MIKROVÄRMEKRAFTVERK för hemmabruk

(1)

MIKROVÄRMEKRAFTVERK

FÖR HEMMABRUK

NIKLAS ANDERSSON

Examensarbete Stockholm, Sverige 2006

(2)

MIKROVÄRMEKRAFTVERK

för hemmabruk

MICRO SCALE POWER PLANT

for home usage

av

Niklas Andersson

Examensarbete MMK 2006:3 MPK 548 KTH Industriell teknik och management

Maskinkonstruktion

(3)

(4)

Examensarbete MMK 2006:3 MPK 548 MIKROVÄRMEKRAFTVERK för hemmabruk Niklas Andersson Godkänt 2006-01-20 Examinator Priidu Pukk Handledare Priidu Pukk Uppdragsgivare B2 Ånga Kontaktperson Bernt Breding Sammanfattning

Min frågeställning i rapporten har sin grund i de allt större problemen med de negativa effekterna efter förbränning av fossila bränslen samt de kraftigt stigande energipriserna. Jag har därför använt mig av följande frågeställningar:

1. Är det är möjligt att konstruera ett mikrokraftvärmeverk?

2. Är det ekonomiskt försvarbart för en potentiell kund att köpa en sådan produkt? Syftet med rapporten är att besvara dessa frågor samt att ta fram en plattform för byggnation av en självgående prototyp.

Materialet som använts i rapporten har till stor del bestått av produktkataloger från diverse företag men även äldre kursböcker i ångmaskinslära. Inspirationen från materialet har tillsammans med egna tankar och idéer blivit lösningsförslag inom olika, på förhand

definierade, områdesgrupper. Alla lösningsförslag utvärderades i beslutsmatriser och det mest framstående förslaget i varje grupp valdes sedermera som ett slutgiltigt konstruktionsförslag. Resultatet blir att det är fullt möjligt att bygga ett fungerande mikrovärmekraftverk. Under vinterhalvåret då klimatet kräver att vi värmer upp våra villor är proportionerna 8 % el och 92 % värme mycket passande. Problem uppstår dock på sommarhalvåret då inget behov av värme finns. Detta resulterar i att överskottsvärme måste produceras för att få tillgång till elektricitet, vilket rent ekonomiskt sett är mycket ofördelaktigt. Det enda sättet att kraftigt minska denna förlust är att utveckla en effektivare ångmaskin.

(5)

(6)

Master of Science Thesis MMK 2006:3 MPK 548

MICRO SCALE POWERPLANT for home usage

Niklas Andersson Approved 2006-01-20 Examiner Priidu Pukk Supervisor Priidu Pukk Commissioner B2 Ånga Contact person Bernt Breding Abstract

My questions at issue for this report has it´s beginning in the growing problems of the negative effects of burning fossile fuels and the rapidly growing energyprices.

1. Is it possible to design a micro scale powerplant?

2. Is it economically interesting for a potential customer to by such a product?

The aim with this report is therefor, with the help of design work and calculations, to answer these questions and to create a platform for building a fully functional micro scale powerplant. The material used in the report is mostly product catalogs from various industries but also study course littrature about steam engines.

The result of the report is that it is fully possible to design a fully functional micro scale power plant. During the winter months, when the climate demands our houses to be heated, the relation of 8 % electricity and 90 % heat is very suiteble. Unfortunatly problems can occure during the summer time when we do not need to heat our houses. A result of

producing electricity is heat. When wanting electricity but not heat, the heat becomes a loss. The only way to reduce this loss is to develop a more efficient steamengine.

(7)

(8)

Innehåll

Sammanfattning ... III

Abstract ... V

Innehåll... VII

1. Inledning... 1

1.1. Problemställning och syfte ... 1

1.2. Material, teori och metod ... 2

1.3. Disposition ... 2

2. Arbetsbeskrivning ... 3

2.1. Kravspecifikation... 4 2.2. Identifiering av problem... 4 2.3. Brainstorming ... 5

3. Resultat... 7

3.1. Ångmaskin ... 7 3.1.1. Kolvring... 11 3.1.2. Packbox ... 13 3.1.3. Slidventil... 16 3.2. Varvtalsreglering ... 19 3.3. Generator... 24 3.4. Pelletsbrännare ... 25 3.5. Ångpanna... 25 3.6. Värmeväxlare ... 25 3.7. Återmatningspump ... 26

4. Reflektion över ”smörjfria” material... 27

4.1. Smörjsystem ... 27

4.2. Vevaxel- och vavstakslager ... 28

5. Ekonomi ... 29

5.1. Verkningsgrad... 29

5.2. Tillverkningskostnader... 29

5.3. El- och värmekostnader ... 30

6. Slutsatser ... 31

6.1. Hur klarades kravspecifikationen? ... 31

6.2. Tankar inför framtiden ... 32

(9)

(10)

Bilaga 1 – Beräkning av erforderlig storlek för en kolvmaskin... 35

Bilaga 2 - Beräkning av erforderlig storlek för ångmaskin med två pendlar... 37

Bilaga 3 – Tätning mellan kolvstång och bottenlock... 41

Bilaga 4 – Varvtalsregulator ... 43

Bilaga 5 – Varvtalsregulator (Sprängskiss)... 45

Bilaga 6 – Momentberoende varvtalsregulator ... 47

Bilaga 7 – Momentberoende varvtalsregulator (sprängskiss)... 49

Bilaga 8 – Beräkning av erforderlig längd på kondensorrör... 51

Bilaga 9 – Jämviktsberäkning för varvtalsregulator ... 53

Bilaga 10 – Jämförelse av erforderlig kraft för jämvikt och faktisk fjäderkraft. 55

Bilaga 11 – Beräkning av kul – respektive nållagers livslängd ... 57

(11)

(12)

1 Inledning

I det här kapitlet tas upp bakgrunden till projektet upp. En beskrivning på hur arbetet fortgått ges också i stora drag. Kapitlet avslutas med att ta upp rapportens disposition.

1.1 Problemställning och syfte

Vi lever idag i ett samhälle där utsläppen av växthusgaser och giftiga ämnen, på grund av förbränning av fossila bränslen, ständigt ökar. Vi ser redan idag effekterna av dessa utsläpp i form av en ökad medeltemperatur, ozonhål och att isen vid jordklotets poler smälter undan. Om förbränningen av fossila bränslen och utsläppen fortsätter att öka kan konsekvenserna komma att bli i det närmaste katastrofala.

Men det är inte häri som det störstaintresset för den enskilde konsumenten ligger, utan främst i de ekonomiska aspekterna. Med dagens stigande oljepriser och den stundande bristen på olja kommer el- och värmeenergi att bli allt dyrare. Allt fler letar idag efter alternativ energi som är mer kostnadseffektiv. Höjda miljö- och energiskatter gör att jakten på alternativa sätt att värma sina hus trissas upp. Man borrar för bergvärme, konverterar sin oljepanna för att kunna elda med pellets eller ansluter sig till fjärrvärme. Det är därför intressant att titta på alternativa energikällor. Redan idag har de alternativa energikällorna utvecklats långt och vi har tillgång till både vind- och vattenkraftverk samt solenergi.

Även utvecklingen av kraftvärmeverk har gått snabbt framåt. De finns idag på många platser och förser närmsta stad med el och värme. Varför inte ta ner idén med kraftvärmeverk på en mer lokal nivå, så att det bara rör ett enda hushåll? Varje hushåll skulle då kunna försörjas med el och värme från det egna kraftvärmeverket. Man skulle kunna tänka sig att biobränslet kommer från lokala bönder som inte får odla grödor till föda på sina åkrar, (på grund av överproduktion). De kan då odla exempelvis havre för energiutvinning istället för att lägga en eller flera åkrar i träda.

Min frågeställning i rapporten har sin grund i de ovan nämnda problemen och är formulerade på följande vis:

1. Är det är möjligt att konstruera ett mikrokraftvärmeverk?

2. Är det ekonomiskt försvarbart för en potentiell kund att köpa en sådan produkt? Syftet med rapporten är att försöka svara på dessa frågeställningar genom att kritiskt granska de idéer och förslag som framkommer under arbetets gång och att utifrån valda förslag ge ett förslag på en konstruktionslösning av en prototyp.

(13)

2

1.2 Material, teori och metod

Jag har använt mig av en komparativ metod. Jag har alltså jämfört olika konstruktionsförslag och ekonomiska beräkningar för att få fram bästa möjliga resultat.

Teorin för mikrokraftvärmeverket (se figur 1.1) är den samma som för ett vanligt

kraftvärmeverk med den enda skillnaden att skalan är mindre. Man eldar med biobränsle, som exempelvis pellets eller havre.

Biobränslet matas från ett magasin (1) till en pelletsbrännare (2). Pelletsbrännaren värmer vatten till ånga i en ångpanna (3). Ångan får sedan passera genom en ångmaskin (4).

