med henholdsvis biogas og naturgas som brændsel. Denne målsætning viste sig imidlertid at være for optimistisk for de første prototyper af en hel ny motortype, fordi problemer med motorerne forhindrede gennemførelsen af det planlagte testprogram. Ifølge projektbeskrivelsen bestod en del af nærværende projektet i at gennemføre en revision af 9 kw motorens design, så den bliver så enkel som mulig at samle og adskille, og efterfølgende at fremstille og afprøve en ny motor, som alene skulle anvendes til forsøg.

10 PSO-FU kw Stirlingmotor Nedenfor er de én-cylindrede motorers opbygning beskrevet i detaljer samtidig med, at revisionen af motorens konstruktion er behandlet. 2.2 Valg af forsøgsmotor Valget af 9 kw-el motoren som udgangspunkt for forsøgsmotoren var betinget af, at det er den billigste løsning både med hensyn til afprøvning af nye komponenter og med hensyn til energiforbrug ved driftsafprøvninger. De større motorer med flere cylindre er mere tidskrævende at samle og adskille, og det vil ofte være nødvendigt at fremstille nye forsøgskomponenter i fire eksemplarer i stedet for én. Yderligere kan resultater fra forsøg med den én-cylindrede stirlingmotor med en el-effekt på 9 kw direkte overføres til udviklingen af den fire-cylindrede stirlingmotor med en el-effekt på 35 kw. Det er vanskeligt at få den samme driftstilstand på alle cylindre på samme tid i en motor med mere end én cylinder, og det er derfor svært at opnå en veldefineret driftstilstand med en fire-cylindret motor. En én-cylindrede motor er derfor mere velegnet til laboratorieforsøg end en firecylindret motor Stempelringe og -tætninger samt stempelstangstætninger har samme udformning og er fremstillet af de samme PTFE-materialer i begge motorer. Yderligere er middelstempelhastighed og den trykvariation, som tætningerne er udsat for, identiske for de 2 motortyper. Driftsresultater vedrørende slid af PTFE-ringene kan derfor direkte overføres fra den én-cylindrede motor til den fire-cylindrede motor. Der benyttes de samme én-vejsventiler og bypass-ventiler i de to motortyper. I den éncylindrede motor udsættes én-vejsventilerne for det dobbelte maksimaltryk i forhold til den firecylindrede motor, og ventilerne udsættes dermed for en form for accelereret test. Pålidelighed og levetid for disse komponenter er af stor betydning for 35 kw-motorens drift. Topstykker, hederrør og stempler er fremstillet af de samme varmefaste materialer. Erfaringer vedrørende krybning som følge af termiske spændinger samt "low cycle fatigue" kan derfor overføres fra den ene motor til den anden. Begge krumtapekanismerne er opbygget efter de samme grundlæggende principper, og der anvendes den samme type og størrelse nålelejer i begge motortyper på de lejeforbindelser, hvor der forekommer vippe bevægelser. Hovedlejerne, som roterer med konstant vinkelhastighed, er forskellige, men i begge motorer er der tale om rullelejer med samme type læbetætninger til at holde fedtet inde i lejerne. Desuden er problemstillingen med fedtsmøring af nåle- og rullelejer i et hermetisk krumtaphus med Helium under tryk det samme i begge motortyper. Forsøg med nye PTFE-ringe til stempel- og stempelstangstætninger gennemføres også bedst på den én-cylindrede motor, fordi det er nemmere at adskille og samle motoren med henblik på inspektion af de testede komponenter. Det var hensigten at anvende erfaringerne fra de to første prototyper af den én-cylindrede motor til at udvikle en ny motor med samme grundlæggende udformning, hvor der var taget hensyn til den oprindelige konstruktions mindre hensigtsmæssige delløsninger. For at undgå problemer med den nye motor var det ikke hensigtsmæssigt at fastlægge konstruktionen af denne motor før de to eksisterende motorer kørte nogenlunde problemfrit. Der tog imidlertid betydeligt længere tid end ventet at opnå dette, og det var først i efteråret 2003, at årsagerne til problemer med de eksisterende motorer var kortlagt og nye løsninger identificeret. Årsagen til en væsentlig del af problemerne var en uhensigtsmæssig udformning af de eksisterende motorers krumtapmekanisme, der førte til høje belastninger på de komponenter, der fikserer hovedleje og svingarmenes akseltappe i motorblokken. De høje

