Mikro-CHP-laitteiston mäntähöyrykoneen mitoitus

Abstract

Tässä opinnäytetyössä mitoitettiin off-grid-kohteisiin tarkoitetun mikro-CHP-laitteiston osaksi tuleva mäntähöyrykone. Koneelta vaadittu akseliteho generaattorin hyödynnettäväksi oli 6 kW käytettäessä 13 baarin höyryä. Työn teettäjänä oli Oulun yliopiston alaisuudessa toimiva Kerttu Saalasti Instituutin Tulevaisuuden Tuotantoteknologiat (FMT) -ryhmä, joka toteuttaa tämän projektin yhteistyössä kansainvälisen yhteistyöverkoston kanssa.

Eri mitoitustapoihin ja höyrykoneen toimintaan tutustumisen jälkeen määritettiin yksi-, kaksi- ja kolmisylinterisen koneen päämitat, kuten sylinterien halkaisijat ja höyryn massavirrat. Neli- tai useampisylinterisiä koneita ei tutkittu tässä työssä. Koneiden mitoitusprosessi on työssä pyritty esittämään siten, että tarvittaessa vastaavanlaista mitoitusta suorittava henkilö voi käyttää tätä opinnäytetyötä tukevana materiaalina omassa työssään.

Koneiden mitoituksen jälkeen koneita vertailtiin keskenään ja tilaajalle esitettiin, että kohteeseen soveltuvat konetyypit ovat kaksisylinterinen kompoundi- ja kolmisylinterinen trippelikone. Molemmassa konevaihtoehdossa täytyy tilaajan harkita yhden tai useamman sylinterin jakamista kahdeksi yhtä suureksi sylinteriksi tandemiin, jolloin vähennetään suurikokoisten mäntien aiheuttamia tehohäviöitä.

Tilaaja hyödyntää tätä opinnäytetyötä määrittäessään prototyyppilaitokseen rakennettavaa moottoria. Päätökseen konetyypistä ja sen mitoista vaikuttavat tämän opinnäytetyön lisäksi muihin osakokonaisuuksiin liittyvät opinnäytetyöt ja tutkimukset, näistä esimerkkinä kattilan mitoitukseen liittyvä opinnäytetyö.

In this thesis, an estimate is determined about a suitable steam engine configuration for an off-grid micro-CHP power plant. The engine is required to output 6 kW for the power plant’s generator when employing 13 bar steam. Thesis commissioner is the Kerttu Saalasti Institute's Future Manufacturing Technologies (FMT) group at the University of Oulu, and regarding this project they are a part of a wider international cooperation network.

After introducing the operation principles of the steam engine, the main dimensions are determined for single, double and three cylinder machines. These include dimensions for the cylinder and the required steam flow to the engine. Engines with four or more cylinders are not studied in this thesis. The dimensioning process is presented in such a way that, if necessary, a person performing the same type of dimensioning can use this thesis as supporting material for their work.

After dimensioning the different configurations, they are compared and the conclusion is reached that the machine types suitable for the application are a two-cylinder compound and three-cylinder triple expansion engine. In either of the two options, the thesis commissioner must also consider splitting one or more cylinders into two equal size cylinders arranging them in tandem to reduce the losses incurred by a single large-sized piston.

The thesis commissioner uses the results achieved in this thesis when conducting his own assessment for a suitable prototype engine. The commissioner’s assessment process is also influenced by other studies related to the subject, such as the thesis done about the boiler of the power plant.