Интернет журныл о промышленности в Украине

ВИКОРИСТАННЯ ДВИГАТЕЛЯ ЗОВНІШНЬОГО відпрацьованих газів ДЛЯ ВИРОБЛЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ

Матрунчик А.С.

ORCID: 0000-0003-0874-2933, Асистент, Пермський державний технічний університет

ВИКОРИСТАННЯ ДВИГАТЕЛЯ ЗОВНІШНЬОГО відпрацьованих газів ДЛЯ ВИРОБЛЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ

анотація

У даній статті розглянуті перспективи використання двигуна зовнішнього згоряння для генерації електричної енергії з високопотенційне і низькопотенційних джерел енергії. Представлені основні переваги та недоліки технології використання двигунів Стірлінга, розглянуто термодинамічний принцип роботи системи і її ефективності. Проаналізовано практичний приклад застосування установки, що використовує даний метод виробництва енергії, наведені технічні способи підвищення ефективності роботи установки.

Ключові слова: двигун Стірлінга, опалення, гаряче водопостачання, енергозбереження, електрична енергія, високопотенціальні джерела тепла, двигун зовнішнього згоряння.

Matrunchik AS

ORCID: 0000-0003-0874-2933, Assistant, Perm National Research Polytechnic University

EXTERNAL HEAT ENGINE USING FOR ELECTRICAL PRODUCTION

Abstract

This article discusses the prospects for the use of an external combustion engine to generate electric power from the high potential and low potential energy sources . The main advantages and disadvantages of using the technology of Stirling engines , considered the thermodynamic principle of the system and its effectiveness . Analyzed a practical example of the application installation, using this method of energy production, provides technical ways of increasing the efficiency of the unit .

Keywords: Stirling engine, heating, hot water, energy conservation, electricity, high thermal sources, external combustion engine.

В даний час питання використання енергозберігаючих технологій і відновлюваних енергетичних ресурсів займають провідні позиції державної політики Росії. Володіючи гігантським запасом природного біоматеріалу, наша країна не використовує весь його потенціал, а лише розглядає такі ресурси як сировина для експорту [2]. Прикладами пристроїв, які можуть з біоресурсів виробляти теплову та електричну енергію, є пристрої, що використовують двигун Стірлінга. Основною причиною відновлення інтересу до двигуна цього типу, винайденому ще в 1816г., Є його серйозні позитивні сторони [1]:

1) можливість використання різних джерел теплоти з високим і низьким температурним потенціалом;

2) висока економічність двигуна;

3) багатофункціональність двигуна (крім основного призначення можлива робота в холодильній машині)

4) низький рівень токсичності та димності газів, що видаляються за умови використання вуглеводневих палив;

5) робота двигуна не залежить від наявності атмосфери (існує перспектива використання систем даної технології при роботі на глибинах океану і в космосі);

6) показники по шуму і вібрації нижче, ніж у інших двигунів;

Варто також згадати і про слабкі сторони цього механізму:

1) відносна складність виробництва;

2) висока ціна виробництва через високу металоємності;

3) показник корисної дії нижче, ніж у двигунів внутрішнього згоряння.

Двигун Стірлінга використовує принцип температурного розширення: робоче тіло розширюється при підвищенні температури і стискається при її зниженні. Принциповий відмінністю двигуна з внутрішнім згорянням робочої речовини і двигуна зовнішнього згоряння, є спосіб підведення теплоти, який відбувається через теплообмінник між холодною і теплою стінкою, що означає постійну замкнутість робочого тепла.

Мал. 1 - Термодинамічний цикл Стірлінга

Термодинамічний цикл, запропонований Стірлінгом (рис. 1), включає в себе два процеси при незмінній температурі і два процесу при незмінному обсязі робочої речовини системи: 1-2 - втрата обсягу робочою речовиною по изотерме температури Tx з відведенням обсягу теплоти Qx, 2-3 - изохорический перенесення теплового обсягу для робочого тіла, 3-4 - розширення робочої речовини по изотерме температури T г з підведенням обсягу теплоти Q г, 4-1 - изохорический відведення теплоти робочої речовини.

Термодинамічний цикл Роберта Стірлінга є узагальненим циклом Карно, отже їх термічний ККД буде збігатися:

(1) (1)

За конструктивним характеристикам двигуни Стірлінга поділяються на альфа-модифікацію, бета-модифікацію і гамма-модифікацію [1]. Виробництво механізмів на основі двигунів Стірлінга існує, але в них використовується тільки висококалорійне паливо (наприклад, газ) - в цьому випадку, при використанні високопотенційного палива переваги пристроїв, що використовують технологію двигуна Стірлінга, незначні в порівнянні з двигунами внутрішнього згоряння.