11 PSO-FU kw Stirlingmotor belastninger samt fejl under fremstillingen af motorernes komponenter var den direkte årsag til adskillige havarier under driftsafprøvningen. Motorens kompakte design medførte andre problemer, idet de forholdsvis store trykvariationer i krumtaphuset medførte, at smørefedt blev pumpet ud af lejerne. Det var dels et problem for lejerne, men det var også et problem for stangtætningen, der blev ødelagt af fedt, der ramte stempelstangen. Der har yderligere været problemer med regulering af trykket i krumtaphuset samt med slaglodningen af komponenter i krumtapmekanismen. Også svejseprocessen, der er anvendt til fastgøring af hederrørene til topstykket, har givet problemer. Mange af problemerne har ført til havarier, og det har været tidskrævende at finde nye løsninger og fremstille nye komponenter, for derefter at afprøve dem i motoren. Erfaringerne fra afprøvningen af de eksisterende motorer har ført til følgende konklusioner: Krumtapmekanisme: Belastningerne på bagpladen i krumtaphuset er uhensigtsmæssigt store Momentet på de akseltappe, der fikserer svingarmene til bagpladen, skal reduceres eller elimineres. Som følge af motorens kompakte design er trykvariationen i krumtaphuset under drift forholdsvis stort, hvilket medfører, at trykvariationerne pumper fedtet ud af lejerne Når lejerne, der forbinder åget med arbejdsstemplets plejlstang, er udluftet ind mod stempelstangen, medfører trykvariationerne i krumtaphuset, at smørefedtet bliver skudt ud på stempelstangen, således at stangtætningerne bliver ødelagt. Den eksisterende styring af krumtaphusets tryk i forhold til middeltrykket i cylinderen fungerer ikke efter hensigten Slaglodning af dele i mekanismen bør undgås af hensyn til styrken Motorens svinghjul er for lille, hvilket medfører at motoren får en ujævn gang, hvilket igen fører til en lav cos og en høj maksimalværdi for strømmen. For at opnå optimal fasevinkel mellem stempel positioner er der monteret en exentrik på krumtapakslen. Denne konstruktion øger komplexiteten af mekanismen væsentligt. Topstykke og brænder Den proces, der er benyttet til svejsning af hederrørene til topstykket, er ikke velegnet. Luftforvarmerens udformning er uhensigtsmæssig, da kapacitetsstrømmen af luftstrømmen på den udvendige side af varmeveklserens rør ikke er jævnt fordelt over alle rørene, mens fordelingen af røggas på rørenes indvendige side er mere jævnt fordelt. Dette fører til tab ef effektivitet for lufoen Generator Strømgennemføring til generatoren skal flyttes, så der bliver mere plads til montage og ledningsføring. 2.3 Design af 9 kw forsøgsmotor Den nye motor, der er udviklet i forbindelse med nærværende projekt, er som ovenfor nævnt baseret på erfaringerne fra de første 9 kw motorer (typebetegnelse SM5A). Den nye motor betegnes i det følgende SM5B. Det er en én-cylindret stirlingmotor af -typen, hvor arbejdsstempel og fortrængerstempel er placeret i samme cylinder (se bilag 1). Motoren er som de tidligere motorer konstrueret som en hermetisk enhed, hvor generatoren og alle stirlingmotorens mekaniske dele er bygget ind i en lukket beholder, som udgør motorens krumtaphus. Den eneste forbindelse fra motorens indre til omgivelserne er kabelforbindelsen til el-nettet. På den måde undgås bevægelige tætninger, som har givet mange problemer i