Ångmaskinen är kopplad till en generator (5) som producerar el till hushållet. Restångan från ångmaskinen får sedan passera genom en kondensor och avge värme till vattnet i en

ackumulatortank (6). Vattnet skickas sedan ut i husets element eller används för att värma upp bruksvatten till hushållet. Den kondenserade ångan pumpas (7) sedan tillbaka in i ångpannan där den på nytt förångas.

Idén existerar idag i form av en prototyp.1

Det material som använts i rapporten är både primär- och sekundärmaterial. Primärmaterialet kommer främst från samtal och diskussioner med handledare och uppdragsgivare.

Sekundärmaterialet består mestadels av produktkataloger och böcker i ångmaskinslära. Genom att använda sig av brainstorming kunde en stor bredd av lösningsförslag erhållas. För att avgöra vilket av lösningsförslagen som var mest lämpligt för uppgiften användes en enkel form av beslutsmatris.

1.3 Disposition

Tanken är att rapporten ska följa arbetets gång. Den börjar med framtagandet av kravspecifikationen. Mikrovärmekraftverket delas sedan in i delfunktioner. För varje delfunktion identifieras problemområden. En separat brainstorming hölls sedan kring varje delfunktion med de identifierade problemområdena i åtanke. Efter brainstormingen följer en presentation av lösningsförslagen och lite tankar om dessa. Sedan kommer en presentation av det slutliga lösningsförslaget samt en utvärdering av detta. Som avslutning kommer en sammanfattning av hela rapporten samt lite tankar om framtiden.

1

Breding

(14)

2 Arbetsbeskrivning

I det här kapitlet ges en beskrivning av hur arbetet fortgått. Hur projektet delades upp för att ge en bättre översikt över problemen. Kravspecifikationen presenteras och sedan avslutas kapitlet med en beskrivning av de identifierade problemen i de olika grupperna som projektet delats in i.

För att få en så klar bild som möjligt över värmekraftverket fördes diskussioner med

upphovsmannen om vad som skulle uppnås. Informationen härifrån listades upp och blev den kravspecifikation mot vilken alla idéer och uppslag jämfördes mot.

När kravspecifikationen väl var skriven startades brainstormingen. Inför denna ansågs det vara allt för mycket att attackera hela värmekraftverket samtidigt. Därför delades

värmekraftverket upp i följande delfunktioner: 1. Ångmaskin 2. Varvtalsreglering 3. Generator 4. Pelletsbrännare 5. Ångpanna 6. Värmeväxlare 7. Återmatningspump

För alla delfunktioner hölls sedan en separat brainstorming.

En del är helt egna idéer medan andra förslag är hämtade ur litteratur eller inspirerats av andra personer. Alla förslag är noggrant jämförda med kravspecifikationen för att se om de

motsvarar de ställda kraven. I kapitel 3 följer en redovisning av de förslag som kom fram i brainstormingen.

(15)

4

2.1 Kravspecifikation

• Värmekraftverket ska i så stor utsträckning som det är möjligt vara underhållsfritt. I de fall underhåll behövs ska konstruktionen vara sådan att ägaren själv kan utföra detta.

• Värmekraftverket får inte ta upp mer yta än att den får plats på en Europapall (1200x800mm)

• Värmekraftverket får inte kosta mer än 100 000 kr för kund

• Värmekraftverket måste vara så kostnadseffektivt att det kan konkurera med befintliga el- och värmekostnader.

• Värmekraftverket måste vara så säkert att inga risker för allvarliga personskador föreligger

• Värmekraftverket ska vara tillräckligt kraftfullt till att förse en normalstor villa med värme och el året runt.

• Värmekraftverket ska passa in i den gamla anda som övriga produkter hos B2 Ånga uppvisar.

2.2 Identifiering av problem

Delfunktionerna gicks igenom för att försöka identifiera vilka problem man skulle koncentrera sig på att lösa.

Ångmaskinen: En miljövänlig konstruktion med lång livslängd eftersträvas. Man vill alltså

undvika att miljöfarliga material och smörjmedel används. Problemområden som ska lösas blir följande:

1. Att uppnå en ångmaskin som fungerar bra utan fossila smörjmedel. 2. Att uppnå en tät ångmaskin.

3. Att uppnå en ångmaskin som kan köras med ett jämt varvtal och moment

Varvtalsreglering: En robust lösning som med stor exakthet kan hålla ångmaskinens varvtal

konstant även vid kraftiga och snabba belastningsvariationer. Problemområden som ska lösas blir följande:

1. Att uppnå en reglering som reagerar tillräckligt snabbt för att erhålla ett konstant varvtal.

2. Att erhålla en reglering som tål kontakt med höga temperaturer och ånga.

Generator: En kompakt och prisvärd generator eftersträvas. Här känns det inte nödvändigt att

ha en regelrätt brainstorming. Det räcker helt enkelt att hitta en generator på marknaden med följande egenskaper:

1. En generator som ger en växelspänning på 230 V och 50 Hz 2. En generator som kan avge en effekt på 5 kW.

(16)

Pelletsbrännare: Det finns många pelletsbrännare i rätt storlek på marknaden så en egen

konstruktion är i det här fallet överflödig. Det som eftersträvas här är en brännare som kräver en liten effekt samt som med stor exakthet kan styra förbränningen. Det som söks är alltså:

1. En pelletsbrännare med minst 5 effektsteg. 2. En pelletsbrännare som förbrukar max 60 Watt

Ångpanna: Det finns idag inget stort urval av ångpannor till det här specifika ändamålet.

Men vad som eftersöks är en lagom stor ångpanna med hög verkningsgrad. I punktform blir det:

1. En ångpanna som kan lämna minst 25 kW

2. En ångpanna med en verkningsgrad på minst 85 %

Värmeväxlare: Här uppkommer en fråga om det verkligen behövs en värmeväxlare. Ofta så

finns det redan en ackumulatortank där det redan ingår en värmeväxlare som man skulle kunna utnyttja. En eventuell värmeväxlare måste klara av:

1. Att kondensera 48 kg 180-gradig ånga per timme 2. Att uppnå en verkningsgrad på minst 90 %

Återmatningspump: Det är viktigt att återmatningspumpen har ett lämpligt deplacement för

uppgiften. Då den kommer att vara direkt kopplad till ångmaskinens vevaxel är det viktigt att den även klarar av att gå torr. Problemen som ska lösas blir i punktform:

1. Återmatningspumpen ska klara av att pumpa 32 kg vatten per timme 2. Återmatningspumpen ska inte ta skada av att gå torr.

2.3 Brainstorming

Det är viktigt att inte bli enkelspårig eller gå miste om bra lösningar. Genom att skissa på papper, slå i böcker, leta på Internet och föra diskussioner med utvalda personer kunde en stor bredd på lösningsförslagen uppnås.

En del förslag är alltså helt egna idéer medan andra är hämtade ur litteratur eller inspirerats av andra personer. Alla förslag är noggrant jämförda med kravspecifikationen för att se om de motsvarar de ställda kraven. I kapitel 3 följer en redovisning av de förslag som kom fram i brainstormingen.

(17)

(18)

3 Resultat

Det här kapitlet är tänkt att ge en översikt över konstruktionsförslagen inom de olika delfunktionerna samt att ge en insikt i hur valet av de slutgiltiga förslagen gick till. Varje delfunktion beskrivs i ett eget avsnitt. Alla avsnitt är uppbyggda på samma sätt: Först en kort presentation av lösningsförslagen. Sedan följer en enkel form av beslutsmatris som påvisar vilket lösningsförslag som är lämpligast.

3.1 Ångmaskin

Ångmaskinen är det som ska driva generatorn och det är därför viktigt att den lämnar ett jämnt moment och ett konstant varvtal. En robust konstruktion med stor tillförlitlighet eftersträvas.

Lösningsförslag 1: En ångturbin är ett bra och beprövat sätt att omvandla ånga till el. Den går

med ett jämt varvtal och har en ganska hög verkningsgrad. Problemet med en liten ångturbin är att den kräver ett högt tryck och går med ett högt varvtal2. Detta ställer i sin tur krav på ångpannan och utväxlingen till generatorn. En turbin är just på grund av det höga varvtalet svår att få smörjfri då de flesta smörjfria materialen inte tål de höga glidhastigheterna som uppkommer.

2

Ekrot, s. 263-278

(19)

8

Lösningsförslag 2: Är en egen idé på en ångmaskin.(se figur 3.2) Tanken är att ånga

strömmar in på ena sidan (2) mellan de två pendlarna och tvingar isär dessa. Samtidigt tvingas pendlarna ihop på andra sidan och trycker ut den expanderade ångan. Samma förlopp

upprepas sedan på motsatt sida. Pendlarna (1) spänns samman av ett tvärstycke (3) som sitter fast i vardera av pendlarnas centrum. När pendlarna rör sig förskjuts tvärstycket längs en rät linje och kan kopplas till ett svänghjul på samma sätt som hos en vanlig kolvångmaskin. Vartefter pendlarna tvingas isär av trycket och volymen ökar, ökar även de aktiva ytorna där trycket utför sitt nyttiga arbete. Detta gör att ångmaskinen är lämplig att köra som

expansionsmaskin.

