Artur NEMŚ, Magdalena NEMŚ WYKORZYSTANE ENERG ODPADOWEJ Z POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH W artykule pokazano miejsca występowania strat w silniku spalinowym. Przedstawiono metody odzysku energii odpadowej. Zwrócono uwagę na problem z wykorzystaniem jej w całości na potrzeby podzespołów silnikowych czy pojazdu. Autorzy pracy zaproponowali odzysk ciepła traconego w celu pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową dla budynku mieszkalnego. Wstępna analiza wykazała, że możliwe jest takie rozwiązanie, a czas pracy pojazdu, w celu naładowania akumulatora ciepła jest stosunkowo krótki. Ponadto w artykule zaproponowano materiały, które mogłyby stanowić wypełnienie akumulatora. WSTĘP Prace nad silnikami spalinowymi trwają już ponad 150 lat. Pomimo to, wciąż charakteryzuje je niewysoka sprawność konwersji energii chemicznej zawartej w paliwie, na pracę mechaniczną. Znaczna część energii (rys.1), bo około 30%, jest odprowadzana w układzie chłodzenia w postaci ciepła, a druga taka część jest tracona na skutek wysokiej temperatury i ciśnienia spalin opuszczających silnik [1]. Sprawność silników benzynowych wynosi około 30%, a silników zasilanych olejem napędowym jest około 10% wyższa. W przypadku silników stosowanych w motoryzacji sprawność ta, ze względu na zmienne warunki pracy (prędkość obrotową niższą niż nominalna), wynosi ok 20%, a w zatłoczonych miastach jest ona jeszcze niższa. Liczby te rosną ze względu na szybko rozwijające się kraje takie jak Chiny i ndie [4]. Na rys.2 widoczny jest wpływ na ilość konsumowanej energii w przemyśle motoryzacyjnym na przykładzie Stanów Zjednoczonych, w których w 2004 roku transport pochłonął 28% całkowitej energii [3]. 1. KONWENCJONALNE METODY POPRAWY STOPNA WYKORZYSTANA ENERG W SLNKU We współczesnych pojazdach stosuje się kilka sposobów wykorzystania energii traconej, takich jak: turbodoładowanie silnika, ogrzewanie kabiny czy stosunkowo nowe układy KERS (z ang. kinetic energy recovery system). Doładowanie silnika za pomocą układu turbosprężarkowego jest znane i stosowane w silnikach z zapłonem samoczynnym od dawna. W ostatnim czasie coraz częściej wyposażane w nie są również silniki z zapłonem iskrowym. Układ ten wykorzystuje energię spalin opuszczających silnik. Energia ta zamieniana jest, w turbinie osiowej lub promieniowej, na pracę mechaniczną (rys.3). Rys. 1. Przykładowy wykres Sankey a dla silnika spalinowego [na podstawie 2] Wyliczono, że w 2007 roku około 806 milionów samochodów osobowych i dostawczych zużyło ponad 1 miliard metrów sześciennych paliw płynnych [3]. Rys. 3. Pole pracy turbiny przedstawione w układzie współrzędnych p-v Rys. 2. Konsumpcja energii w Stanach Zjednoczonych w 2004 r. [5] nnym sposobem jest wykorzystanie ciepła pochodzącego z układu chłodzenia silnika do ogrzewania kabiny za pomocą nagrzewnicy włączonej w układ chłodzenia. Czynnik obiegowy w układzie chłodzenia silnika posiada temperaturę ok 80 95 C. Taka nadwyżka temperatury nad temperaturą komfortu cieplnego człowieka jest wystarczająca aby pokryć straty w wymienniku 6/2016 AUTOBUSY 651
