El motor de calor residual Cyclone (WHE) es un pequeño motor de vapor desarrollado para producir energía a partir del vapor creado a partir del calor residual . Es una derivación del desarrollo del motor Cyclone Mark V por parte de la empresa Cyclone Power Technologies de Pompano Beach, Florida. Las versiones originales fueron diseñadas por el inventor Harry Schoell, fundador de Cyclone Power Technologies y las versiones posteriores fueron diseñadas por el Centro de Investigación Automotriz de la Universidad Estatal de Ohio (OSU-CAR).
En julio de 2014, Cyclone Power Technologies separó su producto de motor de calor residual en la corporación separada WHE Generation Corporation, [1] que opera bajo el nombre comercial Q2Power, Inc., de Lancaster, Ohio.
El motor de calor residual ciclónico (WHE) es un motor de vapor Uniflow de acción simple . Las dos variantes principales son el WHE-25, un motor radial de seis cilindros que estuvo en desarrollo hasta noviembre de 2013, y el WHE-DR de 3 cilindros que ha estado en desarrollo desde entonces. [2] Se construyó un modelo de exhibición de un motor radial de 12 cilindros, [3] pero no se sabe si se construyeron motores en funcionamiento con esta configuración.
La sincronización de las válvulas de admisión está organizada de modo que, sin importar en qué posición se encuentre el motor cuando se detuvo por última vez, la válvula de al menos un cilindro siempre estará abierta. Esto permite que el motor arranque por sí solo siempre que se le suministre vapor, sin otros medios, como un motor de arranque eléctrico, que hagan que el motor gire inicialmente.
La fracción de la carrera en la que la válvula de admisión está abierta en una máquina de vapor se denomina corte . En el WHE-25 es el 34% de la carrera. [4] Desde el punto muerto superior hasta el 34% de la carrera, el cigüeñal gira a través de un ángulo de aproximadamente 71°. En el motor de seis cilindros, un pistón alcanza el punto muerto superior cada 360°/6 = 60°. El motor WHE-DR de tres cilindros solo tiene un pistón que alcanza el PMS cada 120°, por lo que su válvula de admisión debe estar abierta en un ángulo mucho mayor para garantizar que el motor arranque por sí solo. Si la válvula está abierta durante 130° de rotación del cigüeñal, el valor de corte sería de aproximadamente el 64%.
La carrera de expansión de la máquina de vapor cubre el recorrido del pistón desde el punto muerto superior hasta el punto muerto inferior . Cuando el pistón se invierte para volver al punto muerto superior, se debe abrir una válvula de escape para que el vapor expandido de la carrera anterior pueda liberarse del cilindro. La máquina WHE tiene una válvula de escape en cada pistón accionada por una protuberancia en la biela (ver figura a la derecha). En la carrera de escape, el ángulo de la biela hace que abra la válvula del pistón, lo que permite que el vapor expandido escape hacia el cárter.
El diseño WHE-25 utilizaba una válvula de láminas, que es una pieza de metal fino que cubre la parte superior del pistón (como se muestra en la figura). El diseño WHE-DR reemplazó la lámina por una bola que descansaba en un asiento de válvula en la corona del pistón. [5]
El WHE-25 está diseñado con seis bielas que comparten un muñón de cigüeñal . El diseño estándar para dicha conexión es con una biela maestra conectada a un pistón y las bielas restantes conectadas a pasadores en el extremo grande de la biela maestra. Harry Schoell, inventor del WHE, también inventó lo que llamó un "cojinete de araña", [6] que es un disco que puede girar alrededor del muñón de cigüeñal y tiene un muñón de cojinete alrededor de su periferia para cada una de las seis bielas. Si bien este diseño elimina la necesidad de una biela maestra separada, introduce un grado de libertad no controlado , es decir, el propio cojinete de araña puede girar en una dirección hasta que su movimiento se detenga al impactar con las bielas, luego girar en la otra dirección a través de algún ángulo antes de que se detenga al impactar nuevamente con las bielas.
