EricssonCiklus

John Ericsson megszerkesztette a legjobb hatásfokú elrendezést, amivel hõt (a gyakorlatban is) munkává lehet alakítani (Carnot körfolyamatot használó gépet gyakorlati szempontok miatt nem szokás alkalmazni: adiabatikus kompresszióval reménytelen a felsõ T-t, mondjuk 1000K-t elérni).

• isoterm (T1=T2) kompresszió p1 => p2 (V1 => V2)   Ekkor van hõleadás.
• isobar (p2 = p3) melegítés T1 (=T2) => T3  (regenerátor felhasználásával, a 4. lépésben betárolt hõvel).
• isoterm (T3=T4) expanzió (ez adja a munkát): p2 => p1   Ekkor van hõfelvétel.
• isobar lehûtés (a hõt regenerátorba betároljuk) T3 => T1

A StirlingMotor-hoz képest jóval nagyobb az expanzió p2 és kompresszió p1 nyomások közötti különbség. Ezért adott súlyú gép jóval több mechanikai teljesítményt tud szolgáltatni (a StirlingMotor általában vérszegény keveset). Emellett belső égésű üzemmódban is használható, ami a hőátadó felületeket (ezzel a tömeget és költséget) jelentősen csökkenti.

Az Ericsson gép hátrányai:

• Szelep kell hozzá. Az eredeti (Robert Stirling féle) StirlingMotor-ban nincs szelep
• regenerátor is kell (ilyen az alfa-stirlingben is van)
• a hideg (kompressziós) és meleg (expanziós) dugattyúkat a T1 : T3 arányában kell méretezni, bár a szelep vezérlésével lehet kompenzálni. A leadott teljesítmény és a hatásfok romlik, ha az arány nagyon eltér.
• és a legnehezebb: a forró dugattyú többet dolgozik nagyon forrón, mint mondjuk egy 4 vagy akár egy 2-ütemû Otto motorban. Ezért hõálló acél dugó javasol, hőszigetelő sapkával (hogy a dugattyúgyűrűk ne melegedjenek túl)
  • Ericsson géppel kapcsolatos szabadalom: compressor piston is a standard aluminum piston with conventional piston rings; said expander piston is made of stainless steel with stainless steel expander piston rings and a thin high-temperature steel extension which allows said expander piston rings to operate at low temperature with conventional oil for lubrication; and said expander intake valve and said expander exhaust valve are ceramic poppet valves to withstand high expander operating temperatures.

Lásd: Ericsson ciklus (fontos az ábrát nagyban megnézni, és megérteni !)

A hatásfok korlátja - (Carnot közelében ?)

Hagyományos hõerõgépek közül (vagyis HidrogenCiklus -t nem számítva) valszeg csak a dugattyús Ericsson ciklus segítségével tudnánk megközelíteni a mágikus 70%-os hatásfokot, azt is csak bizonyos kombinált-ciklus üzemmódban. ( ez roppant ambíciózus, pláne ha már nem gigantikus 1-5MW-al is megvalósítható, ráadásul adott gép esetén is viszonylag tág teljesítménytartományban, pláne, ha a 32-38%-os gõzturbinás monstrumokhoz hasonlítjuk; lásd TermoDinamikaiKorfolyamatok ). Ha hagyományos eszközökben gondolkodunk, akkor ehhez legalább ilyesmi kombináció javasolt:

• Otto motor 30% pl. szintézisgázzal (fagázzal) hajtva. (A revetec engine elérte a 39%-ot)
• kipufogógáz expandálás 8% (turbina vagy dugattyú, de semmiképpen nem ostoba kipufogódob, ami az értékes mechanikai energiát értéktelen hővé alakítja). Ehelyett természetesen Atkinson ciklus még jobb lehet.
• hulladékhő hasznosítás nagy, és legalább 2+2 hengeres (2 hideg + 2 meleg) dugattyús Ericsson géppel: az eredeti égéshőnek 32%-a , ami a maradék entalpiának 52%-a, vagyis 340K-es kompressziós hõmérséklet esetén biztosan 700K feletti expanziós hõmérsékletet jelent.

