Lämmön regeneroinnin hyödyntäminen hydraulipaineakussa

Abstract

Tekniikan kehittyessä toimilaitteiden ja järjestelmien suunnittelussa ja toteutuksessa laitteiden ja koneiden energia- ja kustannustehokkuus nousevat jatkuvasti tärkeämpään rooliin. Hydraulisilla toimilaitteilla saavutetaan korkea tehotiheys, mutta järjestelmien kokonaishyötysuhde on usein heikko. Hyötysuhdetta voidaan nostaa lisäämällä järjestelmiin energian talteenotto, jolloin työkierroista voidaan normaalisti hukkaan menevää energiaa varastoida ja käyttää uudelleen seuraavassa työkierrossa.

Hydraulisissa energian talteenottojärjestelmissä energiaa varastoidaan tyypillisesti hydraulipaineakkuihin. Paineakuissa energia varastoituu puristamalla paineakun kaasutilavuudessa olevaa kaasua. Puristusvaiheen aikana kaasun lämpötila nousee ja lämpö alkaa virrata paineakusta ympäristöön. Tämä energian virtaaminen ympäristöön muodostaa merkittävimmän yksittäisen paineakun hyötysuhdetta laskevan tekijän.

Tämän työn tavoitteena oli nostaa mäntäpaineakun hyötysuhdetta hyödyntämällä lämmön regenerointia. Lämmön regeneroinnilla pyritään varastoimaan kaasussa puristusvaiheessa syntyvä lämpöenergia lämpöregeneraattoriin ja luovuttamaan energia takaisin kaasuun paineakun purkusyklin aikana. Työssä suunniteltu lämpöregeneraattori perustui faasimuutosmateriaalien hyödyntämiseen energiavarastona. Faasimuutosmateriaalit soveltuvat erinomaisesti lämpövarastoiksi, sillä ne kykenevät sitomaan suuren määrän energiaa faasimuutoksen aikana, jolloin työssä suunniteltu lämpöregeneraattori saatiin mahdutettua mäntäpaineakun sisälle.

Työssä saatujen mittaustuloksien perusteella pääteltiin, että lämpöregeneraattorin dynamiikan merkitys nousi merkittävämmäksi kuin lämpöregeneraattorin kyky varastoida lämpöenergiaa. Lämpöregeneraattorin hidas dynamiikka ei mahdollista tehokasta energian talteenottoa nopeista puristus- tai purkusykleistä, ja tämän takia lämpöregeneraattorista saatava hyöty jäi pieneksi. Työssä toteutetulla lämpöregeneraattorilla saavutettiin parhaimmillaan 3 prosenttiyksikön hyötysuhteen nousu verrattaessa samaan mäntäpaineakkuun ilman lämmön regenerointia.

As new technological advances are made the importance of energy efficiency and cost effective solutions are even more important when designing and producing new machine systems. Hydraulic systems offer great performance in different actuators, but the general efficiency of the whole hydraulic systems is usually low. Energy efficiency can be improved by utilizing energy recovery systems. With energy recovery some of the normally wasted energy can be recovered and used in the next work cycle.

Hydraulic energy recovery systems usually store energy in hydraulic pressure accumulators. Within the hydraulic pressure accumulator, energy is stored by compressing gas inside the accumulator’s gas volume. When compressing gas, heat builds up within the gas and temperature difference between the gas and its surroundings causes heat energy to flow out of the gas. This energy flow is the single most significant factor lowering energy efficiency of the accumulator.

The goal of this study was to increase the efficiency of piston type hydraulic pressure accumulator by utilizing heat regeneration. With heat regeneration, heat energy that is generated in the gas during compression cycle is stored in the heat regenerator to be released during the following decompression cycle. Heat regenerator designed in this study utilizes phase change materials to store heat energy. Phase change materials absorb a lot of energy during phase change and thus they are commonly used as heat storages.

The results obtained in this study indicate that the dynamic properties of the heat regenerator are more important than the capability to store heat energy. Low dynamic properties prevent the heat regenerator from storing and releasing energy effectively during fast compression and decompression cycles. With the heat regenerator designed in this study the energy efficiency of the accumulator increased by maximum of 3 percentage units when compared to the same accumulator without heat regeneration.