El diseño WHE-DR eliminó el cojinete de la araña al hacer que cada cilindro se desplazara longitudinalmente de los demás para que los extremos grandes de la biela pudieran encajar en un muñón compartido, uno al lado del otro. Se ha informado que "las pruebas iniciales han demostrado un funcionamiento significativamente más suave y silencioso". [2] La eliminación del cojinete de la araña fue el único cambio de diseño que habría llevado a esta mejora.
El diseño del motor de calor residual requiere el uso de agua para lubricar las piezas móviles, ya que el vapor de escape va al cárter del motor. Cualquier aceite utilizado para lubricar el cigüeñal y los cojinetes de biela formaría rápidamente una emulsión de aceite y agua que tendría propiedades lubricantes muy deficientes.
Los cojinetes de deslizamiento del cigüeñal y de las bielas, así como los pistones que se deslizan en sus cilindros, funcionan en régimen de lubricación hidrodinámica . La capacidad de carga de un cojinete de deslizamiento es una función directa de la viscosidad dinámica del fluido lubricante. El agua a 20 °C tiene una viscosidad de 0,001002 Pa·s, mientras que un aceite de motor típico podría tener una viscosidad de aproximadamente 0,250 Pa·s. [7] Por lo tanto, el agua es aproximadamente 250 veces menos eficaz como lubricante que el aceite.
Cyclone Power Technologies había contratado al Centro de Investigación Automotriz de la Universidad Estatal de Ohio (OSU-CAR) para realizar un análisis de ingeniería. Una presentación del 8 de marzo de 2014 [5] de OSU-CAR describió los cojinetes del motor como un "problema crítico" y afirmó:
- "Existen pocos o ningún dato fuera de la propia experiencia de Cyclone sobre el uso de lubricación con agua para cojinetes de bolas o de rodillos en nuestro entorno y bajo nuestras cargas. La vida útil calculada utilizando solo la carga del cojinete y los factores de escala para la viscosidad del lubricante indican que se requiere una relación muy alta entre la capacidad de carga y la carga aplicada".
- "Existen datos mínimos sobre el uso de cojinetes de fricción de polímero lubricados con agua en nuestro entorno y bajo nuestras cargas. Se han demostrado factores de un aumento de 4:1 en la vida útil con el funcionamiento sumergido, pero hay pocos datos disponibles sobre el desgaste a largo plazo con lubricación con agua presurizada".
El contrato entre Cyclone Power Technologies y Phoenix Power Group para el WHE [8] establece que Phoenix Power Group realizará un pago progresivo de $150,000 "Una vez finalizadas las 200 horas de pruebas de durabilidad de la versión 5.0 del WHE, realizadas y/o supervisadas por OSU. Las pruebas de durabilidad deberán consistir en que el motor WHE funcione sin fallas y produzca de 10 a 20 hp". Al 25 de marzo de 2015, no había indicios de que hubieran logrado que un motor lubricado con agua pasara esta prueba de resistencia de 200 horas.
No se han publicado pruebas independientes de ningún modelo WHE, pero hay una indicación de ello en la información publicada sobre el sistema de recuperación de calor residual de prueba para Bent Glass Design de Hatboro, PA. [9] Se describió que el sistema proporcionaba hasta 10 kW de salida eléctrica utilizando un motor modelo WHE-25 y "convertirá más de 500.000 BTU de calor de escape de los hornos de fabricación de vidrio del cliente en energía eléctrica". Un caudal de calor de 500.000 BTU/h equivale a 146,5 kW.
