CC BY
18\\\\\\\\\\\\ч
Научные разработки и исследования
Систематизация анаэробных силовых энергоустановок
I
В.И. Карагусов, профессор Омского государственного технического университета, д.т.н.
Двигатели внешнего сгорания на базе пульсационной трубы и термоакустики являются наиболее перспективными для транспортных и наземных автономных энергоустановок. В них могут отсутствовать механически подвижные детали и узлы, что определяет длительный ресурс, высокую надежность, минимальные шумы и вибрации. Для работы такие двигатели могут использовать любое топливо, практически не требуют обслуживания.
__Ключевые слова:
анаэробные энергоустановки, транспорт, двигатели Стирлинга, пульсационная труба, термоакустика, ресурс, шумы.
Енаэробными энергоустановками принято называть системы, которые не используют атмосферный воздух [1]. В широком смысле под анаэробными энергоустановками следует понимать не только классические системы, работающие с запасом газообразного или жидкого кислорода (воздух), но и системы, работающие от альтернативных источников энергии, не требующих кислорода.
К анаэробным следует отнести транспортные и стационарные системы: энергоустановки с запасами воздуха и кислорода; электрохимические энергоустановки, топливные элементы, дизельные и парогенераторные установки замкнутого цикла; орбитальные и наземные энергоустановки с питанием от солнечной энергии, энергии холода космического пространства, холода вечной мерзлоты, ледников и атмосферы; системы бесперебойного питания стратегических комплексов, вычислительных и управляющих центров; автономное энергоснабжение систем логистики и
жизнеобеспечения в полевых условиях и чрезвычайных обстоятельствах; обеспечение стабильности газо- и нефтепроводов в зоне вечной мерзлоты; автономное энергообеспечение удаленных потребителей (метеостанции, экспедиции, фермы и пр.).
На рис. 1 показана систематизация анаэробных энергоустановок по областям применения, на рис. 2 - по типу подводимой энергии.
В транспортных анаэробных энергоустановках на флоте наибольшее распространение получили атомные энергоблоки, в космосе - солнечные батареи. При всех достоинствах этих энергоустановок они имеют целый ряд недостатков.
В настоящее время некоторые страны занимаются разработкой анаэробных энергоустановок для водного транспорта на базе дизельных и парогенера-торных систем замкнутого цикла, электрохимических систем, топливных элементов и двигателей внешнего сгорания, работающих по циклу Стирлинга или близким к нему [2].
Сочима"'''
Научные разработки и исследования
к\\\\\\\\\\\\
Анаэробные энергоустановки
Транспортные
Стационарные
Судовые
Ракетные
Орбитальные
Наземные системы бесперебойного энергообеспечения
Наземные системы
автономного энергообеспечения удаленных потребителей
Рис. 1. Систематизация анаэробных энергоустановок по областям применения
Анаэробные энергоустановки
С запасами воздуха или кислорода с традиционными или
альтернативными видами топлива
Электрохимические
На топливных элементах
Солнечные
Радиационные
от холода космического пространства
На использовании тепловыделений оборудования
На атомной энергии
На эксергии холода вечной мерзлоты и других источников холода
Рис. 2. Систематизация анаэробных энергоустановок по типу подводимой энергии
Двигатели внешнего сгорания имеют ряд преимуществ перед двигателями внутреннего сгорания. В наибольшей степени эти преимущества могут быть реализованы в судовых и орбитальных энергоустановках [3-5]. Основное преимущество двигателей внешнего сгорания - возможность использования в них как традиционных топлив (бензин, дизельное
топливо), так и альтернативных (природный газ, спирты, солнечная, ядерная энергии, эксергия холода и пр.) [5-7]. Другими преимуществами двигателей внешнего сгорания (за исключением паровых, которые не будут рассматриваться в данной статье по понятным причинам) являются значительно более низкие уровни шумов и вибраций [1, 2, 5].
шшшшшшш
Рис. 3. Систематизация анаэробных термомеханических энергоустановок по термодинамическим циклам
Единственным анаэробным двигателем внешнего сгорания, который использовался и используется в транспортных (судовых) энергоустановках (еще раз отметим, что паровой двигатель здесь не рассматривается), является двигатель Стирлинга, который относится к термомеханическим системам [8].
Создание транспортных двигателей Стирлинга требует решения целого ряда технических и технологических задач, которые в настоящее время частично решены только в некоторых странах, производящих и ставящих серийные судовые двигатели Стирлинга в анаэробные системы автономного энергоснабжения на водном транспорте.
При всех положительных свойствах двигателя Стирлинга он обладает и рядом недостатков, таких как сравнительно большие габариты, масса, инерционность, малый ресурс, сложность регулирования. Но основными проблемами, сдерживающими применение двигателей Стирлинга, являются конструктивные и материа-ловедческие.
Для реализации анаэробных термомеханических двигателей внешнего сгорания можно использовать не только
цикл Стирлинга, но и другие. На рис. 3 приведена систематизация анаэробных термомеханических энергоустановок по термодинамическим циклам.
Цикл Карно, несмотря на то, что он является идеальным и эталонным, в реальных двигателях не используется из-за ряда технических сложностей. С другой стороны, идеальные циклы Стирлинга и Эриксона при сравнительно более простой реализации имеют такой же КПД, как и у идеального цикла Карно [9]:
Лкарно Лотирлинга Лэриксона 1.
