ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Матрунчик А.С.
ORCID: 0000-0003-0874-2933, Ассистент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Аннотация
В данной статье рассмотрены перспективы использования двигателя внешнего сгорания для генерации электрической энергии из высокопотенциальных и низкопотенциальных источников энергии. Представлены основные достоинства и недостатки технологии использования двигателей Стирлинга, рассмотрен термодинамический принцип работы системы и ее эффективности. Проанализирован практический пример применения установки, использующей данный метод производства энергии, приведены технические способы повышения эффективности работы установки.
Ключевые слова: двигатель Стирлинга, отопление, горячее водоснабжение, энергосбережение, электрическая энергия, высокопотенциальные источники тепла, двигатель внешнего сгорания.
Matrunchik A.S.
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 настоящее время вопросы использования энергосберегающих технологий и возобновляемых энергетических ресурсов занимают ведущие позиции государственной политике России. Обладая гигантским запасом природного биоматериала, наша страна не использует весь его потенциал, а лишь рассматривает такие ресурсы как сырьё для экспорта [2]. Примерами устройств, которые могут из биоресурсов производить тепловую и электрическую энергию, являются устройства, использующие двигатель Стирлинга. Основной причиной возобновления интереса к двигателю этого типа, изобретенному еще в 1816г., являются его серьезные положительные стороны [1]:
1) возможность использования различных источников теплоты с высоким и низким температурным потенциалом;
2) высокая экономичность двигателя;
3) многофункциональность двигателя (кроме основного назначения возможна работа в холодильной машине)
4) низкий уровень токсичности и дымности удаляемых газов при условии использования углеводородных топлив;
5) работа двигателя не зависит от наличия атмосферы (существует перспектива использования систем данной технологии при работе на глубинах океана и в космосе);
6) показатели по шуму и вибрации ниже, чем у других двигателей;
Стоит также упомянуть и о слабых сторонах этого механизма:
1) относительная сложность производства;
2) высокая цена производства из-за высокой металлоемкости;
3) показатель полезного действия ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания.
Двигатель Стирлинга использует принцип температурного расширения: рабочее тело расширяется при повышении температуры и сжимается при ее понижении. Принципиальный отличием двигателя с внутренним сгоранием рабочего вещества и двигателя внешнего сгорания, является способ подвода теплоты, который происходит через теплообменник между холодной и теплой стенкой, что означает постоянную замкнутость рабочего тепла.
Рис. 1 - Термодинамический цикл Стирлинга
Термодинамический цикл, предложенный Стирлингом (рис. 1), включает в себя два процесса при неизменяемой температуре и два процесса при неизменяемом объеме рабочего вещества системы: 1-2 – потеря объема рабочим веществом по изотерме температуры Tx с отводом объема теплоты Qx, 2-3 – изохорический перенос теплового объема для рабочего тела, 3-4 – расширение рабочего вещества по изотерме температуры Tг с подводом объема теплоты Qг, 4-1 – изохорический отвод теплоты рабочего вещества.
Термодинамический цикл Роберта Стирлинга является обобщенным циклом Карно, следовательно их термический КПД будет совпадать:
(1)
По конструктивным характеристикам двигатели Стирлинга подразделяются на альфа-модификацию, бета-модификацию и гамма-модификацию [1]. Производство механизмов на основе двигателей Стирлинга существует, но в них используется только высококалорийное топливо (например, газ) – в этом случае, при использовании высокопотенциального топлива преимущества устройств, использующих технологию двигателя Стирлинга, незначительны в сравнении с двигателями внутреннего сгорания.
Анализ серийно производимых машин Стирлинга, как двигателей, так и холодильных машин, показывает, что большинство современных компаний пытаются выводить на рынок либо лицензированные, либо модернизированные копии машин, ранее разработанных голландской компанией «Philips». Но такой подход может привести только к одному: копированию уже существующих технических решений, а, следовательно, к созданию морально устаревшей техники. Именно этим объясняются невысокие показатели эффективности и ограниченный ряд по мощности большинства существующих машин Стирлинга.