Den här ångmaskinen borde därför ha en lägre ångförbrukning än en kolvångmaskin och därmed även högre verkningsgrad. För att kontrollera om påståendet stämde gjordes två program i MatLab. Ett program för en kolvångmaskin och ett program för lösningsförslaget i fråga.

Programmen svarar inte helt mot verkligheten då vissa antaganden och försummanden är gjorda. Då samma antaganden och försummanden är gjorda i båda programmen är de kompatibla att jämföras med varandra. Resultaten från programmen talar för att påståendet var felaktigt. Det visar sig att det aktuella lösningsförslaget behöver en motorvolym som är tio gånger så stor som en kolvångmaskin med samma effekt (se bilagor 1 & 2).

(20)

Lösningsförslag 3: En omkonstruktion av befintlig kolvångmaskin gör det möjligt att inom

en acceptabel tidrymd presentera en fungerande lösning. Alla områden där glidkontakt mellan komponenter uppkommer behöver ses över.(se figur 3.3)3

3

Breding

Figur 3.3 Kolvångmaskin från B2 Ånga

1. Kolvring

2. Packbox

3. Slidventil

4. Vevstaksgejder

5. Vevaxel

(21)

10 Val av lösningsförslag

I beslutsmatrisen nedan (se Figur 3.4) jämförs de olika lösningsförslagens lämplighet inom fyra viktiga områden. Inom varje grupp delas ett betyg mellan ett (1) och fem (5) ut, där ett är lägsta betyg och fem är högsta4.

Med gruppen varvtal betygsätts hur nära varvtalet ligger 1500 varv/min, vilket är det varvtal som generatorn kräver. I nästa grupp som är moment betygsätts hur jämt momentet som produceras är. Med tätning menas helt enkelt hur lätt det är att få respektive lösningsförslag tätt. I sista gruppen, som heter konverterbarhet, betygsätts hur lätt lösningsförslagen skulle kunna konverteras så att de blir smörjfria.

Nr 1 Nr 2 Nr 3 Varvtal 1 4 5 Moment 5 3 3 Tätning 4 1 3 Konverterbarhet 2 3 4 Summa 12 11 15

I enlighet med beslutsmatrisen ansågs kolvångmaskinen vara det lösningsförslag som lämpade sig bäst att fortsätta arbeta med.

Ångmaskinen som i sig är en delfunktion ansågs vara så komplicerad att det behövdes undergrupper för att på ett överskådligt sätt kunna genomföra konverteringen. Följande undergrupper listades ( se även Figur 3.3):

1. Kolvring 2. Packbox 3. Slidventil 4. Vevstaksgejder 5. Vevaxel 4 Ullman, s. 185-188.

(22)

3.1.1 Kolvring

Kolvringen har till uppgift att täta mellan kolv och cylindervägg. Oftast utgörs kolvringar i ångmaskiner av någon metall som exempelvis stål som glider bra, men dock inte smörjfritt, mot gjutjärnscylinderns väggar.

För att göra smörjning av kolvringar överflödig behövs det ett självsmörjande material som tål vattenånga och arbetstemperaturer på upp till 200°C.5 De material som möjligtvis skulle kunna klara av dessa förhållanden är grafit, som är en form av kol, och de två plastmaterialen Rülon© och Teflon©.

Lösningsförslag 1: Förslaget går ut på att tillverka en kolvring i något av ovannämnda

material. Ett praktisk test med grafit visade att det fungerar bra, men att ett vattenslag i ångmaskinen kan få grafiten att splittras. Grafit är således ett allt för sprött material och kan därför inte garantera lång och underhållsfri drift.

Rülon© är ett plastmaterial som tål mycket höga temperaturer, har låg vattenabsorption och är mycket slitstarkt. Dessa egenskaper gör materialet mycket lämpligt för det här ändamålet. Tyvärr är det både dyrt och svårt att köpa materialet i små mängder då det främst säljs i standardformat som t.ex. plattor eller stänger.6

Det alternativ som kvarstår är Teflon©. Teflon© är ett plastmaterial med mycket låg

friktionskoefficient som tål höga temperaturer och har låg vattenabsorption. Problemen med Teflon© är den dåliga nötningsbeständigheten och den stora värme utvidgningen. För att öka nötningsbeständigheten kan man blanda i kol och få s.k. kolfyllt Teflon©. Den stora

värmeutvidgningen går inte att få bukt med utan man får ta hänsyn till den i konstruktionen av kolvringen. Även kolfyllt Teflon© är ett dyrt material, men det finns möjlighet till att köpa i mindre kvantitet. Materialet kan nämligen sintras i stänger med stort utbud av

standarddiametrar och fås i valfri längd.7

5 Ekrot, s. 256 6 Svefluor AB 7 Sveflour AB

(23)

12

Lösningsförslag 2: En färdig lösning som hittades på marknaden var OmniSeal©, en tätningsring i Teflon© med ett U-format tvärsnitt och inbyggd stålfjäder. Fjädern ser till att spänna ut U-formen så att tätningen sluter tätt mellan cylindervägg och kolv (se figur3.6).

Tätningen, vars produktnamn är OmniSeal© (2), (se figur 3.7 & 3.8) finns i olika grovlekar och med valfri diameter.8 Nedanstående figurer visar ett förslag på hur en kolv (1) anpassad för OmniSeal© kan se ut.

8

G.A. Lindberg

Figur 3.7 Modifierad kolv med OmniSeal i snittvy

Figur 3.8 Modifierad kolv med OmniSeal i 3D-vy

(24)

Val av lösningsförslag

I gruppen nötning bedöms hur nötningsbeständigt lösningsförslaget är. I gruppen tillverkning bedöms hur lätt eller svårt ett lösningsförslag är att tillverka. Med modifiering menas hur lätt eller svårt det är att få ett lösningsförslag på plats. Med gruppen kostnad menas helt enkelt hur mycket det kostar att ta fram det specifika lösningsförslaget till en fungerande komponent.

Nr 1 Nr 2 Nötning 3 3 Tillverkning 3 5 Modifiering 4 3 Kostnad 3 4 Summa 13 15

I enlighet med beslutsmatrisen ansågs OmniSeal© vara det lämpligaste förslaget. OmniSeal© är en beprövad och säker produkt inom många liknande områden och kan med små

modifieringar av den befintliga kolven enkelt monteras.

3.1.2 Packbox

Packboxen har till uppgift att täta mellan kolvstången och cylinderhuset. För att täta ordentligt bör packboxen gå att justera så att den hela tiden ligger dikt emotkolvstången. De material som skulle kunna användas för ändamålet är grafit, Rülon© och kolfyllt Teflon©.

Lösningsförslag 1: är en packbox innehållande tallriksfjädrar i ett teflonmaterial10 (se Figur

3.10). Två tallriksfjädrar placeras i en svarvad hylsa som är gängad i båda ändarna. Den ena

ändan av hylsan skruvas fast i cylinderhuset och i den andra skruvas en spännmutter på. Då spännmuttern dras åt kommer tallriksfjädrarna att tryckas ihop och styras av hylsan så att håldiametern minskar. På detta sätt kan man förspänna packboxen så att den blir tät. Det är en enkel konstruktion som kan justeras vartefter den slits.

9 Ullman, s. 185-188. 10 G.A. Lindberg

Figur 3.10 Packbox med tallriksfjädrar Figur 3.9 Beslutsmatris för kolvring

(25)

14

Lösningsförslag 2: (se figur 3.11 och 3.12) är att tillverka halvcirklar (3) i exempelvis grafit

och sedan med en yttre konstant kraft trycka dessa mot kolvstången så att de sluter tätt. Den yttre kraften skulle kunna åstadkommas genom att man tillverkar en elastisk strumpa (2) i t.ex. silicon som träs runt packningsringarna och tvingar ihop dessa. Runt strumpan sätts sedan två hylsor (1 & 4) som kan skruvas samman. Tanken är att den övre hylsan (1) ska gängas fast i ångmaskinens bottenlock. Den här lösningen kommer att kräva en liten omarbetning då bottenlocket som måste borras upp och gängas. Fördelen är här att

omarbetningen kan ske i efterhand vilket möjliggör användandet av den befintliga modellens bottenlock.

Lösningsförslag 3: (se Figurer 3.13 och 3.14) är att ta en ring i kolfyllt teflon (1) och

använda som tätning. För att motverka den stora värmeutvidgningen kan en stålring (2) pressas på runt teflonringen. Med rätt dimensioner på teflonring och stålring är det teoretiskt möjligt att få innerdiametern konstant oavsett temperatur. Fördelarna är att det bara finns två detaljer som båda är enkla att tillverka. En stor nackdel är dock att den inte är justerbar. Hela iden bygger på att stor precision erhålls. Den kan inte spännas vartefter den slits vilket innebär att den bara fungerar tillfredsställande då den är ny och därför måste bytas ofta. Detta

stämmer inte överens med kravspecifikationen som föreskriver en lång livslängd och få reparationer.

