محرك حراري يعمل بنفايات الإعصار

تم ضبط توقيت صمام (صمامات) السحب بحيث يكون صمام أسطوانة واحدة على الأقل مفتوحًا دائمًا، بغض النظر عن وضعية المحرك عند توقفه الأخير. وهذا يسمح للمحرك بالبدء تلقائيًا عند تزويده بالبخار، دون الحاجة إلى وسائل أخرى، مثل محرك بدء التشغيل الكهربائي، لتدويره في البداية.

يُطلق على نسبة شوط المكبس التي يكون فيها صمام السحب مفتوحًا في محرك البخار اسم " نسبة القطع" . في محرك WHE-25، تبلغ هذه النسبة 34% من الشوط. ^{[ 4 ]} من النقطة الميتة العليا إلى 34% من الشوط، يدور عمود المرفق بزاوية 71 درجة تقريبًا. في المحرك ذي الست أسطوانات، يصل مكبس واحد إلى النقطة الميتة العليا كل 60 درجة (360°/6). أما في محرك WHE-DR ذي الثلاث أسطوانات، فلا يصل مكبس واحد إلى النقطة الميتة العليا إلا كل 120 درجة، لذا يجب أن يكون صمام السحب مفتوحًا بزاوية أكبر بكثير لضمان بدء تشغيل المحرك ذاتيًا. إذا كان الصمام مفتوحًا لمدة 130 درجة من دوران عمود المرفق، فإن قيمة نسبة القطع ستكون حوالي 64%.

يشمل شوط التمدد في محرك البخار حركة المكبس من النقطة الميتة العليا إلى النقطة الميتة السفلى . وعندما ينعكس المكبس ليعود إلى النقطة الميتة العليا، يجب أن يُفتح صمام العادم ليُصرّف البخار المتمدد من الشوط السابق من الأسطوانة. يحتوي محرك WHE على صمام عادم في كل مكبس، يُفعّل بواسطة نتوء على ذراع التوصيل (انظر الشكل إلى اليمين). في شوط العادم، تتسبب زاوية ذراع التوصيل في فتح صمام المكبس، مما يسمح للبخار المتمدد بالخروج إلى علبة المرافق.

استخدم تصميم WHE-25 صمامًا ريشيًا ، وهو عبارة عن قطعة معدنية رقيقة تغطي الجزء العلوي من المكبس (كما هو موضح في الشكل). أما تصميم WHE-DR فقد استبدل الصمام الريشي بكرة تستقر في مقعد الصمام الموجود في رأس المكبس. ^{[ 5 ]}

صُممت آلة WHE-25 بستة أذرع توصيل تشترك في محور مرفقي واحد على عمود المرفق . التصميم القياسي لهذا النوع من التوصيلات هو ذراع توصيل رئيسي متصل بمكبس واحد، بينما تتصل الأذرع المتبقية بدبابيس في الطرف الكبير للذراع الرئيسي. اخترع هاري شويل، مخترع آلة WHE، ما أسماه "محمل العنكبوت" ^{[ 6 ]} ، وهو عبارة عن قرص يدور حول المحور المرفقي، ويحتوي على محور ارتكاز واحد حول محيطه لكل ذراع من أذرع التوصيل الستة. مع أن هذا التصميم يُغني عن الحاجة إلى ذراع رئيسي منفصل، إلا أنه يُضيف درجة حرية غير مُتحكم بها ، أي أن محمل العنكبوت نفسه يمكن أن يدور في اتجاه واحد حتى يتوقف عن الحركة نتيجة اصطدامه بأذرع التوصيل، ثم يدور في الاتجاه الآخر بزاوية معينة قبل أن يتوقف مرة أخرى نتيجة اصطدامه بأذرع التوصيل.

استغنى تصميم WHE-DR عن محمل العنكبوت من خلال إزاحة كل أسطوانة عن الأخرى طولياً، مما يسمح بتركيب نهايات قضبان التوصيل الكبيرة على محور مرفقي مشترك جنباً إلى جنب. وقد ورد في التقارير أن "الاختبارات الأولية أظهرت تشغيلاً أكثر سلاسة وهدوءاً بشكل ملحوظ". ^{[ 2 ]} وكان الاستغناء عن محمل العنكبوت هو التغيير التصميمي الوحيد الذي أدى إلى هذا التحسن.

يتطلب تصميم محرك الحرارة المهدرة استخدام الماء لتزييت الأجزاء المتحركة، لأن بخار العادم يدخل إلى علبة المرافق. أي زيت يُستخدم لتزييت محامل عمود المرفق وذراع التوصيل سيتحول سريعًا إلى مستحلب من الزيت والماء، ما يؤدي إلى ضعف خصائص التزييت.