i przekazać ciepło do kabiny. Ze względu na niewielkie potrzeby do zapewnienia komfortu cieplnego, wykorzystuje się tylko kilka do kilkunastu procent energii odprowadzanej z powierzchni silnika. Pozostała część jest kierowana do chłodnicy. Mniej znanymi i wciąż udoskonalanym sposobem jest wykorzystanie energii straconej podczas hamowania KERS (rys.4). Koła zamachowe znane są od wieków i stosowane powszechnie w silnikach spalinowych. Jednak dopiero od niedawna używane są do akumulacji energii. Odpowiednio zamontowane w pojeździe, akumulują energię traconą w trakcie hamowania w postaci energii kinetycznej, aby oddać ją w trakcie przyspieszania. Gdy energia jest doprowadzana do koła zamachowego jego prędkość obrotowa rośnie do kilkudziesięciu tysięcy, a w trakcie oddawania prędkość maleje. lość magazynowanej energii zmienia się zgodnie z zależnością (1): gdzie: E energia kinetyczna wirującej masy, m masa koła zamachowego, r promień koła zamachowego, ω prędkość obrotowa koła zamachowego. (1) Już w latach 90-tych XX wieku dostrzeżono korzyści z zastosowania układów akumulacji ciepła w pojazdach samochodowych. Najpierw wykazano możliwość zmniejszenia ilości niespalonych węglowodorów HC o 40% i tlenku węgla CO o 50% podczas rozruchu silnika [8]. Cztery lata później wykonano te same badania, przy zastosowaniu innego materiału akumulacyjnego, wykazując zmniejszenie HC i CO o 30% [9]. Spośród wielu rozwiązań warto przytoczyć koncepcję wykorzystania akumulatorów chłodu w samochodach dostawczych, nazwaną Eco-Run Cool System [6]. Według wyliczeń autorów zaprezentowana metoda miała skutkować obniżeniem zużycia paliwa o ok. 10 20%. Zwiększenie stopnia wykorzystania paliwa przedstawili w postaci redukcji emisji dwutlenku węgla, o około 20 30%. W w/w raporcie przedstawiono wyliczenia, z których wynika, że układ chłodzenia komory samochodu dostawczego jest mało efektywny. Ponadto generuje duże straty w trakcie postoju, podczas którego silnik musi pozostać włączony, aby zapewnić pracę chłodziarki. Wyliczono, że dużo bardziej opłacalne jest uzyskanie lodu potrzebnego do zapewnienia pożądanej temperatury z układu stacjonarnego i załadowanie go do komory chłodniczej pojazdu. Podobne spostrzeżenia można znaleźć w [7]. W publikacji tej autorzy zwracają uwagę na niska efektywność układu klimatyzacji, wpływającą na znaczne zwiększenie zużycia paliwa. Natomiast autorzy [10] podają zastosowania akumulacji ciepła (w materiałach zmiennofazowych) wpływające na zwiększenie stopnia wykorzystania paliwa w pojazdach. Systemy te są stosowane w układzie chłodzenia silnika [11], zapewnienia komfortu cieplnego w pojeździe [12], wstępnego wygrzewania silnika [8,13,14,16] i w innych układach silnikowych [17,18,19]. 2.1. Odzysk i akumulacja ciepła na potrzeby klimatyzacji W małych pojazdach układ klimatyzacji może pobierać od 12 do 17% energii uzyskiwanej z silnika samochodowego [20]. Jak podają autorzy [21] możliwe jest wyeliminowanie kompresora, zasilanego przez silnik, za pomocą układu absorpcyjnego, wykorzystującego energię odpadową silnika. Szczegółową analizę pracy systemu można znaleźć w [20,22]. Schemat takiego układu został przedstawiony na rys.5. Również w pracy [23] autorzy podają przykład układu, wykorzystującego energię odpadową i akumulator ciepła, wykorzystujący materiał zmiennofazowy, w celu skrócenia czasu rozruchu instalacji. Ze względu na znaczne obciążenia koła wykonywane są z kompozytów grafitowych oraz włókna szklanego lub węglowego. Rys. 4. System odzyskiwania energii kinetycznej [6] 2. WYKORZYSTANE AKUMULATORÓW CEPŁA W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Rys. 5. Absorpcyjny system klimatyzacji pojazdu, wykorzystujący akumulator zmiennofazowy oraz układ odzysku ciepła odpadowego silnika spalinowego [20] 2.2. Wstępne podgrzewanie silnika W 1992 roku wykorzystano zmiennofazowy akumulator ciepła do odzysku ciepła odpadowego silnika, w celu podgrzania go podczas rozruchu [24]. Akumulator ten, zawierający wodorotlenek baru Ba(OH)2 8H2O, został zaizolowany przy użyciu izolacji próżniowej. Dzięki temu straty ciepła wyniosły 3W w temperaturze 20 C. Prawie 7kg materiału wypełniającego zbiornik pozwalało zakumulować 2200 kj energii, w postaci ciepła utajonego, w temperaturze 78 C. Pozwoliło to na wygrzanie ścianek cylindra, co wpłynęło na poprawę procesu spalania w pierwszych minutach pracy silnika [25]. Podobne badania przeprowadził Vasiliev i inni [13], wykorzystując uwodniony wodorotlenek sodu NaOH H2O, 652 AUTOBUSY 6/2016
o temperaturze przejścia fazowego 64,8 C oraz Gumus [16] stosując Na2SO4 10H2O. W ostatnim przypadku możliwe było zmniejszenie tlenku węgla o 64% oraz niespalonych węglowodorów o 15%, podczas rozruchu zimnego silnika. Skutkowało to mniejszym zużyciem paliwa. 2.3. Wstępne podgrzewanie parownika i regulatora ciśnienia w instalacji LPG silnika GS Pojazdy wyposażone w instalację gazową LPG charakteryzuje mniejsza emisja zanieczyszczeń, wynikająca z bardziej efektywnego spalania paliwa gazowego, w porównaniu do ciekłego. Współczesne instalacje gazowe zaczynają swoją pracę dopiero, gdy silnik zostanie odpowiednio wygrzany, aby nie występowały problemy z odparowaniem ciekłego LPG. Wpływa to niekorzystnie na efektywność pracy silnika. Dlatego zaprojektowano nowoczesny parownik z regulatorem ciśnienia, wyposażony w zmiennofazowy akumulator ciepła [17]. Taki układ umożliwia uruchomienie zimnego silnika na LPG. Jak wykazano w [17] powoduje to zmniejszenie emisji niespalonych węglowodorów o 17,32% oraz tlenku węgla o 28,71%. Cały układ jest niewielkich rozmiarów: 100 mm wysokości i 132,5 mm średnicy (rys.6) i zawiera 1,2 kg materiału zmiennofazowego. Rys. 6. Projekt parownika i regulatora ciśnienia otoczonego materiałem zmiennofazowym; 1-izolacja cieplna, 2-powłoka, 3-osłona z materiałem zmienniofazowym, 4-zewnętrzna powłoka parownika i regulatora ciśnienia, 5-przewód LPG, 6-korek spustowy, 7- Przewód wlotowy czynnika chłodzącego, 8-Przewód wylotowy czynnika chłodzącego, 9-kanał czynnika chłodzącego, 10-otwór wylotowy LPG, 11-elektrozawór, 12- otwór dolotowy LPG, 13- regulator LPG [17] 3. ODZYSK CEPŁA NA POTRZEBY GRZEWCZE Jak wspomniano we wstępie, w silniku spalinowym występują duże straty energii. Jeśli założy się, że pojazd samochodowy ma moc 100 KM, czyli 73,55 kw oznacza to, że w przybliżeniu taki sam strumień ciepła jest odprowadzany w układzie chłodzenia, przy temperaturze około 90 C oraz ze spalinami, których temperatura wynosi ponad 200 C. Obecnie tylko niewielka część tej energii możliwa jest do wykorzystania w celu poprawy pracy urządzeń wspomagających pracę silnika lub w celu zapewnienia komfortu podróżujących pojazdem. Pozostaje jednak duży potencjał niewykorzystanej energii, którą wg autorów artykułu można wykorzystać na inne cele, niezwiązane z pojazdem silnikowym. Jeśli założy się, że ciepło odpadowe silnika samochodowego mogłoby posłużyć do pokrycia potrzeb grzewczych np. domu jednorodzinnego lub innego budynku mieszkalnego lub przemysłowego, okazuje się, że silnik spalinowy może zyskać dodatkowe zastosowania. Przyjmując, że w domu jednorodzinnym mieszkają 4 osoby, które dziennie zużywają 70 litrów ciepłej wody, to dzienne zapotrzebowanie na