Figur 3.11 Packbox med silikonstrumpa Figur 3.12 Packbox med silikonstrumpa (sprängskiss)

Figur 3.13 Teflonbussning med metallring

Figur 3.14 Teflonbussning med metallring (genomskärning)

(26)

Lösningsförslag 4: Är att använda den i Kapitel 3.1.1 nämnda OmniSeal©, en teflonring med

en stålfjäder, som tack vare sin konstruktion spänner ut sig och tätar mellan bottenlocket och kolvstången.11 På i stort sätt samma sätt som kolven kan det befintliga bottenlocket modifieras så att OmniSeal© kan monteras (se Figur3.15 och Bilaga 3).

Val av lösningsförslag

I beslutsmatrisen nedan (se Figur 3.16) jämförs de olika lösningsförslagens lämplighet inom fyra viktiga områden. Inom varje grupp delas ett betyg mellan ett och fem ut, där ett är lägsta betyg och fem är högsta12.

Nr 1 Nr 2 Nr 3 Nr 4 Nötning 2 5 1 3 Tillverkning 3 3 4 5 Modifiering 3 3 3 3 Kostnad 2 3 4 3 Summa 10 14 12 14

Som framgår av beslutsmatrisen så är alternativ två och fyra de mest attraktiva lösningarna. I det här fallet valdes alternativ nummer två på grund av sitt höga betyg inom området nötning.

11

G.A. Lindberg

12

Ullman, s. 185-188.

Figur 3.15 OmniSeal© i modifierat bottenlock

(27)

16 3.1.3 Slidventil

Slidventilen har till uppgift att styra ångans in och utflöde till och från cylindern. En slidventil i en kolvångmaskin släpper in ånga på ena sidan av kolven samtidigt som den tillåter

evakuering av ånga på den andra sidan av kolven. En kolvångmaskin körs vanligen med en fyllnadsgrad på ca 65 %13, d.v.s. att ånga fylls på i cylindern tills den rört sig 65 % av vägen till vändläget, efter detta får ångan expandera av sig själv. Strax innan kolven når sitt ändläge börjar slidventilen släppa in färsk ånga i cylindern. Detta kallas för försprång och används för att ge en mjukare gång och minska påkänningarna på lager. De två vanligaste typerna av slidventiler är planslid och rundslid.14

Lösningsförslag 1:För att undkomma användandet av dyra smörjfria material som behövs vid glidkontakt är tanken att ta bort glidkontakten. Resultatet blev en korsbefruktning mellan en planslid och en tallriksventil (se Figur 3.17 & 3.18). Ventilen är utformad så att försprång och fyllnadsgrad kan justeras. Stötstången (1) är sammankopplad med befintlig styrning på vevaxeln. Då stötstången rör sig upp respektive ned påverkar den ventilen (2) som då antingen öppnar eller stänger inloppen i ventilskåpet (4). Ventilen (2) är fjäderbelastad (3), vilket ger möjligheten att ställa in försprånget.

13 Breding 14 Höjers, s. 315-324

Figur 3.17 Ventilsystem till Ångmaskin i 3D-vy

Figur 3.18 Ventilsystem till ångmaskin i snittvy

(28)

Lösningsförslag 2: Det är en enkel form av rundslid där kolvringarna är smörjfria ringar i

teflon (3). Sliden sitter i en hylsa med hål (1) där ångan tillåts strömma beroende på var sliden (2) befinner sig. Ångtryck kommer att ligga på de två yttersta hålen som blir inloppet. Hålen i mitten blir utlopp. Hylsan (1) är gängad på utsidan och tanken är att slidventilen med små modifieringar ska kunna skruvas fast i nuvarande ventilhus. Det uppstår dock problem med så kallade skadliga rum, där ångan kan expandera utan att utföra något arbete, vilka blir onödigt stora i ventilhuset vid en sådan modifiering.

Lösningsförslag 3: Den nuvarande sliden är tillverkad i gjutjärn. Genom att välja ett nytt

lämpligt material till sliden skulle en smörjfri slid kunna åstadkommas utan omkonstruktioner på ångmaskinen. Då plastmaterial har en väldigt stor värmeutvidgningskoefficient kan det få sliden att bukta. Eftersom det är viktigt att sliden förblir plan för att kunna fungera bör man här undvika plastmaterial. En möjlighet är att använda grafit, som har en betydligt mindre värmeutvidgning än exempelvis Teflon©. En nackdel med grafiten är dess sprödhet, men då sliden inte utsätts för några kraftiga vibrationer eller stötar borde det fungera.15

15

Breding

(29)

Nr 1 Nr 2 Nr 3 Nötning 4 3 3 Tillverkning 3 4 3 Modifiering 3 3 5 Kostnad 3 4 2 Summa 13 14 13

Som beslutsmatrisen visar verkar det vara lämpligast att använda en rundslidventil.

Tillverkningen blir då enkel och ventilen blir lätt att få tät. Det krävs en del modifieringar av det befintliga ventilhuset, men dock inte allt för stora.

16

Ullman, s. 185-188.

(30)

3.2 Varvtalsreglering

För att få ut en jämn växelspänning på 230V och 50Hz måste varvtalet på ångmaskinen regleras. Ända sedan ångmaskinen på allvar slog igenom i industrin har det funnits ett behov av att reglera varvtalet. Det finns många förslag på varvtalsreglering varav några av

nedanstående lösningsförslag har inspirerats av.

Lösningsförslag 1: Det här är den klassiska lösningen från ångmaskinens storhetstid. Det är

två roterande vikter som påverkas av centrifugalkraften (se figur 3.22). Vid ett givet varvtal och en given belastning ställs ett jämviktsläge in. En avvikelse i varvtal, på grund av en ökad eller minskad belastning, resulterar i att vikterna rubbas från sitt jämviktsläge och ökar eller minskar inflödet. En avvikelse i varvtal är garanterad, dels beroende på friktionskrafter och dels beroende på att varje belastning har ett eget jämviktsläge med ett specifikt varvtal. I figur 3.23 jämförs erforderlig fjäderkraft för jämvikt med den faktiska fjäderkraften. På X-axeln anges rotationsradien för de båda vikterna (se Bilaga 9 & 10 för beräkningar). För att minska felet kan man tänka sig att man justerar varvtalsregulatorn efter en standardbelastning,

lämpligtvis mitt emellan max- och minbelastning.

Figur 3.22 Klassisk varvtalsregulator Figur 3.23 Jämförelse mellan jämviktskraft och faktisk fjäderkraft

(31)

20

Lösningsförslag 2: Det här är en vidare utveckling av Lösningsförslag 1. Tanken är att strypa

slidrörelsen istället för inloppet. När varvtalet blir för högt slungas de två vikterna (2) ut. I vikterna sitter det spår vari vevaxeln till slidventilen (3) kan skjutas fram och tillbaka. Vid ett för högt varvtal kommer vikterna som då rör sig utåt att tvinga vevaxeln inåt och på så sätt strypa slidrörelsen. På samma sätt kommer de fjäderbelastade vikterna att röra sig inåt vid ett för lågt varvtal och då tvinga vevaxeln utåt vilket ökar slidrörelsen.

Systemet är konstruerat för att vara självhämmande, d.v.s. att det enda sättet som vevaxeln till slidventilen kan förskjutas är genom påverkan av vikternas förflyttning (se Bilaga 4-5). Nackdelen med den här typen av varvtalsregulatorer är att varvtalet måste ändra sig innan någon korrigering kan ske. Detta tillsammans med att friktionskrafter mellan komponenterna gör systemet segt och garanterar en viss variation i varvtalet. Fördelarna är att det är en enkelt, billigt och beprövat koncept. Varvtalsregulatorn är dessutom konstruerad så att den passar inne i det befintliga svänghjulet (1).

(32)

Lösningsförslag 3: Istället för att gå direkt på varvtalet kan man gå på belastningen.

Hypotesen är att en viss belastning kräver ett visst pådrag för ett konstant varvtal. Även den här lösningen är tänkt att integreras i svänghjulet.

Svänghjulet sitter lagrad på ångmaskinens vevaxel. Mellan svänghjulet och vevaxeln sitter en bladfjäder (se figur 3.25 och Bilaga 6-7). En belastning från generatorn ger ett vinkelutslag mellan vevaxeln och svänghjulet. Denna vinkelförändring påverkar i sin tur slidmekanismens rörelse.

En ökad belastning ger en större slidrörelse medan en liten eller ingen belastning alls ger en liten slidrörelse. Man kan dock misstänka att en sådan här typ av varvtalsregulator kommer att bete sig instabilt. I synnerhet då ångmaskinen lämnar ifrån sig ett ojämnt moment.