A 60% persze realisztikusabb célkitûzés (a veszteségek és a hõcserélők ésszerű méretezése mellett). Nagyobb mérnöki szabadsággal természetesen a vázoltnál jobb kialakítás is elképzelhető. Amennyiben (amikor) napenergia a bemenet, akkor az elsõ két lépés kimarad, vagy helyette (esetleg a kompresszor oldalon közteshűtéses) Brayton ciklus van, és az expanzió után fennmaradó viszonylag magas hőmérsékletet dugattyús Ericsson-nal hasznosítanánk (a dugattyú nem bírná azt az 1200 K-t, amit a Brayton turbinája még kibír). FolyékonyFluorideSóolvadékosThoriumReaktor-nál nincs ilyen gond, ott rögtön dugattyús Ericsson-al lehet akár kezdeni.

"Microgeneration", CHP dugattyús Ericsson motorral

Igaz, hogy van benne szelep, de a legkisebb játékokat kivéve ez megéri az egyéb elõnyök miatt. A szelep nélküli stirling-motorhoz képest nagyobb térfogat áll rendelkezésre a hőcserére (ami könnyebbség: így is épp elég gond ez).

Az Ericsson ciklus használható:

• zárt körfolyamatban (ahol az alacsonyabb nyomás is jó magas) külsőégéssel
• nyílt körfolyamatban (ahol az alacsonyabb nyomás a légköri ~1bar) külsőégéssel. Az eredeti ilyen volt. A világ legnagyobb dugattyúja ilyenben volt, kb d=4m-es, amin állítólag teljes teljesítménynél ebédeltek (elég meredek, lehet, hogy csak legenda). Ha a kisebbik nyomás csak atmoszferikus, akkor nagyok lesznek a dugók, a hõcserélõk és kicsi a fajlagos teljesítmény. Ezért ezt nem látom indokoltnak.
• nyílt körfolyamatban (ahol az alacsonyabb nyomás a légköri ~1bar) belsőégéssel.
  • belsõégésre ahol tulajdonképpen AtkinsonCiklus -ban üzemel - annak is egy elõnyös kialakításában

Megvalósítás - gondolatok

• a hideg "kompresszor" dugó mezei alumínium. Bárhol találni ilyet.
• a meleg expanziós dugó rozsdamentes, saválló vagy hõálló acél. Ilyet aligha találni (vagy valami más alkalmazásban mégis, pl. hidraulika, élelmiszeripar, kitudja ?)
  • ha készíteni kell: célszerűen szigetelő sapkával

John Ericsson élete: könyvbõl:

An experimental caloric engine of five horse-power, and with a working piston fourteen inches in diameter, was set in motion at London, in 1833... 
Ez a gép nagy port kavart, és magát Michael Faraday-t is lenyûgözte.

Ericsson Caloric hajó

• korabeli újságcikk a 220kW-os motorral szerelt hajóról. "8 pound" (psi) azaz 55 kPa alatt tartották a nyomást, ami mellett ennél a gépnél (1-1/1.55=) 35% a hatásfok elvi korlátja
• 8t szén / nap volt a cél. A cikk szerint a valóságban 4200 kg / nap volt. Mondjuk 15 MJ / kg (tüzelési veszteségekkel) és 220 kW esetén a hõ => mechanikus átalakítási hatásfok 220*3.6 / (4200 / 24 * 15 ) = 30%  de ha csak 20% körül volt is,
  • ami egy tartósságra épített géptõl akkoriban igen szép hatásfok volt. Összehasonlításképpen korabeli lokomotív gőzmozdonyok 3-5% (a 10% már rekordnak számított) hatásfokkal üzemeltek
  • érdekességképpen: a hasonló teljesítményû turbo-motorom kb ugyanennyi 4200 liter benzint inna naponta 220kW -nál (persze ha kibírna egy napot), mint amennyi kg szenet evett Ericsson gépe
• ...

Dugattyú-gyûrûk

• piston rings    (2500 mm a legnagyobb)
• summitracing.com  => Search, Piston ring => Bore size (list) 123.85mm a legnagyobb.
• Tatra dugattyúgyûrû 120mm (eredetileg 140mm-es löket, 1582.5 cm³ / henger)
  
• US Patent 4722188 - Refractory insulation of hot end in stirling type thermal machines