Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Development of a New Biomass Stove Integrated with a Stirling Engine
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology.
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology.
2016 (English)Independent thesis Basic level (degree of Bachelor), 10 credits / 15 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

1.2 billion people around the world, mainly in the developing countries, live without access to electricity. To increase the living standard for this people and make socio economic development possible, supplying rural areas with electricity is crucial.

In rural areas around the world 2.7 billion citizens use biomass through simple stoves or open fire for heating, lighting and cooking in the households. This leads to indoor pollution which both is unhealthy and dangerous to inhale and ultimately leads to the prematurely death of 4 million people every year. Bolivia is no exception since it is one of Latin Americas poorest country. 1.2 million Bolivians still have no electricity access and fuel wood accounts for 47 % of the energy used for cooking in the country.

One solution to minimize the premature deaths caused by pollutants is to improve the cook stoves to become cleaner and more efficient. A product that can contribute to both solve the problems with indoor pollution and no electricity access is an improved cook stove integrated with electricity generation. This thesis will present the first design approach in the development of a new biomass stove with an integrated Stirling engine, primarily adapted for rural Bolivians. The Stirling engine is an external combustion engine that can convert thermal energy to electricity.

Through literature survey and field studies information to formulate a requirement specification was collected. A Quality Function Deployment (QFD) was formulated to transfer the requirements into technical measurable qualities. This constituted the guidelines for the development which led to five different concepts. With support from a Decision Matrix, where the different concepts where compared to each other, it was shown that the best concept was MAYA, a stationary stove with capacity for two pots, one combustion chamber, an ash trap and an attached chimney.

Combustion and heat transfer processes appearing in a stove are complicated and depending on a number of different parameters. To evaluate a good stove design testing is required which is why the design approach was to look at successful improved stoves and to follow design principles and guidelines. The improved MAYA is a 70 cm high metal stove with a scaffold base constructed with double metal walls with insulation in between. The two pots can together fit 10 liters and are sunken down in the stove body. To create a good draft in the stove the combustion chamber, flue gas path and chimney are designed with a constant cross sectional area.

Three different placements for a 95 We Stirling engine prototype are suggested but the final placement has to be further investigated since it depends on the temperatures in the stove. To increase the accessibility of the produced electricity a battery is advisable connected to the engine. A battery with a capacity of 25 000 mAh is shown sufficient to store the daily produced electricity.

MAYA is a design draft based on design principles of wood burning cook stoves and can be further used in physical modeling and testing to create a final design.

Abstract [sv]

1.2 miljarder människor runt om i världen, huvudsakligen i utvecklingsländer, har ingen tillgång till elektricitet. För att öka levnadsstandarden för dessa människor och möjliggöra socio-ekonomisk utveckling är det avgörande att försörja dessa områden med elektricitet.

I de rurala områdena runt om i världen använder 2.7 miljarder människor biomassa genom enkla spisar eller öppen eld för matlagning, belysning och värme. Detta leder till luftföroreningar inomhus vilka både är ohälsosamma och farliga att inhalera. I förlängningen leder det även till dödsfall i en för tidig ålder för 4 miljoner människor varje år. Bolivia är inget undantag då det är ett av Latinamerikas fattigaste länder. 1.2 miljoner bolivianer lever fortfarande utan tillgång till elektricitet och ved står för 47 % av energin använd för matlagning i landet.

En lösning för att minimera de för tidiga dödsfallen är att utveckla renare och effektivare spisar. En produkt som både kan lösa problemen med begränsad elektricitet och föroreningar inomhus är en utvecklad spis med integrerad elgenerering. Detta projekt kommer presentera första designförslaget i utvecklingen av en ny biomassaspis med integrerad Stirlingmotor, primärt anpassad till Bolivias rurala områden. Stirlingmotorn är en extern förbränningsmotor som kan konvertera termisk energi till elektricitet.

Genom litteratur- samt fältstudier insamlades information för att formulera en kravspecifikation. En Quality Function Deployment (QFD) utformades för att översätta kraven till tekniskt mätbara kvalitéer vilka gav riktlinjerna för fortsatt utveckling och ledde till att fem olika koncept genererades. Med hjälp av en Decision Matrix valdes det mest lovande konceptet av dem alla ut, detta var spisen MAYA: En stationär spis med plats för två kastruller, en förbränningskammare, ett askuttag samt en skorsten.

De förbrännings- och värmeöverföringsprocesser som sker i en spis är komplicerade och beror av många olika parametrar. Utvecklingen av en bra spisdesign måste ske via prototyptestning varför tillvägagångssättet för fortsatt design var att inspireras av lyckade utvecklade spisar och designprinciper. Detta resulterade i en 70 cm hög metallspis konstruerad med dubbla metallväggar med isolering emellan. De båda kastrullerna rymmer tillsammans 10 liter och är nedsänkta i spiskonstruktionen. För att skapa ett bra drag genom spisen har förbränningskammaren, rökgasgången och skorstenen samma tvärsnittsarea.

Tre olika placeringar föreslogs för en 95 We Stirlingmotorprototyp, slutgiltig placering måste utforskas vidare då den beror på temperaturerna i spisen. För att öka tillgängligheten på den producerade elektriciteten bör ett batteri kopplas till Stirlingmotorn. Ett batteri med kapacitet på 25 000 mAh visade sig vara tillräckligt för att lagra den dagligt producerade elen.

MAYA är ett designförslag baserat på designprinciper för vedspisar och kan användas i fysisk modellering för att utveckla en slutlig design.

Place, publisher, year, edition, pages
2016. , 87 p.
National Category
Mechanical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-190202OAI: oai:DiVA.org:kth-190202DiVA: diva2:952097
Supervisors
Examiners
Available from: 2016-08-11 Created: 2016-08-11 Last updated: 2016-08-11Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(7259 kB)54 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 7259 kBChecksum SHA-512
d1596350c952a7dc39f1e831c073e7c44aab2ed512f0bae2b766061e9406c536304533573ef1385d1fbe53785b22fb91252713aec435c6af11c5f6ed5f66a490
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Energy Technology
Mechanical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 54 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Total: 184 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link