ciepło do celów cwu wynosi niecałe 42 MJ. Silnik o mocy 100 KM wykorzystuje średnio około 1/5 swojej mocy, oznacza to, że generuje on w każdej sekundzie blisko 14,71 kj niskotemperaturowego ciepła i tyle samo ciepła wysokotemperaturowego. Przyjmując 50% sprawność odzysku ciepła możliwe jest pokrycie tych potrzeb grzewczych w niecałe 48 minut wykorzystując tylko ciepło wysokotemperaturowe lub 24 minuty odzyskując ciepło ze spalin i układu chłodzenia. Oznacza to przykładowo dojazd do pracy w czasie odpowiednio 24 lub 12 minut. Nadwyżka temperatury spalin nad temperaturą cwu wynosi dużo ponad 100 C (często ponad 200 C), a temperatura czynnika chłodzącego cylinder jest około dwukrotnie wyższa od wody użytkowej. Pozwala to stwierdzić, że duży potencjał ciepła odpadowego silnika mógłby być wykorzystany na pokrycie potrzeb cwu. Aby zapewnić całkowite pokrycie potrzeb cwu pojemność cieplna akumulatora powinna być większa niż 42 MJ, ze względu na straty ciepła z akumulatora jak i straty powstałe podczas procesu ładowania i rozładowywania. W tabeli 1 zestawiono różne czynniki, Rys. 7. Masa materiału o pojemności cieplnej 50 MJ 6/2016 AUTOBUSY 653
które mogłyby posłużyć jako materiał wypełniający akumulator. Tab. 1. Syntetyczne zestawienie wybranych materiałów akumulacyjnych Ciepło właściwe przy Temperatura Nazwa stałym ciśnieniu Źródło pracy [ C] [kj/kg K] woda 4,19 do 95 [26] olej lotniczy wodorotlenek sodu NaOH H2O wodorotlenek baru Ba(OH)2 8H2O wosk parafinowy kwas stearynowy CH3 (CH2)16 COOH pochodna kwasu stearynowego C38H76O2 1,838 (w 20 C) 2,361 (w 140 C) 227,6 272 265,7 301 173,6 186,5 210 226,12 226,23 do 140 [26] 64,8 [27] 78 [27] 64 [28] 55 71 [28,29,30,32] 64,96 [33] ksylitol 232 263,3 C5H12O5 92,7 94,5 [15,31,34] acetamid CH3CONH2 241 81 [27] etylolit LiC2H5 389 95 [27] Na rys.7 pokazano obliczoną masę materiału wypełniającego akumulator, którego pojemność cieplna wynosi 50 MJ. Z analizy wynika, że najlepszą substancją w założonym przedziale temperaturowym jest związek metaloorganiczny LiC2H5, w którym ciepło akumulowane jest w postaci utajonej, w temperaturze 95 C. Niemniej jednak akumulator, którego wypełnienie waży blisko 130 kg, mógłby powodować większe zużycie paliwa, szczególnie w mniejszych pojazdach. PODSUMOWANE WNOSK Pomimo, że prace nad udoskonaleniem silników spalinowych trwają już od wielu lat to ich sprawność wciąż nie jest wysoka. Maleje ona wraz z wykorzystaniem takich silników w pojazdach poruszających się po zatłoczonych ulicach miast, a najlepszym przykładem marnowania paliw jest praca silnika podczas postoju, w trakcie którego jego sprawność ogólna wynosi zero. Odpowiednie zagospodarowanie energii odpadowej z silnika spalinowego może wpłynąć na poprawę stopnia wykorzystania paliwa. Z obecnie znanych metod tylko kilka jest stosowanych we współczesnych pojazdach. Ze względu na niewielkie potrzeby własne podzespołów silnikowych niemożliwe jest całkowite wykorzystanie źródeł energii odpadowej z silnika. Autorzy zaproponowali inny niż obecnie znany w literaturze sposób zagospodarowania energii traconej. Jak wynika z przedstawionych danych, możliwe byłoby stworzenie układu do odzysku energii odpadowej z silnika i zakumulowanie jej w celu pokrycia potrzeb cwu budynku mieszkalnego. Naładowanie akumulatora możliwe byłoby już po niespełna 30 minutowej jeździe. Problemem, wg autorów, mogłaby być duża masa układu, wpływająca na zwiększenie zużycia paliwa. Dlatego niezbędna wydaje się szczegółowa analiza ekonomiczna takiej inwestycji. Ponadto należy zwrócić uwagę, że w przypadku stosowania materiałów w fazie stałej lub wykorzystujących ciepło przejścia fazowego, niezbędne byłoby stosowanie dodatkowego czynnika roboczego, co w pewnym stopniu wpłynęłoby na skomplikowanie układu. BBLOGRAFA 1. Zhang, L.Z., Design and testing of an automobile waste heat adsorption cooling system. Applied Thermal Engineering 2000, nr 20. 