2010. augusztus 1., vasárnap

Hogy is van ez? -A színfalak mögött a HUHA Generátor

Üdvözlöm a tisztelt olvasókat! Ígéretemhez hűen ím csordogál a következő bejegyzés, ami sok szempontból kilóg a sorból. Egyrészt mert már jó előre kész volt, másrészről pedig nem egyedül alkottam, az alkotásban segítségemre volt Dr.Tóth-Nagy Csaba tanár úr, Triesz Péter tanár úr, és állandó kollegám Kovács Larion.  Benfenntes olvasóim már sejthetik hogy megint köze lehet a dolognak a hulladékhőhöz és annak hasznosításához. Aki ebbe az irányba sandít az nem téved nagyot :)
 Úgy érzem hogy mindenki megértse hogy mivel is töltöttem a félévet és a nyár középső harmadát, és hogy hogyan is működik tulajdonképpen alkotásunk, s hogy mi is az a HUHA-Generátor, arra tökéletes lesz ez a bejegyzés. Mivel nagyon sok munkánk van ebben a dokumentációban, így büszkén publikálhatom, első szakmai cikkemet, ami kicsit hasonlít a diplomamunkához. No de ne csépeljük tovább az érdemtelen szót, vágjunk bele a témába. Ahogy a vicc is mondja:"Értem én hogy gőzgép de mitől megy?" 


Hulladékhőt Hasznosító Generátor  (HUHA-Generátor)
prototípus modelljének fejlesztése

Kis József, SzE, Járműgépész hallgató
Kovács Larion, SzE, Járműgépész hallgató
Triesz Péter, SzE, MTK, GMT, egyetemi tanársegéd
Dr. Tóth-Nagy Csaba, SzE, MTK, AHMT, egyetemi docens




Győr, 2010-07-12










Kivonat 

A jelen dokumentum a Széchenyi Duó pályázat keretében támogatott Hulladékhőt Hasznosító Generátor deszkamodelljének elkészítését mutatja be.  A projekt folyamán átfogó konstrukciós analízis készült, aminek alapján öt különböző prototípus deszkamodell készült.  A prototípusok új információt szolgáltattak, mely elősegítette a számítógépes szimuláció tökéletesítését.  A párhuzamos munkamenet eredményeként, a szimuláció, a CAD modellek és a gyártmányok folyamatosan készültek.  A fejlesztés első lépcsője megvalósult, a szimuláció alapján bebizonyosodott, hogy az elképzelés működőképes, továbbá az V. verzió deszkamodellje biztonságosan működött mely bemutatásra került a sajtó előtt.  A konstrukció egyszerű és könnyen megvalósítható, annál összetettebb a megértés, szimuláció, és tervezés folyamata.

Bevezetés

A belsőégésű motorok, hőerőgépek veszteséggel üzemelnek, a bevitt energia jelentős része mechanikai munkavégzés nélkül a hűtővízzel és a füstgázokkal a szabadba távozik.  Egy Otto motor esetében a tüzelőanyagból felszabaduló energia maximum 33%-a hasznosul mechanikai munka formájában, a bevitt energia 67%-a munkavégzés nélkül a környezetet melegíti.
            A folyamatokban keletkező hulladékhő energiájának felhasználására több alternatíva is kínálkozik.  Egyik lehetőség a Stirling motorok alkalmazása.  A Stirling motor egy külsőégésű hőerőgép, mely a Stirling körfolyamat szerint működik.  Mivel külsőégésű, bármilyen energiaforrással tud működni beleértve a megújuló típusú energiákat is.  A Stirling motor térkiszorító és munkavégző dugattyúja egy forgattyús mechanizmushoz kapcsolódik.  A térkiszorító dugattyú állandó munkavégző közeget kényszerít a melegtérből a hidegtérbe és vissza.  A hidegtérben lehűl, a melegtérben felmelegszik a munkavégző közeg, amely során nyomása változik.  Ez a változó nyomás mozgatja a munkavégző dugattyút.
Másik lehetőség a forgattyús mechanizmus elhagyásával lengő rendszer létrehozása. Ezáltal a forgattyús mechanizmus veszteségei megszűnnek.    Ebben az esetben is van egy térkiszorító és egy munkavégző dugattyú, melyeknek szerepe hasonló az eredeti Stirling motor dugattyúinak szerepéhez.  Ez a megoldás szabad dugattyús Stirling motor néven vált ismerté.
A sok lehetséges megoldás közül egy harmadik alternatíva a külsőégésű lineáris rezonancia motor alkalmazása, mely csoportba a HUHA-Generátor is sorolható.  Az analízisek során ez a megoldás mutatkozott a legjobbnak gazdaságossági és gyárthatósági szempontok alapján.
           

