EXPERIMENTAL AND NUMERICAL ANALYSIS OF A RECIPROCATING ENGINE OPERATED WITH NITROGEN PRODUCED USING THERMOCHEMICAL FLUIDS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis - Moises Jardin.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 11 March 2027. Available under License Creative Commons Attribution No Derivatives. Download (8MB)

Arabic Abstract

تهدف هذه الدراسة إلى بحث استخدام غاز النيتروجين، الناتج عن التفاعلات الكيميائية الحرارية، كسائل عامل في محرك التمدد الترددي. وانطلاقًا من الحاجة العالمية إلى حلول طاقة نظيفة ومستدامة، يستكشف هذا العمل بديلًا للمحركات الترددية التقليدية. وقد طُوِّرَ جهاز تجريبي لإنتاج النيتروجين من خلال تفاعلات مضبوطة تشمل أملاح الأمونيوم ونتريت الصوديوم، وذلك بتعديل وتشغيل محرك بخاري مُعاد استخدامه في ظل ظروف متغيرة. وقد مكّنت أجهزة قياس شاملة من قياس الضغط ودرجة الحرارة وسرعة الدوران والناتج الكهربائي. بالتوازي، صِيغَ نموذج رياضي باستخدام مبادئ الديناميكا الحرارية، وافتراضات الغاز المثالي، ومعادلات انتقال الحرارة الخاصة بالنيتروجين. يحاكي النموذج سلوك المحرك العابر خلال دورة تشغيل كاملة، وقد جرى التحقق من صحته باستخدام بيانات تجريبية. تُظهر النتائج توافقًا بين خصائص الضغط والتدفق المتوقعة والملاحظة، مما يُبرز إمكانات المحركات التي تعمل بالغاز الخامل لتوليد الطاقة الميكانيكية منخفضة الانبعاثات. توفر هذه النتائج إطارًا لمزيد من التحسين والتطبيق لمحركات التمدد التي تعمل بالطاقة الكيميائية.

English Abstract

This study investigates the use of nitrogen gas, generated from thermochemical reactions, as a working fluid in a reciprocating expansion engine. Motivated by the global need for clean, sustainable energy solutions, this work explores an alternative to conventional reciprocating engines. An experimental setup was developed to produce nitrogen through controlled reactions involving ammonium salts and sodium nitrite, operating a repurposed steam engine under varying conditions. Comprehensive instrumentation enabled the measurement of pressure, temperature, rotational speed, and electrical output. In parallel, a mathematical model was formulated using thermodynamic principles, ideal gas assumptions, and heat transfer correlations specific to nitrogen. The model simulates transient engine behavior across a full operating cycle and was validated against experimental data. Experimental results indicated that the engine produced an indicated power ranging from 0.56 W to 1.97 W at speeds between 181 and 340 rpm. The numerical model demonstrated strong agreement with these findings, predicting indicated power with deviations ranging from -10% to 23% across the tested operating points. Additionally, the lab-scale system achieved indicated efficiencies between 3.51% and 4.76%, with performance metrics confirming a positive correlation between efficiency and engine speed. To evaluate the scalability of this technology, the numerical model was adapted to simulate an industrial-scale engine geometry. This full-scale simulation yielded a mechanical efficiency of approximately 40%, demonstrating excellent agreement with established experimental benchmarks for commercial engines. These findings highlight the scalability and potential of inert gas-driven engines for low-emission mechanical power generation, providing a robust, validated framework for the further optimization of chemically powered expansion systems.