12 PSO-FU kw Stirlingmotor stirlingmotorer med konventionelle åbne krumtaphuse. Den integrerede asynkron generator har 6 poler svarende til et omdrejningstal på ca min-1, og generatorens nominelle el-effekt er 11 kw. Figur 2.1 viser princippet i den hermetiske stirlingmotor af -typen. For at undgå problemer med olie, der trænger op i arbejdsvolumenerne fra krumtaphuset, anvendes fedtsmurte rulleog nålelejer. Stempelringe og stangtætninger er fremstillet af PTFE med forskellige former for fyldstoffer. Motoren anvender Helium som arbejdsgas ved et middeltryk på 8 MPa. Motoren er udviklet til først og fremmest at anvende gasformige brændsler, og dette er baggrunden for, at middeltrykket er noget højere end i den 4- cylindrede 35 kw motor. Den nye 9 kw motors grundlæggende udformning er ikke ændret i forhold til de første motorer. Det betyder at motorens boring og slaglængde for både arbejdsstempel og fortrænger er uændret, ligesom der heller ikke er ændret på antal og dimensioner af rørene i køler og heder samt regeneratorens dimensioner. Som følge af de i foregående afsnit nævnte konklusioner er der imidlertid lavet en omfattende revision af motoren. Konstruktionen er ændret på følgende punkter: Krumtapmekanisme: Figur 2.1 Principskitse af hermetisk en-cylindret motor. Krumtapmekanismen er redesignet med udgangspunkt i en ny idé til en ændret geometri. Der er opnået følgende forbedringer: 1. Den reviderede krumtapmekanisme medfører, at den ønskede fasevinkel mellem fortrænger- og arbejdsstempel er en direkte følge af mekanismens geometri, hvilket medfører en væsentlig simplifikation af mekanismen både med hensyn til antallet af komponenter, men også montage og demontage. 2. Den reviderede krumtapmekanisme medfører en væsentlig reduktion af kræfterne på mekanismens komponenter og dermed også på bagpladen. 3. Momentet på akseltappene til svingarmene er elimineret, og akseltappene er ikke længere monteret på bagpladen, men direkte i krumtaphuset. Dette reducerer yderligere kræfterne på bagpladen. Alle lejer er udluftet i omdrejningscentret, og lejerne, der forbinder åget med arbejdsstemplets plejlstang, udluftes ikke ind mod stempelstangen men direkte til krumtaphuset. Dermed er problemerne med at smørefedt pumpes ud af lejerne som følge af trykvariationer i krumtaphuset løst. Desuden kan fedtet ikke blive skudt ud på fortrængerens stempelstang. En ny styring af trykket i krumtaphuset i forhold til arbejdsvolumenernes middeltryk er udviklet og afprøvet på de eksisterende motorer. Styringen består af en kontrollerbar læk, der forbinder de to volumener. Åg og svingarme fremstilles af højstyrkestål (Weldox 700), hvor den udvendige kontur vandstråleskæres, så lodning helt undgås. Den nye motors svinghjul er mere end dobbelt så stort som svinghjulet på de oprindelige motorer.

13 PSO-FU kw Stirlingmotor Topstykke og brænder: En ny metode til montering af hederrør på det varme topstykke er identificeret og implementeret på den nye motor. Dermed er svejseprocessen simplificeret, så vanskeligheder med svejserevner ved svejsning af rørene til topstykket kan undgås. En helt ny luftforvarmer er udviklet, hvor strømningen af både luft og røggas er jævnere fordelt. Generator: Strømgennemføringen til generatoren er redesignet på basis af de gode erfaringer fra strømgennemføringerne på de større 35 kw motorer. Mens den første motor, SM3A, var konstrueret og detailtegnet ved hjælp af 2D-CADprogrammet AutoCad, er hele konstruktionsarbejdet vedrørende den nye motor gennemført i 3D-CAD-programmet AutoDesk Inventor. Det har givet nogle udvidede muligheder for at lave en hensigtsmæssig konstruktion, men det har samtidig været et større arbejde end forudset at lave hele tegnearbejdet fra grunden. Det er nemlig ikke muligt at overføre tegninger fra AutoCad til Inventor, fordi der ligger en helt anden tankegang til grund for at arbejde i 3D- CAD-programmet. I alt er der lavet ca. 200 tegninger til fremstillingen af motoren, og meget få af disse tegninger er uændrede i forhold til den tidligere type SM5A-motor (se tegningsliste og detailtegningen af enkelte hovedkomponenter i bilag 3) Figur 2.2 og 2.3 viser den nye motors opbygning. Nedenfor er den nye konstruktion kommenteret i detaljer: Motorens grundlæggende data fremgår af tabel 2.1. Sammenlignet med andre stirlingmotorer i effektområdet fra 2 kw til 20 kw fremstår den nye konstruktion som både mere enkel, mere kompakt og mere robust. Nedenfor er motorens konstruktion beskrevet i detaljer.