Hulladékhőt Hasznosító Generátor (HUHA-Generátor)

A HUHA-Generátor három fő egységre osztható, egy meleg térre, egy szűkítőre, és egy hidegtérre.  A meleg teret melegítjük, a hidegteret hűtjük, a szűkítő pedig a terekben áramló gáz fojtására szolgál.  Melegítés hatására a meleg térben lévő gáz kitágul, nyomása megnő, átáramlik a hideg térbe a szűkítőn keresztül, megnöveli a hidegtér nyomását.  A megnövekedett hidegtéri nyomás elmozdítja a dugattyút, ezzel munkát végez. A dugattyú felgyorsul, a saját tehetetlenségéből adódóan továbbmozdul, mint ameddig a gáz kényszerítené, ezáltal vákuum keletkezik a hidegtérben. A vákuum hatására a szűkítőn keresztül még több meleg levegő áramlik a hidegtérbe, mely ott lehűl.  A lehűlt gáz nyomása lecsökken, mely depressziót hoz létre a hidegtérben, a kialakult vákuum a dugattyút megállítja, majd ellentétes irányba kényszeríti.  A dugattyú ismét felgyorsul, de most az ellentétes irányban, és tömegtehetetlenségéből adódóan átpréseli a hidegtérben található levegőt a meleg térbe, ahol az ismét felmelegszik, nyomása megnő, és ezzel a folyamat kezdődik előröl.
A hőerőgép által létrehozott mechanikai munkát a lineáris generátor alakítja elektromos energiává.  A generátor bármilyen hőforrással működtethető pl.: napenergia, nukleáris energia, termikus energia, vagy hőerőgépek hulladékhő energiája (Innét a neve is: HUlladékhőt HAsznosító Generátor)

Számítógépes szimuláció

A projekt keretében numerikus szimuláció is készült abból a célból, hogy a későbbiekben megvalósuló generátorok tervezésekor optimalizálni lehessen az egyes paramétereket a lehető legjobb hatásfok elérése érdekében.
A szimulációs modell három fő részből áll, egy dinamikai, egy termodinamikai és egy áramlástani modellből.  Ez egy csatolt dinamikai rendszert eredményez, melyben első- és másodrendű közönséges differenciálegyenletek, illetve algebrai egyenletek is szerepelnek.  Ezeket az egyenleteket egy Matlab programban írt szimulációs kód numerikus integrálással és a véges differenciák módszerével oldotta meg és szimulálta a generátor működését.
            A dinamikai modell a jól ismert lengő tömeg, rugalmas elem, és a terhelést reprezentáló csillapító elemből áll.

Az ábra jelöléseit alkalmazva a másodrendű mozgásegyenlet az alábbiak szerint alakul:

,

mely az Euler-módszer alkalmazásával átalakítható két elsőrendű differenciálegyenletté, mely a numerikus szimulációhoz szükséges.