2. Cabeza L. F. i inni, Surplus Heat Management using Advanced TES for CO2 mitigation, Final Report, Annex 25, Energy Conservation though Energy Storage (ECES A), 2011. 3. http://www.plunkettresearch.com/automobiles%20trucks%20ma rket%20research/industry%20overview, dostęp 2.2011. 4. U.S Energy nformation Administration. nternational Energy Outlook: World Energy and Economic Outlook, at: http://www.eia.doe.gov/oiaf/ieo, dostęp 2.2011. 5. http://www.elektroonline.pl/news/4542,nowy-typ-napeduhybrydowego, dostęp 7.2015. 6. Hauer A., Gschwander S., Kato Y., Martin V., Schossig P., Setterwall F., Transportation of Energy by Utilization of Thermal Energy Storage Technology, Final Report, Annex 18, Energy Conservation though Energy Storage (ECES A), 2010. 7. Jankowski N.R., McCluskey F.P., A review of phase change materials for vehicle component thermal buffering, Applied Energy 2014, nr 113. 8. Schatz, O. Cold-start improvements with latent heat store. Automotive Engng J. 1992, nr 2. 9. Bridgegate Ltd. (Authorized dealership of BMW (GB) Ltd Chesterfield). (1996). nternal technology document, 1-4. 10. Adem UGURLU, Cihan GOKCOL, A review on thermal energy storage systems with phase change materials in vehicles, Electronic Journal of Vocational Colleges, May 2012. 11. Malatidis, N. (1988). Warmespeicher insbesondere Latentwarmespeicher für Kraftfahrzeuge. Patent DE 39 90 275 C 1. 12. Blüher, P., Latentwarmespeicher erhöht den fahrkomfort und die fahrsicherheit. ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 1991, nr 93. 13. Vasiliev, L.L., Burak, V.S., Kulakov, A.G., Mishkinis, D.A., and Bohan, P.V., Latent heat storage modules for preheating internal combustion engines: application to a bus petrol engine. Appl. Therm. Eng. 2000, nr 20. 14. Vasiliev, L.L., Burak, V.S., Kulakov, A.G., Mishkinis, D.A., and Bohan, P.V., Heat storage device for preheating internal combustion engines at start-up. nt. J. Therm. Sci. 1999, nr 38. 15. Kakiuchi H, Yamazaki M, Yabe M, Chihara S, Terunuma Y, Sakata Y, et al. A study of erythritol as phase change material. n: Proc 2nd workshop on PCMs and chemical reactions for thermal energy storage. nternational Energy Agency ECES Annex 10. Sofia, Bulgaria; 1998. 16. Gumus, M., Reducing cold-start emission from internal combustion engines by means of thermal energy storage system. Appl. Therm. Eng. 2009, nr 29. 17. Gumus, M., and Ugurlu, A., Application of phase change materials to pre-heating of evaporator and pressure regulator of a gaseous sequential injection system. App. Energy 2011, nr 88. 18. Boam, DJ., Energy audit on a two-litre saloon car driving an ECE 15 from a cold start. Automob Eng. 1986, nr 200. 19. Darkwa, K., and O Callaghan, P.W., Green transport technology (GTT): analytical studies of a thermochemical store for minimizing energy consumption and air pollution from automobile engines. Appl. Therm. Eng. 1997, nr 17. 20. Lambert MA, Jones BJ. Automotive adsorption air conditioner powered by exhaust heat. Part 1: conceptual and embodiment design. Proc nst Mech Eng Part D: J Automob Eng 2006, nr 220. 654 AUTOBUSY 6/2016