14 PSO-FU kw Stirlingmotor Gas Forvarmet Røggas Luft Forbrænding Pos. Description 1 Gas brænder 2 Hederrør 3 Expansionsvolumen 4 Fortrængerstempel 5 Topstykke 6 Regenerator 7 Køler 8 Bypassventil 9 Luftforvarmer 10 Kølevand ud 11 Kompressionsvolumen 12 Arbejdsstempel 13 Bagplade til mekanisme 14 Arbejdsåg 15 Fortrængeråg 16 Arbejdssvingarm 17 Hermetisk signalgennemføring 18 Fortrængersvingarm 19 Dæksel 20 Svinghjul 21 6 polet asynkron generator 22 Kølevand ind 23 Krumtap 24 Balancevægt 25 Krumtaphus 26 Hermetisk effektudtag Luft ind Røggas ud mm Figur 2.2: Tegning af SM3B forfra.

15 PSO-FU kw Stirlingmotor Tabel 2.1: Specifikationer for 9 kw el stirlingmotor, SM3B Boring, mm 114 Slag, mm 54 Fasevinkel, o 79 Antal cylindre 1 Omdrejningshastighed, rpm 1015 Middeltryk, MPa 8.0 Arbejdsgas Helium Generatorvirkningsgrad, % 89 Driftsdata ved nominel driftstilstand: Hederrørstemperatur, o C 740 Kølevandstemperatur, frem, o C 55 Akseleffekt, kw 10 El-effekt, kw 9 Vægt inkl. brænder, kg 600 Længde, m 1,0 Bredde, m 0,6 Højde, m 1, mm Figur 2.3: Snittegning af SM3B fra siden. Bemærk at snittet er forsat, således at man ser centeret i cylinderen samtidig med centeret i krumtappen.

16 PSO-FU kw Stirlingmotor 2.4 Cylinder med topstykke, heder, regenerator og køler Motorens interne varmevekslere består af en heder, hvor varmen tilføres, en regenerator, hvor varmen lagres, og en køler, hvor den overskydende varme fra processen fjernes. De tre varmevekslere er anbragt som en rotationssymmetrisk ring om fortrængerstemplets cylinder, således at kølevandet i køleren samtidig sørger for at holde temperaturen på fortrængerens cylinderoverflade på et lavt niveau. Figur 2.4: Snit I topstyke som det er på de to første motorer. Bemærk at kuplen er lavet som en tolags konstruktion, og at hederrørene er svejset direkte i kupelmaterialet. Figur 2.5: Motorens topstykke består af en kuplet endebund I 2 lag, hvor der er påsvejset en flange og boret huller til montering af hederrørene. I det nye topstykke samles 4 hederrør i et samlestykke til et fælles tilslutningsrør, således at de 32 hederør kun medfører 8 svejste rørtilslutninger i topstykket.

