CC BY
21
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Матрунчик Андрей Сергеевич
Аспирант, каф. Теплогазоснабжение, вентиляция и водоснабжение, во-доотведение, ПНИПУ, г.Пермь
АННОТАЦИЯ
В данной статье рассмотрены перспективы использования двигателя внешнего сгорания для регенерации энергии из высокопотенциальных ис-точников энергии. Представлены достоинства и недостатки технологии.
ABSTRACT
This article will consider the prospects of using external combu^ion engine for the regeneration of energy from high-grade energy sources. There are ad-vantages and disadvantages of that technology.
Ключевые слова: двигатель Стерлинга, отопление, горячее водоснабжение, энергосбережение, электрическая энергия, высокопотенциальные источники тепла, двигатель внешнего сгорания.
Keywords: Stirling engine, heating, hot water, energy conservation, electricity, high thermal sources, external combu^ion engine.
В настоящее время задача энергосбережения и повышения энергетиче-ской эффективности стоит одной из первоочередных в государстве. По этой причине возрос интерес к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии и устройствам, использующих их. Примерами устройств, которые могут из таких тепловых источников генерировать электричество, являются устройства, использующие двигатель Стерлинга. Основной причиной возоб-новления интереса к двигателю этого типа, изобретенному еще в 1816г., яв-ляются его серьезные положительные стороны:
1) способность работать от различных источников теплоты с высоким температурным потенциалом;
2) высокая экономичность двигателя;
3) многофункциональность двигателя (кроме основного назначения воз-можна работа в холодильной машине)
4) низкий уровень токсичности и дымности отработанных газов при условии использования углеводородных то-плив;
5) работа двигателя не зависит от наличия атмосферы (возможность ра-боты на подводных лодках и спутниках);
6) хорошие виброакустические характеристики;
Это делает реальным создание эффективных генераторов электроэнер-гии, работающих на подводимой теплоте для многих аппаратов и сфер ма-лой тепловой энергетики, что в современных условиях приобретает все большее значение.
Стоит также упомянуть и о слабых сторонах этого механизма:
1) относительная сложность производства;
2) высокая цена производства из-за высокой металлоемкости;
3) КПД ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания.
Двигатель Стерлинга работает по принципу сжатия холодного рабочего тела и расширения горячего. Однако в отличие от двигателей внутреннего сгорания подвод теплоты в цикле осуществляется через промежуточный теп-лооб-менник-нагреватель, а рабочее тело остается всегда в замкнутом контуре.
Рис. 1. Идеальный цикл Стирлинга.
Идеальный цикл Стирлинга (рис. 1) состоит из двух изотермических процессов и двух процессов с постоянным объемом. Процесс 1-2 - изотер-мическое сжатие рабочего вещества при температуре Тх с отводом теплоты Qx, процесс 2-3 - изохорический подвод теплоты от регенератора к рабочему веществу, процесс 3-4 - изотермическое расширение рабочего вещества при температуре Тг с подводом
теплоты Qг, процесс 4-1 - изохорический отвод теплоты рабочего вещества к регенератору, причем теплота, отводимая от рабочего вещества в процессе 4-1, подводится к рабочему веществу в процессе 2-3.
Идеальный цикл Стирлинга является обобщенным циклом Карно и имеет одинаковый с ним термический КПД:
Т
nt = 1 —^
(1)
По конструкции двигатели Стерлинга делятся на: аль-фа-Стирлинг, бета-Стирлинг и гамма-Стирлинг. Производство механизмов на основе двигате-лей Стирлинга существует, однако, в них используется только высокока-ло-рийное топливо (например, газ). В данном случае, при использовании высо-копотенциального топлива преимущества устройств с двигателем Стирлинга незначительны по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.
В России на базе научного потенциала с 2004 по 2008 гг., в г. Санкт-Петербурге было создано несколько компаний научно-производственного профиля для реализации ряда крупных проектов в области отечественного стирлингма-шиностроения. Так, в этот период специалистами ООО «Иннова-ционно-исследовательский центр «Стирлинг-тех-нологии», ЗАО «Русский Стирлинг» и ЗАО «Научно-исследовательский и проектный институт стир-лингмашиностро-ения» были проведены опытно-конструкторские работы по созданию гаражных заправочных станций сжиженного природного газа и систем улавливания паров нефтепродуктов на основе криогенных машин Стирлинга. Была разработана проектно-сметная и конструкторская докумен-тация на серийное изготовление данных систем. Также был реализован про-ект создания контейнерной электростанции с двигателем Стирлинга, работа-ющим на угольном метане. Анализ серийно производимых машин Стирлин-га, как двигателей, так и холодильных машин, показывает, что большинство современных компаний пытаются выводить на рынок либо лицензирован-ные, либо модернизированные копии машин, ранее разработанных гол-ландской компанией «Philips». Но такой подход может привести только к одному: копирова-
БЫГЯМЮН воздух
Ги
Суть устройства: внутрь газового котла устанавливают двигатель Стир-линга Р-типа, т.е. цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Стенки цилиндра необходимо делать из материалов с хорошей теп-лопрово-дностью. Одну часть помещают в дымовую трубу, где будут идти отработавшие газы с высокой температурой, другую можно совместить, к примеру, с водой, идущей на нагрев для горячего водоснабжения, т.е. ее в любом случае необходимо нагреть, а своей температурой (около 5°С) она будет охлаждать «холодную» часть цилиндра. Рабочее тело, попеременно сжимаясь и разжимаясь, будет двигать поршень,
нию уже существующих технических решений, а, следо-ва-тельно, к созданию морально устаревшей техники. Именно этим объяс-няются невысокие показатели эффективности и ограниченный ряд по мощ-ности большинства существующих машин Стирлинга. Усовершенствования идут по разным направлениям. Прежде всего, применен внешний регенера-тор теплоты, через который осуществлялась перекачка воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю под действием вытеснителя. Последовательно к регенератору во внешнем контуре был подключен радиатор. Регенератор аккумулирует теплоту воздуха, поступающего после расширения в холод-ную камеру. При течении воздуха в обратном направлении аккумулятор вновь отдает ему теплоту. Тем самым возрастает разница максимальной и минимальной температур цикла и теплоту необходимо отводить системой охлаждения. Радиатор, размещенный за регенератором, отводит только часть этой теплоты, остальная сохраняется в аккумуляторе и используется вновь. Вследствие этого не только увеличивается КПД двигателя, но и увели-чивается его максимальная частота вращения, что влияет на мощность и удельную массу двигателя. Теплота отработавших газов подогревателя ис-пользуется для повышения температуры свежего воздуха, подаваемого в его камеру сгорания.