21. Manzela AA, Hanriot SM, Cabezas-Gomez L, Sodre JR. Using engine exhaust gas as energy source for an absorption refrigeration system. Appl Energy 2010, nr 87. 22. Lambert MA, Jones BJ. Automotive adsorption air conditioner powered by exhaust heat. Part 2: detailed design and analysis. Proc nst Mech Eng Part D: J Automob Eng 2006, nr 220. 23. Pandiyarajan V, Pandian MC, Malan E, Velraj R, Seeniraj RV. Experimental investigation on heat recovery from diesel engine exhaust using finned shell and tube heat exchanger and thermal storage system. Appl Energy 2011, nr 88. 24. Schatz, O., Nader, F. R., and Rossi, S., Latent heat storage. Automotive Engineering 1992, nr 100. 25. Pulkrabek, W.W., Engineering fundamentals of the internal combustion engine. New Jersey 1997: Prentice Hall 26. Kalinowski E., Termodynamika, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1994 27. Hale DV, Hoover MJ, O Neill MJ. Phase change materials handbook. Technical report. Huntsville (AL): National Aeronautics and Space Administration; 1971 September. Report no.: NASA-CR-61363. Contract no.: NAS8-25183 28. Zalba B, Marin JM, Cabeza LF, Mehling H. Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications. Appl Therm Eng 2003, nr 23. 29. Hasnain SM. Review on sustainable thermal energy storage technologies. Part : heat storage materials and techniques. Energy Convers Manage 1998, nr 39. 30. Abhat A. Low temperature latent heat thermal energy storage: heat storage materials. Sol Energy 1983, nr 30. 31. Kaizawa A, Maruoka N, Kawai A, Kamano H, Jozuka T, Senda T, et al. Thermophysical and heat transfer properties of phase change material candidate for waste heat transportation system. Heat Mass Transfer 2008, nr 44. 32. Rozanna D, Chuah TG, Salmiah A, Choong TSY, Sa ari M. Fatty acids as phase change materials (PCMs) for thermal energy storage: a review. nt J Green Energy 2005, nr 1. 33. Aydin AA. High-chain fatty acid esters of 1-octadecanol as novel organic phase change materials and mathematical correlations for estimating the thermal properties of higher fatty acid esters homologous series. Sol Energy Mater Sol Cell 2013, nr 113. 34. Talja RA, Roos YH. Phase and state transition effects on dielectric, mechanical, and thermal properties of polyols. Thermochim Acta 2001, nr 380. Using waste energy in vehicles The article shows the location of losses in the internal combustion engine. n article were presented the methods of waste energy recovery. t was pointed out the problem of total use of energy recovered for the engine or vehicle components needs. Therefore, authors proposed the recovery of heat losses to cover the needs of domestic hot water of residential building. Preliminary analysis showed that such a solution is possible, and the operating time of the vehicle to charge the battery is relatively short. n addition, the article proposes materials that could provide a filling of the accumulator. Autorzy: dr inż. Artur Nemś Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Katedra Termodynamiki, Teorii Maszyn i Urządzeń Cieplnych, e-mail: artur.nems@pwr.edu.pl dr inż. Magdalena Nemś Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Zakład Podstaw Konstrukcji i Maszyn Przepływowych, e-mail: magdalena.nems@pwr.edu.pl 6/2016 AUTOBUSY 655