17 PSO-FU kw Stirlingmotor De U-formede hederrør forbinder det varme ekspansionsvolumen over fortrængeren med regeneratoren, der sidder i en ring om fortrængercylinderen. Hederen består af 32 rør, ø8 x 2,5 mm, i materialet Alloy 800H, der er bukket og monteret på topstykket ved at svejse rørenderne indvendigt. Før svejsningen er der monteret finner. På grund af problemer i den oprindelige konstruktion med svejserevner i svejsningen af hederrørene til topstykket er hederen forsøgt udformet på en måde, så dette problem reduceres. Figur 2.5 viser den nye konstruktion og til sammenligning er den gamle konstruktion vist på fig Som det fremgår af figuren er der på den nye konstruktion indført nogle samlestykker, hvor fire hederrør samles til et større rør. Mellemstykke, finner og hederrør loddes sammen i vakuum med nikkel som lod. Dermed er der kun 2 x 8 rørender, der skal svejses til topstykket, og rørendernes godstykkelse er større. Finnerne er fælles for alle fire rør i et sæt, således at hederen er 8-kantet, når den er samlet. Figur 2.6: Køler til 9kW motor. De to huller på forsiden er indog udløb til vand. De mange små huller der ses på oversiden er enderne på Heliumrørene, rørne kan også ses igennem hullerne på forsiden. Fortrængerstemplet tætner og styrer indvendig i den store center boring. Topstykkets kuplede endebund er koldpresset af 2 lag plade. Efter påsvejsning af flange, hederrør og indercylinder, varmebehandles topstykket, hvorefter det bearbejdes til de færdige mål. Der er yderligere svejset en plade fast på flangen til montering af gasbrænderen. Regeneratoren er fremstillet af tynd rustfri tråd, der er behandlet i en særlig proces og presset til den endelige form i et presseværktøj. Køleren er af tube and shell typen med Helium arbejdsgassen indvendigt i rørene, og kølevandet strømmende på tværs uden på rørene (se figur 2.6). Der er brugt ressourcer på at prøve at finde enklere løsninger end tynde rustfri rør, der er vacuumloddet i et rustfrit hus, men dette har ikke medført store forbedringer. Køleren er monteret i en mellemblok, således at det er muligt at demontere topstykke med brænder og køler ved blot at løsne 4 bolte. Når hele cylinderen med topstykke, køler og brænder er demonteret, kan man umiddelbart skifte stempeltætninger og stangtætninger. Det betyder, at et service er nemt og hurtigt at lave, hvilket er vigtigt, fordi det forventes at det er nødvendigt at skifte disse tætninger efter ca timers drift. Hvis en almindelig husholdningsbil kører timer i en tilsvarende driftstilstand (fuld last og moderat omdrejningstal) svarer det til ca. 1 mill. km mellem service.

18 PSO-FU kw Stirlingmotor 2.5 Krumtapmekanisme Krumtapmekanismen i den én-cylindrede motor er baseret på to fire-ledsmekanismer, der vender henholdsvis opad og nedad som vist på figur 2.7. Hver af de to fireledsmekanismer består af et trekantet åg og to drejelige forbindelser til krumtaphuset. De tre hjørner på et åg er forbundet til hhv. krumtaphuset via en arm med en fast længde, krumtapakslen, og en forbindelse til stemplet. De to mekanismer er ens, idet de er spejlet omkring et vandret plan. (X c,y c ) Fortrænger Figur 2.8 Grundmekanismens struktur. Arbejds stempel Figur 2.7: Den samlede krumtapmekanismes struktur. Den generelle udformning af fireledsmekanismen er vist på figur 2.8. Trekanten med siderne b og R og vinklen t er forbundet til to faste omdrejningspunkter O 2 og O 4 ved hjælp af armene a og c. Når vinklen alfa ændres, beskriver koble-punktet (x c, y c ) et kurveforløb. Forbindes koble-punktet (x c, y c ) til stemplet, mens armen a er krumtapbugten, der roterer om O 2, er det muligt at bestemme længden af a, b, c, d og R således, at punktet (x c, y c ) bevæger sig tilnærmelsesvis på en ret linje. Hvor lille fejlen er, afhænger af størrelsen af åget i forhold til slaglængden. I designfasen må man altså beslutte hvor stort krumtaphuset må blive, for at forbedre liniariteten af stempelføringen. Mekanismens dimensioner er optimeret således, at punktet (x c, y c ), der er forbundet til stemplet, bevæger sig indenfor et rektangel med en bredde der er 200 gange længden. Slaglængden er ca. 2 2 gange radius på den roterende arm, dvs. krumtappens forsætning = a. Fasevinklen mellem de to stemplers position er givet ved summen af vinklerne t.