تعمل محامل الانزلاق على عمود المرفق وقضبان التوصيل ، بالإضافة إلى المكابس المنزلقة داخل أسطواناتها، في نظام التزييت الهيدروديناميكي . وتعتمد قدرة تحمل محمل الانزلاق بشكل مباشر على اللزوجة الديناميكية لسائل التزييت.  تبلغ لزوجة الماء عند 20 درجة مئوية 0.001002  باسكال.ثانية، بينما قد تصل لزوجة زيت المحرك  النموذجي إلى حوالي 0.250 باسكال.ثانية. ^{[ 7 ]} وبالتالي، فإن الماء أقل فعالية في التزييت بحوالي 250 مرة من الزيت.

تعاقدت شركة سايكلون باور تكنولوجيز مع مركز أبحاث السيارات بجامعة ولاية أوهايو (OSU-CAR) لإجراء تحليل هندسي. وصف عرض تقديمي بتاريخ 8 مارس 2014 ^{[ 5 ]} من قِبل مركز أبحاث السيارات بجامعة ولاية أوهايو محامل المحرك بأنها "مشكلة حرجة" وذكر ما يلي:

• "لا تتوفر بيانات كافية، إن وجدت، خارج نطاق خبرة شركة سايكلون الخاصة، حول استخدام التشحيم المائي لمحامل الكرات أو محامل الأسطوانات في بيئتنا وتحت أحمالنا. وتشير حسابات العمر الافتراضي، باستخدام حمل المحمل فقط ومعاملات قياس لزوجة المُشحِّم، إلى ضرورة وجود نسبة عالية جدًا بين سعة التحميل والحمل المُطبَّق."
• "لا تتوفر سوى بيانات قليلة حول استخدام محامل البوليمر المشحمة بالماء في بيئتنا وتحت أحمالنا. وقد أظهرت الدراسات زيادة في العمر الافتراضي بنسبة 4:1 مع التشغيل المغمور، ولكن لا تتوفر سوى بيانات قليلة عن التآكل على المدى الطويل مع التشحيم بالماء المضغوط."

ينص العقد المبرم بين شركتي "سايكلون باور تكنولوجيز" و"فينيكس باور جروب" لتوريد مولد الطاقة الكهربائية المائية ^{[ 8 ]} على أن تدفع "فينيكس باور جروب" دفعة مرحلية قدرها 150,000 دولار أمريكي "عند إتمام 200 ساعة من اختبارات المتانة لمولد الطاقة الكهربائية المائية الإصدار 5.0، والتي تُجرى و/أو تُشرف عليها جامعة ولاية أوهايو. وتشمل اختبارات المتانة تشغيل محرك مولد الطاقة الكهربائية المائية دون أي عطل، وإنتاجه طاقة تتراوح بين 10 و20 حصانًا". وحتى تاريخ 25 مارس/آذار 2015، لم يُشر إلى نجاح الشركة في اجتياز محرك مُشحّم بالماء لاختبار المتانة هذا الذي يستمر 200 ساعة.

لم تُنشر أي اختبارات مستقلة لأي نموذج من نماذج مبادلات الحرارة المهدرة، ولكن ثمة مؤشرًا على ذلك من المعلومات المنشورة بشأن نظام اختبار استعادة الحرارة المهدرة لشركة بنت جلاس ديزاين في هاتبرو، بنسلفانيا. ^{[ 9 ]} وُصف النظام بأنه يُوفر  طاقة كهربائية تصل إلى 10 كيلوواط باستخدام محرك من طراز WHE-25، و"يُحوّل أكثر من 500,000 وحدة حرارية بريطانية من حرارة العادم المنبعثة من أفران تصنيع الزجاج التابعة للعميل إلى طاقة كهربائية". ويُعادل معدل تدفق حراري قدره 500,000 وحدة حرارية بريطانية/ساعة 146.5  كيلوواط.

$الكفاءة = القدرة الخارجة / القدرة الداخلة = 10 كيلوواط / 146.5 كيلوواط = 6.8$

يحتوي محرك WHE-25 على نقطة قطع عند 34%. ^{[ 4 ]} يسمح هذا للنسبة المتبقية البالغة 66% من شوط المكبس بتمديد البخار، واستخلاص الطاقة منه، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط. يوضح الشكل على اليمين كيفية انخفاض الضغط في أسطوانة محرك بخاري بعد نقطة القطع. يجب أن يكون لمحرك WHE-DR نقطة قطع متأخرة جدًا لتمكينه من بدء التشغيل الذاتي. يؤدي القطع المتأخر إلى ضغط فعال متوسط ​​أكبر ، مما ينتج عنه قدرة أكبر لمحرك ذي حجم معين يعمل بسرعة معينة، ولكنه يؤدي أيضًا إلى انخفاض الكفاءة نظرًا لأن ضغط البخار يكون أعلى عند خروجه من الأسطوانة، وبالتالي يتم تحويل جزء أقل من طاقته إلى عمل ميكانيكي.