В современных условиях строительства быстрыми темпами развивается малоэтажное коттеджное строительство (один дом - одна система ГВС и отопления), а также системы локального поэтажного отопления в многоквар-тирных 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 и использова-ние ее в двигателе Стирлинга для работы может составить существенную роль в целях энергосбережения (рис. 2).
30П1
г
подключенный к генерато-ру электрической энергии. Разность температур при этом процессе будет до-вольно высока, а если учесть тот факт, что уходящие дымовые газы обычно вообще никак не используют, данным способом можно аккумулировать око-ло 80-90% теплоты уходящих дымовых газов, превратив их в электроэнер-гию с КПД 20-30%, что могло бы хватить на освещение жилого дома и под-ключение нескольких бытовых приборов-потребителей электроэнергии. Примером такого устройства является установка WhisperGen. Данное устройство и приготавливает теплоноситель для нужд горячего водоснабже-ния и
Рис.2. Схема установки с утилизатором.
отопления, и утилизирует тепло уходящих дымовых газов. WhisperGen тюгаСНР имеет размеры сравнимые с посудомоечной машиной. Из-за того, что все находится в одном блоке, удается избежать потерь теплоты при дви-жении дымовых газов. Природный газ сжигается в камере сгорания. Камера установлена в верхней части конструкции. Вода проходит в водяной рубаш-ке двигателя, где она нагревает-
ся и обеспечивает охлаждение для двигателя. При высоком теплопотреблении вспомогательная горелка обеспечивает до-полнительный нагрев. Двигатель имеет четыре поршня, рабочее тело - азот. Технические испытания установки проводились на серии одинаковых образ-цов. Основные результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1
испытаний
Количество устройств, шт Суммарное время работы, ч Выработано электроэнергии, кВт*ч
62 92730 79317
Результаты расчетов показывают: одно устройство имеет среднее значе-ние полезной мощности около 1,3 кВт.
Исходя из всего вышесказанного, можно предположить, что новая волна развития использования двигателей Стир-линга может быть связана с низко-калорийным топливом таким как, например, уголь и древесина. Успех в со-здании конкурентоспособных на мировом рынке, высокоэффективных и эко-логически чистых машин Стирлинга может быть достигнут только как ре-зультат синтеза тщательной конструктивной проработки основных узлов машин Стирлин-
га, передовой технологии производства и высокого уровня научных исследований.
Список литературы:
1. Кашкаров А.П. Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции. М.: ДМК Пресс, 2011. - 144 с.
2. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии М.: ИП РадиоСофт, 2008. - 228 с.
ФОРМИРОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОМ СТРУКТУРЫ МАГНЕЗИАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Мирюк Ольга Александровна
д - р техн. наук, профессор, Рудненский индустриальный институт
FORMATION OF THE COMBINED STRUCTURE MAGNESIAN MATERIALS
Miryuk Olga
Doctor of technical sciences, professor,Rudny Indu&rial InMitute
АННОТАЦИЯ
В статье приведены результаты исследований влияния способов приго-товления масс на свойства и структуру магнезиальных композиций комбинированных структур. Обоснована целесообразность раздельного приготовления формовочных масс из магнезиальных композиций.
ABSTRACT
Results of researches of influence of ways of -mass preparation on proper-ties and Sructure of magnesium compositions of the combined Sructure are giv-en in article. Expediency of separate preparation of forming masses from magne-sium compositions is proved.
Ключевые слова: магнезиальные композиции; способы приготовления; структура.
Keywords: magnesium compositions; ways of preparation; Sructure.
Создание комбинированных структур направлено на со-вершенствова-ние свойств композитов за счет совмещения различных видов матрицы и ар-мирующего компонента. Необходимо развитие представлений о влиянии со-става матрицы на свойства строительных композиционных материалов.
Магнезиальные вяжущие, составляющей которых является оксид маг-ния, отличаются малой энергоемкостью производства, интенсивным тверде-нием, высокой прочностью, надежным сцеплением с заполнителями различного происхождения [1, с. 55]. Это предопределяет целесообразность формирования комбинированных структур на магнезиальной основе.
Возможности комбинаций для исследованных материалов расширяются также за счет сложного по составу смешанного магнезиального вяжущего, за счет разнообразия видов солевых затворителей.
Цель работы - исследование комбинации различного состава, объеди-няющие в структуре различные по размеру, форме и строению заполнители.
Формирование комбинированных структур нацелено на обоснование принципиальных подходов при создании композитов на основе комплексно-го использования техногенных материалов.
Разработанные нами композиционные материалы состоят из смешанно-го магнезиального вяжущего [2, с. 115]