(33)

22

Lösningsförslag 4: Enligt följande ide kommer inte själva varvtalet att vara styrande. Man

koncentrerar sig istället på belastningen som generatorn utsätts för. Genom att sätta en

strömtransformator runt en fas alstras det en ström som är direkt proportionell mot strömmen i utgående fas. Om den alstrade strömmen från strömtransformatorn likriktas kan den användas för att styra en proportionalventil som i sin tur styr flödet av ånga in i ångmaskinen (se figur

3.26). Proportionalventilen ochströmtransformatorn fordrar matningsspänning på 10V.17 Denna erhålls genom att man kopplar på en transformator med likriktare på generatorn

(förslagsvis innan strömtransformatorn). Systemet är alltså uppbyggt så att en ökad belastning på generatorn ger upphov till ett ökat flöde av ånga genom ångmaskinen.

Proportionalventilen som i strömlöst läge är stängd18 måste, för att möjliggöra start av ångmaskinen, parallellkopplas med ett ångrör (se figur 3.27). På ångröret sitter en manuell ventil som, när den öppnas, låter ånga passera till ångmaskinen. När ångmaskinen kommit upp i varv kan den manuella ventilen stängas igen eftersom proportionalventilen nu har matningsspänning.

Ett problem med den här typen av styrning är att sambandet mellan trycket in till

ångmaskinen och det tekniska arbetet från ångmaskinen är linjärt, medan förhållandet mellan proportionalventilens öppningsgrad och tryckfall är kvadratiskt (se figur 3.28). Genom att bara använda en del av ventilens arbetsintervall kan man få ner skillnaden mellan det önskade och det verkliga tryckfallet (se Figur 3.29). En nackdel med en sådan lösning är att det

innebär att ventilen måste vara överdimensionerad, vilket kan vara kostsamt. Det är dock ett sätt att få ner styrfelet till en acceptabel nivå.

17

Oem Automatic

18

Bürkert

Figur 3.26 Kopplingsschema för proportionalventil

(34)

För att ångmaskinen ska hålla ett jämt varvtal måste proportionalventilen trimmas in. Två mätningar måste utföras. En då ångmaskinen är i obelastat tillstånd och en då ångmaskinen är maximalt belastad. Genom att justera ventilen mot dessa två lägen kan man få en tillräckligt noggrann styrning av varvtalet. Mellan de båda ändlägena kommer genomloppsarean att ändras direkt proportionellt mot belastningen. Man får en liten men nästan konstant varvtalsavvikelse. Den aktuella magnetventilen har en reaktionstid på mellan 0,2 – 0,5 sekunder.

Ett problem som nämns, då en magnetstyrd proportionalventil jobbar vid höga temperaturer är att ventilen ändrar beteende då den värms upp. Detta beror på att resistensen i spolen

förändras med temperaturvariationerna. Då man vid den här applikationen kan anta att proportionalventilen efter en kort tid kommer arbeta vid en konstant temperatur kan problemet antas vara försumbart.

Det finns även programmerbara ventiler där man kan få önskat uppförande. Man skulle då kunna programmera ventilen så att den uppträder linjärt rakt igenom och då slippa

överdimensionera. Priset på en sådan överskrider kraftigt priset på en konventionell proportionalventil.19 För att få samma beteende över hela temperaturintervallet är ventilen pneumatiskt styrd. Detta försvårar naturligtvis en installation i ett hushåll där det normalt inte finns tillgång till tryckluft. Den pneumatiska styrningen påverkar även reaktionstiden på ventilen, vilken är ungefär dubbelt så stor som för den magnetstyrda ventilen.

19

Bürkert

Figur 3.28 Styrfel med vanlig ventil Figur 3.29 Styrfel med överdimensionerad ventil

(35)

I beslutsmatrisen nedan (se Figur 3.30) jämförs de olika lösningsförslagens lämplighet inom fyra viktiga områden. Inom varje grupp delas ett betyg mellan ett och fem ut, där ett är lägsta betyg och fem är högsta20.

I gruppen exakthet bedöms hur varvtalet kommer att variera. I gruppen tillverkning bedöms hur lätt eller svårt ett lösningsförslag är att tillverka. Med modifiering menas hur lätt eller svårt det är att få ett lösningsförslag på plats. Med gruppen kostnad menas helt enkelt hur mycket det kostar att ta fram det specifika lösningsförslaget till en fungerande komponent.

Nr 1 Nr 2 Nr 3 Nr 4 Exakthet 3 2 3 4 Tillverkning 4 4 3 4 Modifiering 4 4 3 4 Kostnad 4 4 4 2 Summa 15 14 13 14

Som beslutsmatrisen visar är det lösningsförslag 1 som verkar vara mest fördelaktigt. En gammal robust lösning med en god exakthet till ett mycket gynnsamt pris.

3.3 Generator

Här vill man ha en generator som är någorlunda kompakt och inte väger för mycket. Ångmaskinen i prototypen ger en uteffekt på fem hästkrafter eller 3,68 kW. Generatorns storlek behöver inte överskrida detta värde. En lämplig generator som hittades ger 230 V, 50 Hz och 3 kW.21 Generatorn, som är en enfasgenerator, valdes i främsta hand för att matcha storleken på den ångmaskin som finns på prototypen. Den storleken räcker gott till som reservkraft, men kan dock verka underdimensionerad till ett helt hushåll. Vill man fullt ut kunna försörja ett hushåll med el bör man gå upp till en generator som ger 5 kW och trefas.22

20 Ullman, s. 185-188. 21 Kvänums järn 22 Vattenfall

(36)

3.4 Pelletsbrännare

För att värma vattnet till ånga används en pelletsbrännare från Torsby Ugnen AB. Den har sju elektroniskt styrda effektsteg mellan 4 och 24 kW vilket är mycket bra då man vill erhålla ett konstant tryck i pannan. Pelletsbrännaren kräver 230V/AC och har en effektförbrukning på 60W. Pellets transporteras med en matarskruv från ett pelletsförråd till brännaren. Brännaren består i princip av en glödtråd och en fläkt. Varmluft blåses på pelletsen så att de antänds och för att garantera en förbränning. 23

3.5 Ångpanna

För prototypen kommer en eldrörspanna att användas. Pannan är godkänd för en effekt på 25 kW och ett tryck på 9 bar. Detta är den panna som idag levereras till B2 Ångas ångmaskiner för ångslupar.24 I framtiden kan man tänka sig att gå över till en vattenrörspanna. Fördelarna med den typen av panna att man snabbt får upp maximalt ångtryck och erhåller en högre verkningsgrad än för eldrörspannan.

3.6 Värmeväxlare

Värmeväxlaren ska kondensera restångan från ångmaskinen och avge värme till

ackumulatortanken.25 Värmeväxlaren är enkel och består bara av ett kopparrör. Antagandet att ångan håller en temperatur på ca 150°C får anses rimligt. Önskemålet är att vattnet ska hålla en temperatur på ca 70°C då den passerat genom kondensorn. Det innebär att kondensorn ska kunna föra bort ca 1,3 kW. Det bör tilläggas att kondensorn är dimensionerad specifikt för ångmaskinen i prototypen och att 1.3 kW inte är tillräckligt för att värma en hel villa. Tanken är att kondensorröret i en kommersiell modell ska vara längre och matcha en större ångmaskin och på så sätt avge tillräckligt med värme. Enligt beräkningarna i Bilaga 4 ska ett kopparrör med innerdiametern 8 mm vara ca 0,06 m långt för att klara av kraven för prototypen.

23 Torsbyugnen AB 24 Breding 25 Ekrot, s. 375-382, 416-419 Figur 3.31 Pelletsbrännare

(37)

26

3.7 Återmatningspump

Återmatningspumpen är mekaniskt kopplad till ångmaskinen genom en vipparm som kommer att sitta fast på motorstativet. Motorstativet är redan idag förberett för vipparmen. Pumpen är en kolvpump med tre kammare.(se figur 3.32) Kamrarna är sammanbundna med backventiler som styr pumpriktningen. Flerkammarsystemet möjliggör att pumpen, trots sin konstanta drivning, bara pumpar så mycket som behövs och vid de tillfällen inget vatten behöver pumpas kan pumpen gå utan att pumpa någonting. Av denna anledning kan pumpen överdimensioneras en aning för att säkerställa en säker gång av värmekraftverket oavsett belastning.

(38)

4 Reflektion över ”smörjfria” material

Då området moderna plaster är relativt nytt går det inte att med en hundra procentig

säkerhet fastställa hur ett sådant material kommer att uppföra sig vid olika påfrestningar. Det enda som i denna stund går att fastställa är att det troligtvis skulle kunna fungera. Eftersom ångmaskinen går på fuktig ånga är det mycket troligt att den ånga som kondenserar mot cylinderväggen är fullt tillräckligt som smörjmedel åt de nya teflonbaserade kolvringarna. Då man i det här fallet vill säkerställa kontinuerlig drift men även uppnå smörjfrihet och dessa mål kolliderar med varandra, är tanken att ta övergången till smörjfrihet stegvis.