19 PSO-FU kw Stirlingmotor Figur 2.9: Gammel (øverst) og ny mekanisme. Gamle mål: a 19 b 95,96 c 95,9 d 134,8 R 136,03 t 45 G 95 Slag 54,144 Side 0,2798 Nye mål: a 20,7 b 97 c 116,72 d 151 R 125,96 t 39,6367 G 79 Slag 54,079 Side 0,2713 Figur 2.9 (øverst) viser geometrien i de to første motorers krumtapmekanisme sammenlignet med den nye mekanisme. På den øverste, gamle, geometri ses det at vinklen t er 45. Ser man på begge ågs bevægelse, er fasevinklen mellem topdødpunktet for stemplerne 90 o. Dette er lidt i overkanten af, hvad der er hensigtsmæssigt, og den ene mekanisme er derfor forskudt 14 grader på krumtapbugten, med en eksentrik, således at den faktiske fasevinkel mellem fortrænger og arbejdsstempel er 76 o. Den nye mekanisme har en værdi af t på 39,63, svarende til en fasevinkel på 79,27 uden eksentrik. Den termodynamiske konsekvens af ændringen er lille, men de konstruktionsmæssige fordele er meget store. Bemærk at værdien af G er reduceret fra 95 til 79mm. Det betyder at cylinderaksen kommer tættere på krumtaphusets symmetriakse. Det giver en mere harmonisk motor med mindre vibrationer. Slaglængde og sidebevægelse er næsten uændrede. Karrakteristisk for den nye mekanisme er at svingarmene skal lejres i større afstand fra krumtapakslens center, end i den gamle mekanisme. Det har medført en mere kompleks bearbejdning af krumtaphuset. Tidligere er nævnt problemet med stivheden af svingarmens befæstning på bagpladen. Dette problem elimineres ved at fæstne svingarmsakslen direkte i krumtaphuset. Således er der god sammenhæng i det nye design. Figur 2.10: Mekanismens fysiske udformning Koblepunktets bevægelse tilnærmelsesvis på en ret linje medfører, at det er muligt at undgå krydshoveder i motoren til at optage de kræfter vinkelret på bevægelsesretningen, der er en følge af, at kræfterne ikke overføres i samme retning som cylinderens centerlinje. For en oliefri krumtapmekanisme som den her anvendte er det en særlig fordel at undgå krydshoveder, fordi disse kræver en eller anden form for smøring.

20 PSO-FU kw Stirlingmotor Akseltappe Figur 2.11: Foto af ny mekanisme. Det kan ses af figur 2.11 at lejetapperne til krumtapmekanismens to svingarme ikke er monteret på bagpladen som i den tidligere motor, men direkte i krumtaphuset, idet der er bearbejdet to øjer direkte i krumtaphuset. Figur 2.9 viser resultatet af optimeringen af fire-ledsmekanismen med en fasevinkel på 2 x 39 o = 78 o og den ønskede slaglængde på 54 mm. Koblepunktet W s bevægelse vinkelret på stempelbevægelsens længderetning er mindre end ± 0,15 mm, hvilket svarer til en tværbevægelse, der udgør mindre end 0,5 o / oo af slaglængden. Den mindre vinkel i ågets spidse trekant medfører, at forholdet mellem slaglængden af koblepunktet og krumtapbugtens diameter bliver mindre, og maksimalkraften på hovedlejerne tilsvarende mindre. Tabellen nedenfor viser en sammenligning af den gamle og den nye mekanisme: Gamle mek. Nye mek. Slaglængde, mm Tværbevægelse, mm 0,28 0,27 Koblepunktets faseforskydning, o 45 39,6 Maksimalkraft på stempel, kn Maksimalkraft på plejlstangsleje, N 21,2 19,3 Som det fremgår af tabellen er maksimalkraften på plejlstangslejerne reduceret med 10%, og bortset fra lejerne på arbejdsstemplets forbindelse til åget er kræfterne på alle lejer reduceret med 10%. For de anvendte nåle- og rullelejer betyder en 10% reduktion af belastningen en forøgelse af levetiden på næsten 40%. For at opnå den ønskede slaglængde på 54 mm for den nye krumtapmekanisme, er krumtapbugtens forsætning øget fra 19 mm til 20,7 mm, hvilket bl.a. har medført, at det var nødvendigt at anvende et større hovedleje end tidligere.