El motor WHE-25 tiene un punto de corte del 34 %. [4] Esto permite que el 66 % restante de la carrera del pistón expanda el vapor, extrayendo trabajo de él y haciendo que la presión caiga. La figura de la derecha muestra cómo cae la presión en el cilindro de un motor de vapor después del punto de corte. El WHE-DR debe tener un punto de corte mucho más tardío para permitirle arrancar por sí solo. El punto de corte tardío conduce a una presión efectiva media mayor que dará una mayor potencia de salida para un motor de un tamaño determinado que funcione a una velocidad determinada, pero también conduce a una disminución de la eficiencia ya que el vapor está a una presión más alta cuando sale del cilindro y menos de su energía se ha convertido en trabajo mecánico.
Expansor: Una máquina de vapor es solo un componente de un sistema de energía de ciclo Rankine . La figura del ciclo Rankine a la derecha muestra una turbina en lugar de un motor de pistón alternativo entre los estados 3 y 4, pero cualquiera de los dos dispositivos actúa como etapa de expansión en el ciclo.
Condensador: El dispositivo entre los estados 4 y 1 es el condensador . Elimina el calor del vapor de escape del motor para condensarlo nuevamente en agua. En el caso del motor WHE-25 en la subsección anterior, de los 146,5 kW de energía térmica suministrada en el vapor inicial, 10 kW se convirtieron en electricidad. Eso deja 146,5 - 10 = 136,5 kW de energía térmica para ser eliminada por el condensador. Como punto de comparación, un motor diésel Caterpillar C13 que se usa comúnmente en camiones con remolque tiene una clasificación de rechazo de calor al refrigerante de 128 kW. [10] Por lo tanto, un condensador para el motor WHE-25 que produce 10 kW de potencia sería aproximadamente del tamaño del radiador de un camión semirremolque. El WHE-DR más nuevo es probablemente menos eficiente, por lo que necesitaría un condensador aún más grande para la misma potencia de salida.
El condensador necesita suficiente flujo de aire para disipar el calor. Normalmente se utiliza un ventilador para crear este flujo de aire, y su consumo de energía reduce la potencia neta disponible del sistema.
Bomba de agua de alimentación: El agua condensada se almacena en un tanque y luego se bombea a alta presión mediante la bomba de agua de alimentación, estados 1 y 2 en la figura. Esta bomba requiere una fuente de energía, así como un sistema de control para que bombee la cantidad adecuada de agua para compensar la cantidad de vapor que se introduce en el motor.
Caldera : Se añade calor al agua de la caldera para crear el vapor, estados 2 a 3 en la figura. A las calderas a veces se las llama generadores de vapor, y Cyclone Power Technologies ha utilizado el término "Cámara de combustión/Intercambiador de calor" o "CCHX". [11] Independientemente del nombre utilizado, si la presión del sistema es superior a 15 psi (1 bar) y se añade calor, el dispositivo es legalmente una caldera. Todos los estados de los Estados Unidos, excepto Idaho y Wyoming, y todas las provincias de Canadá han adoptado legalmente el requisito de que las calderas se registren en la Junta Nacional de Inspectores de Calderas y Recipientes a Presión . [12] El registro incluye los requisitos de que el diseño de la caldera esté aprobado como conforme al Código de Calderas y Recipientes a Presión (BPVC) de ASME , debe construirse en una instalación actualmente autorizada por ASME para construir dichas calderas, debe instalarse y probarse con la aprobación de un inspector de la Junta Nacional y debe someterse a inspecciones periódicas a expensas del propietario.
La jurisdicción también puede exigir que la instalación sea operada por un ingeniero estacionario autorizado , y que esté cubierta por un seguro de responsabilidad civil suficiente.
La razón de tal escrutinio se debe a las pérdidas catastróficas que pueden ocurrir debido a una explosión de una caldera .
El sistema también requiere una válvula de seguridad de vapor aprobada y un control del nivel de agua, así como válvulas para el agua que ingresa a la caldera y el vapor que ingresa al motor. Si el sistema está diseñado para funcionar sin supervisión, se necesitan sensores y sistemas de apagado automático de seguridad.
Por tanto, el motor de calor residual puede ser uno de los componentes menos costosos de un sistema completo de recuperación de calor residual.