Ångmaskinen kommer alltså till en början konstrueras med ett komplett smörjsystem och kolvringar och gejder i gjutjärn. Smörjsystemet ska utformas som ett slutet system och så att det stegvis kan stängas av och till sist avvecklas vartefter de nya ”smörjfria” materialen testats och införts. Det här kapitlet kommer således ägnas åt att presentera konstruktionen av ett sådant system.

4.1 Smörjsystem

Hjärtat i det slutna oljesystemet är en kugghjulspump. Den pumpar olja till inloppet och till gejden.

När ångan från ångpannan passerar inloppet drar den med sig en oljedimma in i ångmaskinen. Oljedimmans uppgift inne i ångmaskinen är att smörja slidventilen (3), kolvringarna (1) och packboxarna (2). När ång- och oljedimman passerat igenom hela ångmaskinen passerar denna genom kondensorn där vattnet kondenseras.

(39)

28

Kugghjulspumpen förser även gejden (4) med olja via ett parallellt system som även möjliggör dosering av den inre smörjningen. Genom att ställa in en nålventil kan mängden olja in i ångmaskinen ställas in till önskvärt värde. En mindre mängd olja in i ångmaskinen ger alltså en ökad mängd olja till gejden. Den överflödiga oljan från gejden kommer att rinna ner i ett oljetråg under ångmaskinen.

Vattnet och oljan som kommer ur kondensorn kommer först att samlas upp i ett annat tråg. På grund av att oljans specifika vikt är lägre än vattnets så kommer den att lägga sig som en film över vattenytan. Med en bandskimmer kan oljan på ytan transporteras till oljetråget och återanvändas. Bandskimmern består i princip av ett roterande band, vanligtvis i polyuretan för god vidhäftningsförmåga, som sänks ned i vätskan. Oljan på ytan fastnar på bandet och följer med detta upp. En avstrykare skiljer oljan från bandet som sedan transporteras till en egen tank. En bandskimmer som är lämplig för en sådan uppgift är Mini-Skimmer 200 P1.26 Den kräver små inbyggnadsmått och drivs på 230V~ och drar ca 6 W. Den har en kapacitet på 0,5 liter olja/timme vilket är fullt tillräckligt. (se figur 4.2)

4.2 Vevaxel- och vavstakslager

Då ångmaskinen har ett relativt lågt varvtal utsätts vevaxel- och vevstakslagren (se nr 5 i figur

4.1) för en ojämn med dock inte stötig belastning. Det är därför meningsfullt att titta på om

dess lager skulle kunna bytas ut från glidlager till rullager. Faktum är att det redan idag sitter två stycken parade kullager i vardera lagerhus som vevaxellagring. Det som återstår är att titta på ett lämpligt lager som vevstakslager samt en livslängdsbedömning av alla lager. I Bilaga 11 kan beräkningarna av lagrens livslängd ses. Beräkningarna visar att den nominella livslängden uppgår till ca 1,5 år för både vevaxel- och vevstakslagringen då ångmaskinen är maximalt belastad dygnet runt.

26

Sandvall

(40)

5 Ekonomi

Syftet med kapitel 5 är att försöka ge en uppfattning om hur ett värmekraftverk kommer att bete sig rent ekonomiskt Viktiga data som verkningsgrad, kostnader och återbetalningstid tas upp. Skulle det var möjligt att sälja ett värmekraftverk för ca 100 000 kr?

5.1 Verkningsgrad

En kolvångmaskin har en verkningsgrad på ca 8 %. Att ångmaskinen har en så pass dålig verkningsgrad beror till största delen på att ångan fortfarande innehåller mycket energi då den passerat genom ångmaskinen. Även så kallade skadliga utrymmen, där ånga kan expandera utan att utföra något arbete. Värmeutstrålningen från ångmaskinen har också en negativ effekt på verkningsgraden.

Verkningsgraden på generatorn är ca 95 %.27

Ångpannan som är en vattenrörspanna kan uppnå en verkningsgrad på ca 90 %.28 De förlustkällor man bör ha i åtanke är hur väl rökgaserna utnyttjas och värmeutstrålningen. Värmeutstrålningen kan minskas radikalt genom att öka isoleringen på pannandäremot är det svårt att utnyttja rökgaserna effektivare. De måste innehålla tillräckligt med värme, efter att de passerat genom ångpannan, för att kunna stiga upp i skorstenen.

Eftersom verkningsgraden för ångmaskinen är så låg är det viktigt att ta reda på restvärmen i ångan. Om restångan får kondensera i en värmeväxlare kan denna användas till att värma upp vatten som i sin tur sedan kan användas för att värma upp hus och varmvatten.

Hur man räknar ut verkningsgraden är mycket en samvetsfråga. Om man säger att all värme som avges inomhus är nyttig värme så är verkningsgraden för värmekraftverket ca 90 %. Verkningsgraden för att bara producera el är ungefär 7,6 % vilket är lågt.

076 , 0 95 , 0 08 , 0 ⋅ = = ⋅ =η_Ångmaskin η_generator η

5.2 Tillverkningskostnader

Nedan följer en sammanställning av tillverkningskostnaderna för ett komplett mikrovärmekraftverk: Ångmaskin (5hk): 12 950 kr29 Ångpanna: 15 400 kr 30 Generator ( 3 kW ): 2200 kr 31 Smörjsystem: 12000 kr Totalt: 40350 kr 27 Kvänums Järn 28 Breding 29 Breding 30 Breding 31 Kvänums järn

(41)

30

Om en privatperson nu kan tänka sig köpa kraftvärmeverket för 100 000 kr måste först momsen på 25 % räknas bort för att kunna få reda nettovinsten. Kvar blir då 75000 kr vilket innebär att vinsten vid en eventuell försäljning kan uppgå till drygt 50 %.

5.3 El- och värmekostnader

Energiinnehållet i pellets är 4.8 kWh/kg och priset för lösvikt ligger runt 1550 kr/ton, vilket ger en energikostnad på ca 33 öre/kWh.32

Verkningsgraden för att framställa nyttig energi (värme + el) är enligt Kapitel 3.1. ca 90 %. Detta ger en energikostnad på 36.3 öre/kWh.

Enligt Vattenfall förbrukar en normalstor villa 20000 kWh/år. Kostnaden för en eluppvärmd villa (inkl. moms och fasta avgifter) blir då ca 17000 kr/år.

Om man har fjärrvärme kostar detta 600 kr/MWh plus en fast avgift på 2500 kr/år. Detta ger en total uppvärmningskostnad på ca 14500 kr/år.33

En jämförelse med kostnaden för värmekraftverket (0,363 öre/kWh * 20000kWh/år = 7260 kr/år) visar att energikostnaderna kan sänkas radikalt.

En faktor som är intressant att titta på är hur lång tid det tar innan kostnaden för

värmekraftverket är intjänat. Om man jämför med vad det kostar för ett eluppvärmt hushåll och antar att värmekraftverket kostar 100 000 sek att köpa får man en återbetalningstid på ca 10 år:

(

17000 7260

)

10,3år

100000 _≈

−

Det är en acceptabel återbetalningstid som är jämförbar med exempelvis den för bergvärme. Precis som i Kapitel 3.1 verkar det vara en samvetsfråga hur energipriset skall beräknas. Då värmekraftverket går som det ska och det är möjligt att ta hand om värmen uppnås en total verkningsgrad på 90 %. Men att tillverka enbart el, är på grund av ångmaskinens dåliga verkningsgrad inte ekonomiskt försvarbart. Detta kan, inte minst under sommarperioden, vålla vissa ekonomiska problem.

32

Brikettenergi

33

(42)

6 Slutsatser

I kapitel 5 jämförs det slutgiltiga konstruktionsförslaget på prototypen med

kravspecifikationen för att se hur väl den uppfylls. Efter det följer några tankar om framtiden. ”Hur ska man gå vidare med projektet? ”, ”Var behöver man lägga ner mest energi? ” och så vidare.

6.1 Hur klarades kravspecifikationen?

• Kraftvärmeverket ska i så stor utsträckning som det är möjligt vara underhållsfritt. I de

fall underhåll behövs ska konstruktionen vara sådan att ägaren själv kan utföra detta.

Med de smörjfria materialen, automatisk pelletsbrännare och varvtalsregleringen ska värmekraftverket vara självgående. Det underhåll som kan krävas är påfyllning av vatten vilket lätt kan skötas av ägaren. I de fall då komponenter gått sönder eller nötts ut och behöver bytas är konstruktionen sådan att en reparatör snabbt kan byta dessa detaljer.

• Kraftvärmeverket får inte ta upp mer yta än att den får plats på en Euro-pall

(1200x800mm)

Praktiska försök med en tidig prototyp visar att detta är möjligt.34 • Kraftvärmeverket får inte kosta mer än 100 000 kr för kund

Tillverkningskostnaden för värmekraftverket är 40 350 kr. B2 Ånga har på sina övriga

produkter en vinstmarginal på ca 30 %. Det är alltså ekonomiskt möjligt för företaget att sälja värmekraftverket för ca 100 000 kr ( 75000 + moms) till kund.