            A termodinamikai modell két részből áll, egy hőközlésből a melegtér, és hőelvonásból a hidegtér esetében, illetve a gázok állapotváltozását leíró ideális gáztörvényből. A hőközlés modellje:

A hőközlés elsőrendű egyenletei:

Az ideális gáztörvény alkalmazásával kapjuk azt a nyomásváltozást, amely a levegő felmelegedésével, illetve lehűlésével jár. A nyomásváltozás a dugattyún erőt fejt ki, így munkát végez:

.
                                                             
A fenti egyenletek természetesen külön alkalmazandók a hidegtérben, illetve a melegtérben lejátszódó termodinamikai folyamatokra.

            A harmadik modell, az áramlástani folyamatokat írja le a két tér között uralkodó nyomáskülönbség hatására. Ez szintén egy elsőrendű differenciálegyenlet, mely a két tér közötti áramlást írja le.

                                                   
Ez az anyagáram további hőt szállít a két tér között, így egy keveredéses hőátadást valósít meg. Tökéletes keveredést feltételezve:

                                                      
A fenti egyenletek megoldása adja tehát a szimulációs eredményeket, melyek a generátorban lezajlódó folyamatokról adnak teljes képet, illetve egy a későbbiekben megírandó optimalizációs programkód segítségével megadja azt is, melyek azok a paraméter értékek, amikkel a lehető legjobb hatásfokkal működő generátort lehet létrehozni. Az alábbi ábrák egy szimulációval kapott eredménysort ábrázolnak:

                                                     
3. ábra Szimulációs eredmények


Prototípus modellek

A szimulációt követően elkészült a HUHA-Generátor I. verziójának (Vuvuzela) CAD modellje.

4. ábra HUHA-Generátor I. verziójának CAD modellje.  A piros a melegtér, a kék a hidegtér.

A szimuláció eredményeit figyelembe véve a generátor megépítésre került. A gépet gömbsüveg alakú meleg tér, gömbsüveg alakú hidegtér jellemezte.  A két tér között elhelyezkedő, az áramlást befolyásoló szűkítőt egy egyszerű furat testesítette meg.
A munkavégző elem szerepét fém membrán töltötte be.
                                                  
5. ábra.  Az I. verzió HUHA (Vuvuzela)

A deszkamodell problémája a magas zajszint volt. Ez további fejlesztéseket eredményezett.

A fejlesztések eredményeként megépült a II verzió HUHA (TóCsa).  Az előző modellhez képest a fő különbség a henger alakú, szabályozható meleg tér és a kisebb méretű tányér alakú hidegtér volt. A magas zajszint csökkentése érdekében gumi membrán került beépítésre. A membránon alkalmazott fémlemez betét a hőátadási tulajdonságokat javította. A gyártás a tervezéssel párhuzamosan folyt.

6. ábra.  A II. verzió HUHA CAD modellje


4. ábra.  A II. verzió HUHA (TóCsa)

Elkészült a III verzió, a HUHA (Dodi).  A tervek alapján a meleg tér az előző konstrukcióéval megegyező formájú.  Szűkítőként egy kalibrált furat funkcionált.  Meghatározó különbség, hogy a hidegtér henger alakúra készült., továbbá alumínium dugattyú került beépítésre.  A hűtő bordák elhelyezése a motor hosszan tartó működését biztosították.


5. ábra.  A III. verzió, HUHA (Dodi) CAD modellje


6. ábra.  A III. verzió, HUHA (Dodi)

Megszületett egy IV. verzió HUHA (Larion). Ebben a konstrukcióban megjelent az üveg, mint szerkezeti anyag.  A legfontosabb változás hogy a meleg tér üvegből készült. Az üveg alkalmazása kisebb hő teljesítménnyel is működőképessé tette a modellt.


7. ábra.  A  IV. verzió, HUHA (Larion)

A fejlesztési szakasz következő állomása az V. verziós HUHA (Rajmond) volt. A súrlódási veszteségek csökkentése érdekében a munkavégző dugattyú és a hidegtár is üvegből készült


8. ábra.  Az V. verzió HUHA (Rajmono)

Megépült egy működő deszkamodell, mely a rezonancia motor működésén alapul. Elkészült a terhelést jelentő lineáris generátor, melyet az Intermotor Kft. Fejlesztett.


