Biopolttoaineilla toimiva Stirling-voimalaitos

Abstract

Stirling-moottori on ns. kuumailma moottori, joka toimii kaasun lämpötilaeron avulla. Kuumailma moottorin erityispiirteitä on laitteen ulkopuolella tapahtuva palaminen, josta lämpö johdetaan moottorille. Yleensä polttoaineena on käytetty vähän likaavaa polttoainetta esim. maakaasua mutta fossiilisten polttoaineiden kallistumisen ja niistä aiheutuvien päästöjen vuoksi niiden korvaaminen biopolttoaineella on tullut ajankohtaiseksi aiheeksi. Biopolttoaineiden likaavuuden takia niillä ei kuitenkaan voida lämmittää Stirling-moottoria suoraan vaan tarvitaan ylimääräinen lämmönsiirrin. Tämä diplomityö suoritettiin Lappeenrannan teknilliselle yliopistolle ja sen tarkoituksena oli tutkia juuri tähän laitteistoon suunnitellun, Stirling-moottorin ja polttokammion välisen lämmönsiirtimen suoritusarvoja ja likaantumista. Lisäksi työssä tutkittiin lämmönsiirtimeltä Stirling-moottorille menevien ilmaputkien lämpöhäviöitä. Työssä tultiin siihen tulokseen, että tämän tyyppinen lämmönsiirrin on suoritusarvoiltaan keskiverto kaasu-kaasu lämmönsiirrintä parempi ja ei likaannu erityisen nopeasti. Lämpöhäviöt olivat toisaalta merkittävämmässä asemassa kuin likaantuminen. Suurista lämpötiloista johtuva eristeiden lämmöneristyskyvyn heikkeneminen tai lämmönsiirtimen vuoto aiheutti merkittäviä lämpöhäviöitä.

Stirling-engine is so called heat engine which works on heat difference of gas. What is distinctive about heat engines is that the source of heat is external and is conducted to the Stirling-engine. Usually used fuel is not so fouling fuel like natural gas but because increased prize of fossil fuels and their emissions replacement of fossil fuels using bio fuels has become more interesting topic. But due to fouling properties of bio fuels direct heating isn’t possible and extra heat exchanger is needed. This master’s thesis was conducted for Lappeenranta university of Technology and its purpose was to examine working properties and fouling of the heat exchanger that was designed for this system. In addition heat loss of the air pipes to the Stirling-engine was examined in this thesis. It was concluded that this type of heat exchanger has better than average gas-gas heat exchanger working properties and that fouling speed isn’t that fast. On the other hand heat losses are more problematic than fouling. Due to high temperatures, insulation properties of the insulation wool getting worse or leak from the heat exchanger caused major heat losses.