• Kraftvärmeverket måste vara så kostnadseffektivt att det kan konkurera med befintliga el-

och värmekostnader.

Beräkningar visar att energikostnaderna kan halveras om man jämför med en eluppvärmd villa och minskas radikalt om man jämför med fjärrvärme. Det föreligger dock en risk att värmekraftverket blir oekonomiskt under sommarperioden då behovet av värmeenergi drastiskt sjunker.

• Kraftvärmeverket måste vara så säkert att inga risker för allvarliga personskador

föreligger.

En för ändamålet godkänd ångpanna och en ångmaskin med skyddsbarriär garanterar personsäkerheten.

• Kraftvärmeverket ska vara tillräckligt kraftfullt till att förse en normalstor villa med

värme och el året runt.

34

(43)

32

Den enfasgenerator på 3 kW som presenteras i rapporten är på gränsen till att vara för liten. Vill man ha en effektiv och bekväm elförsörjning bör man öka effekten till 5 kW och gå över till en trefasgenerator.

• Värmekraftverket ska passa in i den gamla anda som övriga produkter hos B2

Ånga uppvisar.

Genom att använda befintliga kolvångmaskiner och ångpannor som har en gammal design så kan andan bevaras.

6.2 Tankar inför framtiden

Det som följer härnäst är att praktisk prova det teoretiska materialet i rapporten. När en ny prototyp står färdig kan utvecklingsarbetet fortsätta. Jag anser att utvecklingsarbetet främst bör beröra ångmaskinen. Den stegvis övergången mot ”smörjfria” material bör startas relativt snart eftersom det innebär att mycket av konstruktionen kan förenklas. Då man i en

normalstor villa behöver mer el än vad prototypen kan producera måste man öka effekten på ångmaskin och generator. Generatorn bör vara tre-fas och på minst 5 kW. För att åstadkomma en effektökning från ångmaskinen kan man gå två vägar. Antingen så kan man satsa på en högre verkningsgrad och välja en compoundångmaskin, eller så kan man satsa på säkerhet och välja att ha två stycken encylindriga ångmaskiner. Tanken med det senare förslaget är att då en av de två ångmaskinerna havererar kan den andra fortfarande köras separat och på så sätt säkerställa tillgången till el. Det värsta scenariot blir då att man bara har tillgång till hälften så mycket el.

Ett annat område som bör kollas upp mer är vavstakslagringen. Beräkningarna visar att en livslängd på 1,5 år inte är orimligt att uppnå men kul- respektive nållager. En jämförelse med återbetalningstiden på 10 år visar på en orimligt kort livslängd för vevstakslagringarna. Här måste man undersöka om det är möjligt att dimensionera upp lagren så att en rimlig livslängd kan uppnås eller om man är tvingad att gå tillbaka till glidlager.

Det råder vissa betänkligheter om en eventuell kund skulle kunna tänka sig att betala 100 000 kr för ett Mikrovärmekraftverk. Jag tror därför att det är viktigt att försöka sänka

tillverkningskostnaderna så att försäljningspriset kan pressas.

Jag tror ändå att detta kan en produkt med framtiden för sig. Med kommande prisstegringar och höjningar av energiskatter kommer intresset föralternativa energikällor att öka. Redan idag ser vi många som investerar i alternativa sätt att värma upp sitt hus som exempelvis bergvärme, fjärrvärme och pelletskaminer. Min förhoppning är att mikrovärmekraftverket kan bli en intressant konkurrent till de miljövänliga alternativ som redan finns på dagens marknad.

(44)

Referenser

Breding, Bernt. ”Värmekraftverk”, på http://www.breding.nu. 2005-07-20

Brikettenergi. ”Från trä till värme”, på http://www.brikettenergi.se/index.htm. 2005-07-16 Bürkert Christian. “Products.”, på http://www.burkert.com/COM/57.html. 2005-06-28 Ekroth, Ingvar, Granryd, Eric. (1999), Tillämpad termodynamik. Stockholm: Kungliga Tekniska Högskolan.

Elfa. ”Strömtransformator med 4 – 20 mA utgång.”, på http://www.elfa.se/se/index1.html. 2005-08-18

Frykholm J.L. (1903), Ångmaskinlära Faksimilupplaga 2000. Stockholm: Albert Bonniers förlag.

G.A. Lindberg. ”Specialpackningar för höga prestanda”, på

http://www.galindberg.se/nyfuron.htm. 2005-07-18

Höjers, Elis B, Beijer, Malte. (1949), Ånglokslära, fjärde upplagan. Stockholm: Victor Pettersons Bokindustriaktiebolag.

Kvänums järn. ”Bensinelverk”, på http://www.kvanumsjarn.se/elverk.asp. 2005-08-17 Oem automatic. “Magnetventiler”, på http://www.oemautomatic.se. 2005-06-28

Svefluor AB. ”Viktiga egenskaper”, på http://www.svefluor.se/viktiga.html. 2005-07-10 Torsbyugnen AB. “Produkter”, på http://www.torsbyugnen.se/. 2005-08-01

Ullman, David G. (2003), The Mechanical Design Process, Tredje upplagan. Oregon State University.

Vattenfall. “Priser – Fast elpris”, på http://www.vattenfall.se/privat/ priser _och _avtal /el

/fast_pris. 2005-07-17

Sandvall. ”Skimmers Mini/Maxi”, på

(45)

(46)

Bilaga 1 – Beräkning av erforderlig storlek för en kolvmaskin

clear; Effekt = 3000; varvtal = 1500; omega = (2*pi*varvtal)/60; Momentkrav = Effekt/omega; Medelmoment = 0; Cdiameter = 0; while(Medelmoment<Momentkrav) %Maskindata Cdiameter = Cdiameter + 0.001; Svangradie = Cdiameter/2; Cylinderarea = pi*((Cdiameter^2)/4); Startvolym = 0.00001*Cylinderarea; Pstart = 8e5; vlangd = 4 * Svangradie;

%Volymen beroende av kolvens rörelse

alfa = 0:pi/500:2*pi; i=0;

while(i<length(alfa)) i=i+1;

forskjutning2(i) = vlangd + Svangradie - sqrt(vlangd^2 - (Svangradie*sin(alfa(i)))^2) + Svangradie*cos(alfa(i));

forskjutning1(i) = vlangd + Svangradie - sqrt(vlangd^2 - (Svangradie*sin(alfa(i)+pi))^2) + Svangradie*cos(alfa(i)+pi);

end

Volym1 =Startvolym + pi*((Cdiameter^2)/4)*forskjutning1; Volym2 =Startvolym + pi*((Cdiameter^2)/4)*forskjutning2;

% Trycket släpps in tills volymen är ca 12% av maxvolymen. Trycket konstant 8 bar tills dess

stopp = max(Volym1) * 0.127442; plats = 1; while(Volym1(plats)<stopp) plats = plats + 1; end plats = plats -1; i=0; while(i<plats) i=i+1; P1(i) = Pstart; end V = Volym1(plats);

konst = Pstart * Volym1(plats);

%Beräkning av trycket i cylindern under gång

i=plats; while(i<length(Volym1)) i=i+1; P1(i) = konst/Volym1(i); end %Korrigering av tryckkurva 1 i=plats; plats1=0;

(47)

36 P1min=Pstart; while(i<length(P1)) i=i+1; if(P1(i)<P1min) P1min = P1(i); plats1 = i; end end while(plats1<length(P1)) plats1 = plats1+1; P1(plats1)=P1min; end %Beräkning av motormoment F1 = P1 * Cylinderarea; havarm1 = Svangradie*sin(alfa); i=0; while(i<length(havarm1)) i=i+1;

Moment1(i) = F1(i) * havarm1(i); end start=1; while(alfa(start)<pi) start=start+1; end i=0; plats=start; while(plats<length(Moment1)) i=i+1; Moment2(i) = Moment1(plats); plats = plats+1; end i=0; plats = start; while(i<start) i=i+1; Moment2(plats) = Moment1(i); plats = plats+1; end

Moment = Moment1 + Moment2; Medelmoment = mean(Moment); end

Cdiameter = Cdiameter - 0.001 Svangradie = Cdiameter/2 plot(alfa,Moment);

(48)

Bilaga 2 - Beräkning av erforderlig storlek för ångmaskin med två

pendlar

clear; %Variabeldeklaration Effekt = 3000; varvtal = 1500; omega = (2*pi*varvtal)/60; Momentkrav = Effekt/omega; Medelmoment = 0; steglangd = pi/100; Rv = 0.15; Rp = (4/8)*Rv; bredd = (1/2)*Rv; r = (36/101)*Rv;