21 PSO-FU kw Stirlingmotor Figurene 2.3, 2.10 og 2.11 viser den praktiske udformning af krumtapmekanismen i den nye motor. Sammenlignes med de første motorer som vist på figur 2.9 ses, at cylinderens centerakse er flyttet nærmere til krumtappens omdrejningspunkt, mens de to svingarme, der forbinder åget med krumtaphuset, er blevet længere. Netop de længere svingarme er den vigtigste grund til at ændre udformningen af krumtapmekanismen. Som det ses er svingarmenes lejring nu en fast del af krumtaphuset i modsætning til den gamle udformning, hvor svingarmenes lejring var boltet fast på bagpladen. Dermed er hovedårsagen til de mange havarier elimineret. I den oprindelige krumtapmekanismes konstruktion var der inkluderet en balancemasse, der skulle reducere vibrationerne som følge af stemplernes massekræfter i lodret retning. Balancemassen var placeret på en forlængelse af det åg-par, som forbandt arbejdsstemplet til krumtappen. En nærmere analyse af de dynamiske kræfter i konstruktionen viste, at balancemassen skulle være 5 gange tungere for at bidrage væsentligt til reduktion af vibrationerne. Det er der slet ikke plads til i krumtaphuset, og det blev derfor besluttet helt at fjerne den. Dermed var endnu en mulig årsag til havari fjernet, da balancemassen var faldet af under langtidsafprøvningen af den motor, der kørte med biogas som brændsel. 2.6 Krumtaphus Krumtaphuset er ændret betydeligt i forhold til den første model. Dels krævede den nye mekanisme, at afstanden mellem cylinderens centerlinje og krumtappens centerlinje blev reduceret, og dels er svingarmene, der forbinder ågene med et fast punkt, nu lejret direkte i krumtaphuset. Svinghjulet er monteret på krumtappen mellem hovedlejet ved kumtapbugten og rotoren til generatoren. For at forbedre kvaliteten på den producerede strøm, er svinghjulets tykkelse mere end fordoblet, og krumtaphuset er forlænget tilsvarende. For at reducere vægten af krumtaphuset og for at undgå problemer med deformationer af endebunden, er den flade endebund erstattet med en kuplet endebund og en separat fikstur til kuglelejet for enden af krumtappen. Samtidig er nettilslutningens gennemføring placeret i midten af endebunden, således et der er god plads til ledningsføringen på indersiden af krumtaphusets trykbærende væg. Figur 2.13 viser.et foto af den nye 9 kw motor, SM5B, monteret i en ramme med gasrampe, blæser og regulering, og figur 2.12 viser et print fra 3D-CAD programmet fra samme vinkel. Resultatet af udviklingsprojektet er en gennemgribende rekonstruktion af motorens design, som forventes at være væsentlig forbedret på en række punkter.

22 PSO-FU kw Stirlingmotor Figur Den nye 9 kw motor modeleret ved hjælp af 3D-CAD programmet Inventor Figur Den nye 9 kw motor fotograferet efter samling.