9. ábra.  A lineáris generátor, amit az Intermotor Kft. fejlesztett a projekt számára.

Összegzés

A projektmunka során átfogó konstrukciós analízis készült. A prototípusok révén új információkhoz jutottunk, melyek elősegítették a számítógépes szimuláció tökéletesítését. A párhuzamos munkamenet eredményeként, a szimuláció, a CAD modellek és a gyártmányok folyamatosan készültek.  A fejlesztés első lépcsője megvalósult, a szimuláció alapján bebizonyosodott, hogy elképzelés működőképes, továbbá az V. verzió deszkamodellje biztonságosan működött.

Jövőbeni feladatok

            A projekt távlati céljai között szerepel az elkészült modellek vizsgálata, tesztelése, a mérési eredmények kiértékelése. A mérések alapján a szimuláció tökéletesítése és a kapott adatok lévén egy jobb, nagyobb teljesítményű motor építése.  Továbbá a tervezési folyamat végén a hőerőgép és a lineáris generátor összekapcsolása és működésük összehangolása.

Köszönetnyilvánítás

A projekt résztvevői köszönetüket fejezik ki a Széchenyi István Egyetem Tudás Menedzsment Központ Széchenyi Duó pályázatának keretein belül nyújtott anyagi és erkölcsi támogatásáért, mely lehetőséget biztosított elképzeléseink megvalósítására. Továbbá köszönet Balog József esztergályosmesternek pontos precíz munkáját. Valamint köszönet Rajmon Norbertnek a motivált segítségért.






A fejlesztés persze azóta sem állt le, ez is megérne egy külön misét, de azt hiszem tovább nem kúrtítom ezt a vitorlát. Nagyon kellemes kis időszak volt ez a félév, és nagyon jó érzés volt a csapatban dolgozni. Helytállni mint leendő mérnök, és szembesülni a tervezés problémáival a megvalósulás örömeivel. Örülök hogy része lehettem ennek a pályázatnak, és remélem a jövőben is tudok ebből profitálni. 
   Kedves olvasók, remélem nektek is javatokra szolgált ez az írás, ebből talán jobban megérthettétek hogy mi is az a HUHA-Generátor. 
   Köszönöm mindenkinek aki belerángatott ebbe, értem itt Lariont, és aki támogatott, anyukám, apukám,nővérem, Kedvesem,  és mindenki aki ötleteivel hozzájárult a tervezéshez. 
 A HUHA projektről szóló írásaimat így én is lezártnak minősítem. A jövőben ismét a nyári kalandokba csobbanunk, de erről majd később.
   Köszönöm hogy türelmesen végigolvastátok a bejegyzésemet, remélem tetszett, és mindenkinek tudtam újat mutatni.
   A következő írásomig legyetek jók, vigyázzatok magatokra, élvezzétek a nyarat és egymást. A mihamarabbi viszontolvasásig sziasztok.

1 megjegyzés:

  1. Szervusz! Kovács "PENGE" Attila vagyok a hazai Stirling motoros közösség egyik fórumának adminisztrátora és egyben lelkes hőlégmotor tervező, építő. Ha jól látom itt a dolgot, akkor sikerült eljutnotok egy mások által csak Lamina flow-ra keresztelt hőlégmotorhoz, mindezt pénzügyi támogatással és műszaki háttérrel stb...
    Kíváncsi vagyok, hogy hova jutottatok a következő időszakban, illetve, hogy tartjátok-e a kapcsolatot még. Jelenleg szabad dugattyús gépekkel kísérletezem, ha esetleg kíváncsi vagy a fejleményekre, akkor bladeattila néven megtalálsz a youtube-on, vagy Infrared Stirling motoros fórumán! Minden jót és sok sikert a jövőre nézve! Attila

    VálaszTörlés