%Beräkning av cirklarnas skärningspunkt beroende av %svänghjulets vinkelställning alfa

alfa = 0:steglangd:2*pi; while(Medelmoment<Momentkrav) Rv = Rv + 0.001; Rp = (4/8)*Rv; bredd = (1/2)*Rv; c = (1/8)*Rv; r = (36/101)*Rv - c/2; forskjutning = -r*sin(alfa+pi/2);

%Beräkning av cirklarnas skärningspunkt beroende av %svänghjulets vinkelställning alfa

i=0; while(i<length(alfa)) i=i+1; a(i) = (Rv - (Rp + forskjutning(i) - c))/Rp; end i=0; while(i<length(alfa)) i=i+1; b(i) = ((Rp + forskjutning(i) - c)^2)/(2*Rp); end i=0; while(i<length(alfa)) i=i+1;

x(i) = -((a(i)*b(i)-Rv)/((1+(a(i))^2))) - sqrt(((a(i)*b(i)-Rv)/(1+(a(i))^2))^2 - (b(i))^2/(1+(a(i))^2));

end

%Beräkning av Area1 med trapetsuppskattning

i=0;

(49)

38 j=0; x2= 0:(x(i))/24:x(i); h = x2(2)-x2(1); while(j<length(x2)) j=j+1; Yv(j) = sqrt((Rv^2)-((x2(j)-c)^2)); end j=0; Areastart = 0; while(j<length(Yv)-1) j=j+1;

Areastart = Areastart + h*(Yv(j)+Yv(j+1))/2; end

Area1(i) = Areastart; end

plot(alfa,Area1);

%Beräkning av Area2 med trapetsuppskattning

i=0; while(i<length(alfa)) i=i+1; j=0; x2= x(i):(Rp+forskjutning(i)-x(i))/24:Rp+forskjutning(i); h = x2(2)-x2(1); while(j<length(x2)) j=j+1; Yp(j) = Rp+sqrt((Rp^2)-((x2(j)-Rp)^2)); end j=0; Areastart = 0; while(j<length(Yp)-1) j=j+1;

Areastart = Areastart + h*(Yp(j)+Yp(j+1))/2; end

Area2(i) = Areastart; end

plot(alfa,Area2);

%Beräkning av motorns volym

i=0; while(i<length(alfa)) i=i+1; Volym(i) = (Area1(i)+Area2(i))*bredd*2; end plot(alfa,Volym); Volym;

%Beräkning av trycket i motorn

Pstart=8e5; Vmin = min(Volym); konst = Pstart*Vmin; i=0;

(50)

while(i<length(Volym)) i=i+1;

P(i)=konst/Volym(i); end

% --- %Leta reda på det lägsta trycket, här ska ångan evakueras

i=0; plats=0; Pmin=Pstart; while(i<length(P)) i=i+1; if(P(i)<Pmin) Pmin = P(i); plats = i; end end

%Ny korrigerad tryckkurva

while(plats<length(P)) plats = plats+1; P(plats)=Pmin; end plot(alfa,P);

%Beräkning av den stötstångskraft som trycket ger upphov till

i=0; while(i<length(P)) i=i+1; havarmy(i) = x(i)/2; havarmx(i) = (Rp+sqrt((Rp^2)-((x(i)-Rp)^2)))/2; Mx(i) = P(i)*(2*havarmx(i)*bredd)*havarmx(i); My(i) = P(i)*(2*havarmy(i)*bredd)*havarmy(i); Fstot(i) = (Mx(i)+My(i))/Rp; end %plot(alfa,Fstot);

%Beräkning av motorns moment

i=0;

Moment1(i) = Fstot(i) * r * sin(alfa(i)); end start=1; while(alfa(start)<pi) start=start+1; end i=0; plats=start; while(plats<length(Moment1)) i=i+1; Moment2(i) = Moment1(plats);

(51)

40 plats = plats+1; end i=0; plats = start; while(i<start) i=i+1; Moment2(plats) = Moment1(i); plats = plats+1; end

Moment = Moment1 + Moment2; Medelmoment = mean(Moment); end

(52)

(53)

(54)

DR

AWN

CHECKED ENG APPR MGR APPR

UNLESS OTHERWISE SPE

CIF IED DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS ANGLES ±X .X° 2 PL ±X. XX 3 PL ±X. XX X NAME Niklas Ander ss on DATE 09/27/05

SO

LID EDGE

EDS-PLM SOLUTIONS TITLE SIZE A2 DWG NO

FILE NAME: Varvtals

regulato r.d ft SCALE: WEIGHT: SHEET 1 OF 1 RE VISION HI STOR Y RE V DESCRIPTION DATE APP

3

5

8

2

1

6

4

Item _Number Documen t Number Title 1 Svän ghju l 2 Styrk lots 3 Fjäder 4 Vik t 5 Ve v 6 Täck plå t 7 Bricksk ru v 8 Skru v

Bilaga 4 - Varvtalsregulator

(55)

(56)

DR

AWN

CHECKED ENG APPR MGR APPR

UNLESS OTHERWISE SPE

CIF IED DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS ANGLES ±X .X° 2 PL ±X. XX 3 PL ±X. XX X NAME Niklas Ander ss on DATE 09/27/05

SO

LID EDGE

EDS-PLM SOLUTIONS TITLE SIZE A2 DWG NO

FILE NAME: Varvtals

regulato r(s pr än gskis s).dft SCALE: WEIGHT: SHEET 1 OF 1 RE VISION HI STOR Y RE V DESCRIPTION DATE APP

7

3

5

8

2

1

6

4

Item Number Documen t Numbe r Title 1 Svän ghjul 2 Styrklots 3 Fjäder 4 Vikt 5 Ve v 6 Täck plå t 7 Bricksk ru v 8 Skru v

(57)

(58)

(59)

(60)

(61)

(62)

Bilaga 8 – Beräkning av erforderlig längd på kondensorrör

För att uppskatta den erforderliga längden av kondensorröret börjar vi med att beräkna massflödet genom ångmaskinen.

Ångmaskinen har en slagvolym på ca 0,542 liter.

⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ⋅ ≈ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅ ⋅ = − − − slag m d d V kolv vevaxel 3 4 3 3 2 10 42 , 5 4 10 92 10 82 4 π π

Under ett slag passerar 1,52 gram ånga genom ångmaskinen.

⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ≈ ⋅ = = − slag kg v V m 0,00152 3586 , 0 10 42 , 5 4

Ångmaskinen går med ett varvtal av 500 varv/min. Kondensorn måste alltså klara av att kondensera minst 0,02534 kg/s. Ångmaskinen har en dubbelverkande cylinder, därför multipliceras med två.

⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ≈ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = s kg m m_flöde 0,02534 60 500 00152 , 0 2 60 2 ω Gaskonstanten för vattenånga. ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ ⋅ = K kg J RH₂O 461,495

Ångan antas ha en temperatur på ca 150°C då den går in i kondensorn och 70°C då den lämnar kondensorn. Effekten som måste föras bort blir då ca 936 W

[ ]

J_s t m R W _h_O _flöde 461,495 0,02534 80 935,54 2 ⋅ ⋅∆ = ⋅ ⋅ ≈ =

Värmeledningstalet för ett rör med filmkondensering. Röret i kondensorn är 8 mm i diameter.

(

)

(

)

[

m K

]

W d t K rör ⋅ ≈ ⋅ ⋅ = ⋅ ∆ ⋅ = 1/4 1/4 8264,5 2 008 , 0 80 9600 77 , 0 77 , 0 α

Värmeledningstalet enbart beroende av arean

[ ]

2 661160 80 5 , 8264 m W t area =α⋅∆ = ⋅ = α Erforderlig rörarea.

[ ]

2 001414 , 0 661160 54 , 935 m W A längd rör =_α = ≈ Rörets omkrets.

[ ]

m r O_rör =2⋅π⋅ _rör =2⋅π⋅0.008≈0,025 Erforderlig rörlängd.

[ ]

m O A l rör rör g erforderli 0,05656 025 , 0 001414 , 0 ≈ = =

Ett rör med diametern 8 mm behöver inte vara mer än ca 0,06 m för att klara av att kondensera 0,02534 kg 150-gradig ånga per sekund.

(63)

(64)

Bilaga 9 – Jämviktsberäkning för varvtalsregulator

Uppställning av jämviktsvillkor

[Nr 1] →:F+RX +NX =0

[Nr 2] ↑:RY +NY −mg =0

[Nr 3] MA:NXlcosα +NYlsinα +2Flcosα −2mglsinα =0

[Nr 4] N_X = N_Y tanα

Beräkning av förhållande mellan centrifugalkraften F och fjäderkraften Ry vid jämvikt

[Nr 3] M_A :(N_X +2F)cosα +(N_Y −2mg)sinα =0 [Nr 2] ↑:R_Y =N_Y −mg [Nr 4] in i [Nr 3] (N_Y −mg)sinα +Fcosα =0 [Nr 2] in i [Nr 3 & 4] α α α cot sin cos F F R_Y = =

(65)