Следует помнить, что в реальных машинах реализовать идеальные циклы не представляется возможным из-за ограничений, накладываемых теплообменом, гидравликой, механическими потерями и пр. В итоге в любом двигателе внешнего сгорания реализуется промежуточный цикл, который на Т,$ - и р, У-диаграммах напоминает овал, эллипс или огурец [10].
С точки зрения термодинамики существуют еще два вида систем, перспективных для создания двигателей внешнего сгорания: пульсационная труба и термоакустические системы [11-13].
Если проследить развитие схемотехники двигателей внешнего сгорания,
Сочима"'''
Научные разработки и исследования
к\\\\\\\\\\\\
то следует отметить следующий ряд (рис. 4): интегральные двигатели Стир-линга, имеющие жесткий привод поршней, например, через коленчатый вал [8]; машины сплит-Стирлинг с газовым приводом одного из поршней -вытеснителя [8]; пульсационная труба только с одним поршнем [11, 12]; термоакустические системы, которые могут быть выполнены вообще без поршней и подвижных деталей [5, 6].
Если принять, что главная задача анаэробных термомеханических энергоустановок - вырабатывать электрическую энергию, то следует признать, что достижение таких параметров, как высокие ресурс, надежность и КПД, низкие шумы, вибрации и периодичность регламентных работ, а также минимизация механически подвижных деталей и узлов, имеет первостепенное значение.
Из анаэробных термомеханических энергоустановок (см. рис. 4) наиболее перспективны пульсационная труба и термоакустические системы. В пуль-сационной трубе единственный свободный поршень может быть объединен
с ротором линейного электрогенератора. В термоакустической системе энергия акустической волны может вырабатывать электричество или холод для целей электрообеспечения, кондиционирования или охлаждения оптико-электронных приборов. Расчетные и экспериментальные исследования показывают, что машины на базе пульсаци-онной трубы и термоакустики по КПД не уступают машинам Стирлинга, а по ряду других параметров превосходят их [14].
В отличие от двигателей Стирлин-га в пульсационной трубе и термо акустической системе в «горячих» зонах отсутствуют поршни, нет трения, следовательно не требуется смазка (в том числе и сухая), также нет влияния вредных объемов и соответственно препятствий для развития внутренних теплообмен-ных поверхностей, что позволяет значительно улучшить массогабаритные характеристики.
Отсутствие подвижных узлов в «горячей» зоне упрощает требования к материалам и технологиям при
Рис. 4. Систематизация анаэробных термомеханических энергоустановок по типу машин
шшшшшшш
создании анаэробных термомеханических энергоустановок.
В заключение следует отметить, что анаэробные термомеханические энергоустановки на базе пульсационной трубы и термоакустики заметно проще по
конструкции, имеют меньшие себестоимость, массу и габариты в сравнении с двигателем Стирлинга, проще в обслуживании, у них больше ресурс. Их создание может быть основано на технологиях, разработанных в России.
Литература
1. Васильев В.А., Романов И.Д., Романова Е.А., Романов А.Д. История развития подводных лодок с воздухонезависимыми энергоустановками в России и СССР // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. - 2012. - № 4. - С. 192-201.
2. Кириллов Н.Г. Производство двигателя Стирлинга - новая отрасль в машиностроении XXI века // Турбины и дизели. - 2010. - № 2. - С. 2-5.
3. Карагусов В.И. Магнитокалорические двигатели внешнего сгорания на речных судах // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 2. - С. 38-41.
4. Карагусов В.И. Комбинированная магнитокалорическая силовая установка на речных судах // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 3. -С. 37-38.
5. Карагусов В.И., Карагусов И.В. Термоакустические охладители на солнечной энергии для орбитальных комплексов // Транспорт на альтернативном топливе. - 2014. - № 4. - С. 47-50.
6. Карагусов В.И. Реконденсация паров СПГ на речном транспорте // Транспорт на альтернативном топливе. - 2013. - № 1. - С. 11-12.
7. Карагусов В.И., Мальцев П. С. Бортовой термоакустический кондиционер на природном газе // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 4. -С. 45-47.
8. Уокер Г. Двигатели Стирлинга. - М.: Машиностроение, 1985. - 408 с.
9. Карагусов В.И., Карагусова Н.В. Установки и системы микрокриогенной техники / Учеб. пособие. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. - 88 с.
10. Карагусов В.И. Термодинамические циклы в редкоземельных рабочих телах магнитных систем охлаждения // Вестник Международной академии холода. - 1999. - № 3. - С. 20-23.
11. Шахметов Е.Б., Липин М.В., Карагусов В.И. Разработка одноступенчатого микроохладителя на базе пульсационной трубы холодопроизводитель-ностью 4 Вт на температурный уровень 80 К // Россия молодая: технологии -в промышленность. - 2013. - № 2. - С. 357-360.
12. Tyatyushkin N.V., Karagusov V.I., Baranov E.D., Karagusova E.E. Mathematical model of pulse-tube microcoolers // Chemical and Petroleum Engineering. -2003. - V. 39. - Issue 1-2. - P. 87-91.
13. Карагусов В.И., Юша В.Л., Карагусов И.В. Термоакустический ожижитель природного газа для заправки речных судов // Транспорт на альтернативном топливе. - 2013. - № 2. - С. 66-68.
14. Карагусов В.И., Тятюшкин Н.В., Карагусов И.В. Математическое моделирование и расчетные исследования термоакустической системы охлаждения // Химическое и нефтегазовое охлаждения. - 2014. - № 2. - С. 2-6.