23 PSO-FU kw Stirlingmotor 3 Laboratorieforsøg Som tidligere nævnt var det hensigten at udvikle en ny motor til forsøg baseret på erfaringerne fra de to første prototyper af den éncylindrede 9 kw motor, SM5A. Den oprindelige motors konstruktion viste sig imidlertid ikke at være særlig driftssikker, og det var nødvendigt at reparere motorerne efter adskillige havarier. For at undgå at gentage grundlæggende fejl i udformningen af den nye motor blev konstruktionsarbejdet udskudt i længere tid, indtil alle problemerne med de eksisterende motorer var undersøgt og løsninger på problemerne identificaret. Det medførte, at konstruktionen af den nye motor dels blev væsentligt forsinket og dels mere omfattende end oprindelig planlagt. På grund af de mange problemer med de første motorer var det kun den ene motor, SM5A-001, der blev installeret hos en anlægsvært og afprøvet over en længere periode. Den anden motor, Figur 3.1: Foto af den ene af de første motorer. Denne motor er benyttet til laboratorieforsøgene. SM5A-002 blev derfor installeret i laboratoriet og anvendt til at gennemføre de planlagte forsøg i dette projekt i stedet for den nye motor, som ikke kunne nå at blive færdig. Figur 3.1 viser den gamle 9 kw motor (SM5A) monteret på en ramme med luftblæser og gasregulering. I bilag 4 er denne motor beskrevet i detaljer. Efter at motorens krumtapmekanisme og varme topstykke var repareret, gennemførtes en indledende afprøvning. Ved denne afprøvning blev det konstateret, at trykket i krumtahuset varierede langsomt med en periodetid på minutter og en amplitude på 3 5 bar. Dette er ikke et problem under drift i en almindelig kraftvarmeinstallation, men det er uhensigtsmæssigt, når motoren skal bruges til forsøg, fordi det ikke er muligt at opnå en veldefineret stationær tilstand.

24 PSO-FU kw Stirlingmotor Tabel 3.1 Arbejdsgas Cylindertryktryk, max Bar 95 Cylindertryktryk, min Bar 58 Cylindertryk, krumtaphus Bar 72 Røggas Temperatur efter lufo o C 400 Temperatur før lufo 638 Luft Temperatur efter lufo 511 Effektivitet, lufo 0,7928 Kølevand Temperatur før generator o C 30,3 Temperatur før køler/motor o C 31,9 Temperatur efter køler/motor o C 43,1 Flow m 3 /h 1,467 Cooling incl. Generator kw 21,839 Cooling, engine ex. Generator kw 19,109 Hat Temperatur o C 681 Rør Temperatur o C 755 Gas Volumenflow, start m 3 1,46 Volumenflow, slut m 3 1,765 Tid s 300 Flow m 3 /h 3,66 Forbrug kw 39,65 Luft Volumenflow, start m 3 70 Volumenflow, slut m 3 73,35 Tid s 310 Flow m 3 /h 38,903 Luft/brændstof 10,629 Generator Eleffekt, ekstern måler kw 9,49 Cos fi, ekstern måler 0,657 0 Motor Virkningsgrad 0,2393 Forskellige løsninger til dette problem blev diskuteret og det blev besluttet at erstatte det eksisterende aktive system til kontrol af forholdet mellem cylinderens middeltryk og krumtaphusets tryk med et passivt system bestående af en variabel læk, der kunne reguleres, således at middeltrykket ikke ændrede sig under forsøgene. En afprøvning af systemet viste, at det var muligt at indstille lækken således, at trykket ikke ændrede sig måleligt, og uden at motorens effekt blev påvirket. Figur 3.2 viser blokken med Helium ventiler og manometre Der er anvendt naturgas som brændsel under forsøgene. Tabel 3.1 viser de gennemsnitlige måleresultater efter en én-times testperiode i referencetilstanden. Energiforbrug og virkningsgrad er baseret på nedre brændværdi af naturgassen, som er opgivet til 39 MJ/kg. Ved vurderingen af virkningsgraden skal man tage hensyn til, at luftforvarmerens effektivitet kun er 75%. Luftforvarmeren til den nye motor er væsentlig forbedret, og det forventes, at virkningsgraden er ca. 1,5% point højere for den nye motor. Dataopsamlingssystemet er baseret på en PLC, der registrerer alle temperaturer og øvrige langsomme signaler, der anvendes til styring og overvågning af motoren. En PC læser efterfølgende de digitaliserede måleværdier i PC-ens lager. Hurtige signaler registreres direkte i PC-en ved hjælp af det installerede A/D-kort med en maximal samplingsfrekvens på 120 khz. Data fra målinger af kølevandsflow og temperaturer til beregning af den afsatte effekt i kølevandet overføres ved hjælp af en RS232 seriel forbindelse. Figur 3.3 viser det nye dataopsamlingssystem.