Аналіз серійно вироблюваних машин Стірлінга, як двигунів, так і холодильних машин, показує, що більшість сучасних компаній намагаються виводити на ринок або ліцензовані, або модернізовані копії машин, раніше розроблених голландською компанією «Philips». Але такий підхід може призвести тільки до одного: копіювання вже існуючих технічних рішень, а, отже, до створення морально застарілої техніки. Саме цим пояснюються невисокі показники ефективності і обмежений ряд по потужності більшості існуючих машин Стірлінга.

В даний час швидкими темпами розвивається малоповерхове котеджне будівництво і зведення «таун-хаусів» (один будинок - одна система ГВП та опалення), а також системи локального поверхового опалення в багатоквартирних житлових будинках. Найчастіше, і в першому, і в другому випадку, для нагріву води на опалення і гаряче водопостачання використовується газовий котел, від якого відводяться продукти згоряння. Утилізація теплоти відхідних димових газів від котла і використання її в двигуні Стірлінга для генерації додаткової електричної енергії значно збільшить енергетичну ефективність системи опалення або гарячого водопостачання (рис. 2).

2)

Рис.2 - Схема установки з утилізатором

Принцип дії пристрою: в конструкцію газового котла поміщають двигун Стірлінга бета-модифікації, що використовує один циліндр, гарячий з одного кінця і холодний з іншого. Матеріал, що використовується в даній конструкції повинен мати хорошу теплопровідність. Одну частину конструкції поміщають в обсяг димової труби для газів високої температури, до іншої підводять контур холодного водопостачання, який дає невелике нагрівання води, що йде в гарячий контур, тим самим знижуючи навантаження на теплову продуктивність, і знижуючи температуру «холодної» частини конструкції двигуна. Робоче тіло, поперемінно стискаючи і розтискаючи, приведе в рух поршень, підключений до генератора електричної енергії. Різниця температур при цьому процесі буде досить висока, а якщо врахувати той факт, що йдуть димові гази зазвичай взагалі не користуються, таким способом можна акумулювати близько 80-90% теплоти відхідних димових газів, перетворивши їх в електроенергію з ККД 20-30%, що могло б вистачити на освітлення житлового будинку та підключення декількох побутових приладів-споживачів електроенергії. Прикладом такого пристрою є установка WhisperGen. Цей пристрій і готує теплоносій для потреб гарячого водопостачання та опалення, і утилізує тепло димових газів. WhisperGen microCHP має розміри порівнянні з посудомийній машиною. Через те, що все знаходиться в одному блоці, вдається уникнути втрат теплоти при русі димових газів. Природний газ спалюється в камері згоряння. Камера встановлена ​​у верхній частині конструкції. Вода проходить в водяній сорочці двигуна, де вона нагрівається і забезпечує охолодження для двигуна. При високому теплоспоживанні допоміжна пальник забезпечує додатковий нагрів. Двигун має чотири поршня, робоче тіло - азот. Технічні випробування установки проводилися на серії однакових зразків. Основні результати наведені в таблиці 1.

Таблиця 1 - Результати випробувань

Кількість пристроїв, шт Сумарний час роботи, ч Вироблено електроенергії, кВт * год 62 92730 79317

Пристрій має середнє значення корисної потужності близько 1,3 кВт.

Розвиток і впровадження двигунів Стірлінга прямо пов'язане з використанням в якості джерела підводиться тепла низькокалорійного палива, такого як вугілля і деревина, тому що при використанні висококалорійних палив, таких як нафтопродукти або газ, показник ККД установки, що використовує двигун внутрішнього згоряння буде вище. Перспективність досліджень двигунів із зовнішнім підведенням тепла в Росії обумовлені недостатнім показником оснащення мережами енергопостачання віддалених районів і територій, на яких міститься велика кількість доступної природної біомаси. Наприклад, використовуючи цю технологію в північних районах країни, можна домогтися енергетичної автономності господарств і людей від централізованих мереж постачання електроенергією.

література

  1. Г. Рідер, Ч. Хупер. Двигуни Стірлінга. М .: Світ, 1986. - 464с
  2. Сібікін Ю.Д., Сібікін М.Ю. Нетрадиційні поновлювані джерела енергії М .: ІП РадиоСофт, 2008. - 228 с.

References

  1. Reader, C. Hooper. Stirling engines.М .: Mir, 1986. - 464 p.
  2. Sibikin Iu.D., Sibikin M.Iu. Netraditsionnye vozobnovliaemye istochniki energii M .: IP RadioSoft, 2008. - 228 p.