В настоящее время быстрыми темпами развивается малоэтажное коттеджное строительство и возведение «таун-хаусов» (один дом – одна система ГВС и отопления), а также системы локального поэтажного отопления в многоквартирных жилых домах. Зачастую, и в первом, и во втором случае, для нагрева воды на отопление и горячее водоснабжение используется газовый котел, от которого отводятся продукты сгорания. Утилизация теплоты уходящих дымовых газов от котла и использование ее в двигателе Стирлинга для генерации дополнительной электрической энергии значительно увеличит энергетическую эффективность системы отопления или горячего водоснабжения (рис. 2).
Рис.2 - Схема установки с утилизатором
Принцип действия устройства: в конструкцию газового котла помещают двигатель Стирлинга бета-модификации, использующую один цилиндр, горячий с одного конца и холодный с другого. Материал, используемый в данной конструкции должен иметь хорошую теплопроводностью. Одну часть конструкции помещают в объем дымовой трубы для уходящих газов высокой температуры, к другой подводят контур холодного водоснабжения, который дает небольшой нагрев воде, идущей в горячий контур, тем самым снижая нагрузку на тепловую производительность, и понижая температуру «холодной» части конструкции двигателя. Рабочее тело, попеременно сжимаясь и разжимаясь, будет двигать поршень, подключенный к генератору электрической энергии. Разность температур при этом процессе будет довольно высока, а если учесть тот факт, что уходящие дымовые газы обычно вообще никак не используют, данным способом можно аккумулировать около 80-90% теплоты уходящих дымовых газов, превратив их в электроэнергию с КПД 20-30%, что могло бы хватить на освещение жилого дома и подключение нескольких бытовых приборов-потребителей электроэнергии. Примером такого устройства является установка WhisperGen. Данное устройство и приготавливает теплоноситель для нужд горячего водоснабжения и отопления, и утилизирует тепло уходящих дымовых газов. WhisperGen microCHP имеет размеры сравнимые с посудомоечной машиной. Из-за того, что все находится в одном блоке, удается избежать потерь теплоты при движении дымовых газов. Природный газ сжигается в камере сгорания. Камера установлена в верхней части конструкции. Вода проходит в водяной рубашке двигателя, где она нагревается и обеспечивает охлаждение для двигателя. При высоком теплопотреблении вспомогательная горелка обеспечивает дополнительный нагрев. Двигатель имеет четыре поршня, рабочее тело – азот. Технические испытания установки проводились на серии одинаковых образцов. Основные результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Результаты испытаний
| Количество устройств, шт | Суммарное время работы, ч | Выработано электроэнергии, кВт*ч |
| 62 | 92730 | 79317 |
Устройство имеет среднее значение полезной мощности около 1,3 кВт.
Развитие и внедрение двигателей Стирлинга напрямую связано с использованием в качестве источника подводимого тепла низкокалорийного топлива, такого как уголь и древесина, потому что при использовании высококалорийных топлив, таких как нефтепродукты или газ, показатель КПД установки, использующее двигатель внутреннего сгорания будет выше. Перспективность исследований двигателей с внешним подводом тепла в России обусловлены недостаточным показателем оснащения сетями энергоснабжения удаленных районов и территорий, на которых содержится большое количество доступной природной биомассы. Например, используя данную технологию в северных районах страны, можно добиться энергетической автономности хозяйств и людей от централизованных сетей снабжения электроэнергией.
Литература
- Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. М.: Мир, 1986. – 464с
- Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии М.: ИП РадиоСофт, 2008. - 228 с.
References
- Reader, C. Hooper. Stirling engines.М.: Mir, 1986. – 464 p.
- Sibikin Iu.D., Sibikin M.Iu. Netraditsionnye vozobnovliaemye istochniki energii M.: IP RadioSoft, 2008. - 228 p.