المُوسِّع: يُعدّ المحرك البخاري أحد مكونات نظام الطاقة في دورة رانكين . يُظهر الشكل على اليمين لدورة رانكين توربينًا بدلًا من محرك مكبسي ترددي بين الحالتين 3 و4، ولكن كلا الجهازين يعمل كمرحلة توسيع في الدورة.

المكثف: الجهاز الواقع بين الحالتين 4 و1 هو المكثف . يعمل المكثف على إزالة الحرارة من بخار عادم المحرك لتكثيفه مرة أخرى إلى ماء. في حالة محرك WHE-25 المذكور في القسم الفرعي السابق، من أصل 146.5  كيلوواط من الطاقة الحرارية المُزوَّدة في البخار الأولي،  تم تحويل 10 كيلوواط إلى كهرباء. هذا يعني أن 146.5 - 10 = 136.5  كيلوواط من الطاقة الحرارية يجب إزالتها بواسطة المكثف. للمقارنة، تبلغ قدرة محرك الديزل Caterpillar C13 ، المستخدم عادةً في شاحنات الجر، على طرد الحرارة إلى سائل التبريد 128  كيلوواط. ^{[ 10 ]} وبالتالي، فإن مكثف محرك WHE-25 الذي ينتج 10  كيلوواط من الطاقة سيكون بحجم مشعاع شاحنة نصف مقطورة تقريبًا. من المرجح أن يكون محرك WHE-DR الأحدث أقل كفاءة، لذا سيحتاج إلى مكثف أكبر للحصول على نفس القدرة الناتجة.

يحتاج المكثف إلى تدفق هواء كافٍ لإزالة الحرارة. وعادةً ما تُستخدم مروحة لتوفير هذا التدفق، إلا أن استهلاكها للطاقة يقلل من صافي الطاقة المتاحة من النظام.

مضخة تغذية الماء: يُخزَّن الماء المكثف في خزان، ثم يُضخ إلى ضغط عالٍ بواسطة مضخة تغذية الماء، الموضحة في الشكل من 1 إلى 2. تتطلب هذه المضخة مصدر طاقة، بالإضافة إلى نظام تحكم لضخ الكمية المناسبة من الماء لتعويض كمية البخار المُدخلة إلى المحرك.

المرجل : تُضاف الحرارة إلى الماء في المرجل لإنتاج البخار، كما هو موضح في الشكل من 2 إلى 3. يُطلق على المراجل أحيانًا اسم مولدات البخار، وقد استخدمت شركة سايكلون باور تكنولوجيز مصطلح "غرفة الاحتراق/المبادل الحراري" أو "CCHX". ^{[ 11 ]} وبغض النظر عن الاسم المستخدم، إذا كان ضغط النظام أكبر من 15 رطل لكل بوصة مربعة (1 بار) وتمت إضافة الحرارة، يُعتبر الجهاز مرجلًا قانونيًا. وقد اعتمدت جميع الولايات في الولايات المتحدة الأمريكية، باستثناء أيداهو ووايومنغ، وجميع المقاطعات في كندا، قانونًا شرط تسجيل المراجل لدى المجلس الوطني لمفتشي المراجل وأوعية الضغط . ^{[ 12 ]} يشمل التسجيل متطلبات اعتماد تصميم المرجل وفقًا لمدونة الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME) للمراجل وأوعية الضغط (BPVC) ، وضرورة بنائه في منشأة معتمدة حاليًا من قِبل ASME لبناء مثل هذه المراجل، وضرورة تركيبه واختباره للحصول على موافقة مفتش من المجلس الوطني، وضرورة خضوعه لعمليات تفتيش دورية على نفقة المالك.

قد تشترط السلطة القضائية أيضاً أن يتم تشغيل المنشأة بواسطة مهندس ثابت مرخص ، بالإضافة إلى تغطيتها بتأمين كافٍ ضد المسؤولية.

إن سبب هذا التدقيق هو الخسائر الكارثية التي يمكن أن تحدث نتيجة انفجار المرجل .

يتطلب النظام أيضاً صمام أمان معتمد للبخار ، ونظام تحكم في مستوى الماء، بالإضافة إلى صمامات لدخول الماء إلى الغلاية والبخار إلى المحرك. وإذا كان النظام مصمماً للعمل دون إشراف، فإنه يحتاج إلى أجهزة استشعار وأنظمة إيقاف تشغيل تلقائية.

وبالتالي، قد يكون محرك استعادة الحرارة المهدرة أحد أقل مكونات نظام استعادة الحرارة المهدرة الكامل تكلفة.