W silnikach spalinowych, takich jak te znajdujące się w samochodach, ciepło pochodzące ze spalania paliwa jest wykorzystywane do napędzania tłoka. W ten sposób powstaje rozszerzający się gaz – częściowa próżnia – który naciska na tłok w przeciwnym kierunku. Źródło ciepła dla tego procesu prawie zawsze pochodzi z zewnętrznego źródła. Ten artykuł wyjaśnia, co robi rekuperator i dlaczego jest ważny dla osiągów silnika, wydajności i emisji. Wyjaśnimy również, jak działa i kilka typowych zastosowań tego urządzenia.

Co to jest rekuperator?

Rekuperator to urządzenie, które przekazuje ciepło ze strumienia spalin do świeżego ładunku, czyli mieszanki paliwowo-powietrznej wchodzącej do komory spalania. Rekuperator jest czasami nazywany wymiennikiem ciepła lub ścianą wymiany ciepła, ponieważ zazwyczaj wykorzystuje ścianę z metalu jako granicę do oddzielenia dwóch płynów. Może to być również wymiennik typu „płyn do płynu”. Przekazywanym płynem jest ciepło, które zazwyczaj występuje w postaci wysokotemperaturowych spalin lub gazów spalinowych, które są wystarczająco gorące, aby ponownie wejść do komory spalania i wpłynąć na wydajność silnika. Istnieją dwa główne typy rekuperatorów. Typ pośredni, który miesza spaliny ze świeżym ładunkiem w wymienniku ciepła, oraz typ bezpośredni, który miesza spaliny ze świeżym ładunkiem w komorze spalania.

Jak działa rekuperator?

Silnik bez rekuperatora wymienia ciepło między spalinami a świeżym ładunkiem przez bezpośredni kontakt. Jest to znane jako chłodzenie w kontakcie bezpośrednim. Ciepło ze spalin trafia do ścian silnika, a świeży ładunek jest chłodzony przez ściany i wyciek płynu przez ściany. Ścianka jest chłodzona przez otaczające ją powietrze. Ilość ciepła przekazywanego do świeżego ładunku jest znacznie mniejsza niż ilość ciepła wymienianego przez ściankę i spaliny, które jest przekazywane do ścianki. O ile chłodzenie w kontakcie bezpośrednim jest wystarczające dla prostych silników, silników z doładowaniem i niskociśnieniowych wysokotemperaturowych silników turbin gazowych, o tyle nie jest wystarczające dla zaspokojenia wymagań nowoczesnych wysokosprawnych, wysokociśnieniowych i wysokotemperaturowych silników chłodzonych cieczą. Rekuperator przekazuje ciepło ze spalin do świeżego wsadu metodą pośrednią. Uzyskuje się to poprzez umieszczenie między oboma płynami ścianki. Ścianka jest chłodzona przez otaczające powietrze, a temperatura ścianki jest niższa od temperatury spalin. Tak więc ścianka przekazuje ciepło do świeżego ładunku, a spaliny są chłodzone.

Dlaczego rekuperator jest ważny?

Głównym powodem stosowania rekuperatora jest zwiększenie sprawności silnika. Bardziej wydajne silniki produkują mniej CO2 na jednostkę wyprodukowanej energii. Marginalna poprawa sprawności może mieć znaczący wpływ na zużycie paliwa i emisję CO2. Im wyższa temperatura świeżego ładunku, tym wyższa będzie sprawność cieplna silnika. Im gorętszy ładunek, tym więcej energii można z niego wydobyć i tym większą moc można wygenerować z tej samej ilości paliwa. Ilość ciepła wymienianego między spalinami a świeżym ładunkiem jest kontrolowana przez różnicę temperatur między nimi. Jeśli temperatura spalin jest wyższa, więcej ciepła zostanie przekazane do ładunku. Różnica temperatur pomiędzy dwoma płynami powstaje poprzez podniesienie temperatury spalin lub obniżenie temperatury świeżego ładunku poprzez zastosowanie rekuperatora. Obie temperatury muszą być niższe od temperatur krytycznych materiałów użytych w ścianie.

Jak zwiększyć sprawność silnika za pomocą rekuperatora?

Im więcej ciepła zostanie wymienione między spalinami a świeżym ładunkiem, tym wyższa będzie temperatura świeżego ładunku. Temperatury te muszą być niższe od temperatur krytycznych materiałów, z których wykonane są ściany. Jeżeli temperatura spalin będzie wyższa, to więcej ciepła zostanie przekazane do wsadu. Jeżeli zastosujemy ścianę o wyższej temperaturze krytycznej, to temperatura spalin może być wyższa i więcej ciepła zostanie przekazane do wsadu. Jeśli temperatura świeżego ładunku jest niższa, mniej ciepła zostanie przekazane ze spalin do ładunku. Jeśli zastosujemy ściankę o niższej temperaturze krytycznej, to temperatura świeżego wsadu będzie niższa i mniej ciepła zostanie przekazane ze spalin do wsadu.

Ograniczenia procesu rekuperacji.

• Różnica temperatur pomiędzy dwoma płynami musi być wystarczająco duża, aby przekazać między nimi wystarczającą ilość ciepła.
• Temperatury krytyczne materiałów użytych w ściance muszą być wyższe od najwyższej temperatury płynów.
• Materiały użyte w ścianie muszą mieć wysoką przewodność cieplną i niską rozszerzalność cieplną.
• Ściana nie może mieć żadnych obszarów, w których płyny nie mogą przekazywać ciepła. Można to zapewnić poprzez odpowiednią geometrię ściany i obróbkę powierzchni.

Wnioski

Rekuperator wymienia ciepło pomiędzy spalinami a świeżym wsadem na drodze pośredniej. Uzyskuje się to poprzez umieszczenie między tymi dwoma płynami ścianki. Ścianka ta jest chłodzona przez powietrze otoczenia i przekazuje ciepło do świeżego wsadu. Ilość ciepła wymienianego między spalinami a świeżym ładunkiem jest kontrolowana przez różnicę temperatur między nimi. Jeśli temperatura spalin jest wyższa, więcej ciepła zostanie przekazane do wsadu. Temperatura świeżego wsadu musi być niższa od temperatur krytycznych materiałów użytych w ścianie. Im wyższa temperatura spalin, tym wyższa będzie temperatura świeżego wsadu. Obie temperatury muszą być poniżej temperatur krytycznych materiałów użytych w ścianie.