Размещено на http://www.allbest.ru/

ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ РФ

Азанов К.А.

Пермский национальный исследовательский политехнический университет E-mail: azanov.stf@yandex.ru

Объектом исследования являются двигатели внешнего сгорания. Цель работы - изучение возможности использования двигателей внешнего сгорания в условиях РФ. В процессе работы проводились теоретические исследования существующего оборудования, работающего с помощью двигателя внешнего сгорания. В результате исследования были выяснены границы научно-технического прогресса в области применения двигателя Стирлинга, также современное использование двигателей Стирлинга в энергетике. Работа имеет прикладной характер, результаты исследования можно применять для внедрения двигателей Стирлинга в системы тепло- и электроснабжения жилых и общественных зданий.

Ключевые слова: двигатель Стирлинга, микро-тэц, альтернативные источники энергии, солнечная панель, тепловой насос, автономные системы.

двигатель стирлинг электроснабжение здание

The objects of the study are external combustion engines. Objective to study the possibility of using external combustion engines in the conditions of the Russian Federation. In the course of work theoretical researches of the existing equipment working with the help of the engine of external combustion were conducted. As a result of research, we have found out borders of scientific and technical progress in a scope of the engine of Stirling, also modern use of engines of Stirling in energetic. Work has character of applied; results of research can be applied to introduction of engines of Stirling in systems of heat supply and electric power supply of residential and public buildings.

Keywords: Stirling's engine, Micro-CHP, alternative energy sources, the solar panel, heat pump, autonomous systems.

Введение

Системы энергоснабжения, в основе которых традиционные котельные установки, ещё недавно удовлетворяли существующие потребности общества и техники. Но с массовым потреблением природных ресурсов, увеличением выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, наличие энергетического и экономического кризиса, появились актуальные задачи, требующие своевременного решения. Один из способов решения представленных проблем является - использование двигателей внешнего сгорания в качестве альтернативного или дополнительного механизма получения энергии [5].

Двигатель внешнего сгорания - это тепловой двигатель, в котором происходит сжатие рабочего тела и его нагревание через стенку двигателя или в теплообменнике. Рабочее тело состоит из газообразных природных веществ (гелий, азот, сухой воздух и др.) Двигатель внешнего сгорания осуществляет работу по замкнутому термодинамическому циклу, в который входят две изотермы и две изохоры (рис. 1). Данный цикл был предложен в 1816 году шотландцем Робертом Стирлингом. Равенство термодинамической эффективности для идеального цикла Стирлинга определяется наличием двух изотерм, а также это характерно для цикла Карно. Поэтому машины, работающие по циклу Стирлинга - теоретически являются практически самыми высокоэффективными машинами из всех известных. [1]

Рисунок 1 - T--V диаграмма идеального цикла Стирлинга с регенератором

Двигатель, работающий по циклу Стирлинга, имеет много положительных особенностей, которые дают преимущество перед другими двигателями. Например, возможность создания двигателей, совсем абсолютно безвредных для экологии. Этот фактор может стать решающим для перехода на двигатели Стирлинга промышленными предприятиями, так как сегодня экологическая проблема является актуальной как в России, так и во всём мире. На территории Российской Федерации в области экологии, энергосбережения и природопользования на данный момент принято несколько крупных законодательных актов. Они направлены прежде всего на сокращение выбросов углекислого газа, остановки производства озоноразрушающих веществ и фреонов, а также ресурсо- и энергосбережение и т.д.

Двигатель Стирлинга имеет простую конструкцию (рис.2), которая способствует долгой работе механизма без поломок. Если в двигателе внутреннего сгорания предусматривают системы для запуска двигателя, системы для сжигания топлива и др., то в «Стирлинге» отсутствуют детали, которые, например, могут забиваться при сжигании топлива. Также при его работе производится очень мало шума, что является большим плюсом, в местах с особыми требованиями, например, в медицинских учреждениях.

Рисунок 2 - Схема двигателя Стирлинга

Несмотря на все свои преимущества, двигатель Стирлинга так и не получил такого широкого распространения, как например, газо-поршневые или газотурбинные двигатели внутреннего сгорания. Основным недостатком двигателя Стирлинга является высокая материалоемкость производства машин нужной мощности, также для производства машин Стирлинга необходимы жаростойкие сплавы и цветные металлы, их сварки и пайки. Рабочее тело двигателя нужно охлаждать, что приводит к значительному увеличению массы и габаритных размеров установки за счет увеличенных радиаторов. Достижение характеристик данного двигателя до уровня двигателей внутреннего сгорания требует достижения высоких давлений (свыше 100 атм) в цилиндре. Проблема возникает и при изготовлении регенератора и насадки для него, необходимо обеспечить с одной стороны высокую теплоемкость, а с другой стороны, низкое гидравлическое сопротивление.[2]

Чтобы сконструировать высокопроизводительный двигатель внешнего сгорания необходимо современное технологическое оборудование и требуется рабочий персонал высокой квалификации. Зарубежный опыт производства современных эффективных машин Стирлинга показывает, что необходимо точное математическое моделирование рабочих процессов, исходя из которого возможно оптимальное конструирование основных узлов, доводка проектируемых машин осуществляется путем долгих экспериментальных исследований.

Промышленное производство

Сегодня объем НИОКР по двигателям внешнего сгорания велик. Проблемами создания новых образцов машин Стирлинга и их производства озадачены более 140 крупных компаний и научно-исследовательских организаций, большинство из которых достигли значимых успехов, и уже вышли на серийное производство. [8]

Область применения двигателя Стирлинга разнообразна.

При невозможности подключения потребителей к тепловым, газовым и электрическим сетям рассматривают возможность использования двигателя внешнего сгорания в системах децентрализованного теплоснабжение на основе тепловых насосов и в автономных системах электроснабжения. Применение тепловых насосов, работающих по обратному циклу Стирлинга, позволит при удельных затратах в 1 кВт полезной мощности на привод насоса получить на выходе для теплоснабжения от 3 до 7 кВт тепла. [5]

В отличие от тепловых насосов, автономные системы электро- и теплоснабжения “Стирлинга” получают своё распространение за границей и всё больше фирм выпускают установки микро-ТЭЦ.

Микро-ТЭЦ (Комбинированные микроисточники тепловой и электрической энергии) -- это вариант реализации широко распространенной в настоящее время идеи когенерации энергии для одно/многосемейных домов и малых офисных зданий.

В Европе с классическими производителями энергии успешно конкурируют микро-ТЭЦ компании WhisperGen (Новая Зеландия) c двигателем Стирлинга. Уже продано порядка восьми тысяч данных устройств.

В г.Толоса (Испания) возводят завод, который будет по лицензии производить тридцать тысяч микро-ТЭЦ WhisperGen в год. Электрическая мощность порядка 1 кВт, тогда как тепловая мощность уже 5,5 кВт. Цена данных микро-ТЭЦ пока что высока (от 350 тысяч рублей). Фирмой Microgen (Великобритания) выпускается аналог данной конструкции микро-ТЭЦ.

Хотелось бы отметить преимущества микро-ТЭЦ с двигателем Стирлинга:

- Бесшумность. Уровень шума на расстоянии 2 м от работающей установки -- не более сорока децибел. Это позволяет нам устанавливать микро-ТЭЦ прямо в кухне (традиционное место газовых конденсационных котлов в европейских домах);

- Выработка оптимального количества горячей воды;

- Легкость и малые габориты. Размеры установки, микро-ТЭЦ (В Ч Ш Ч Д) составляют 650 Ч 500 Ч 450 мм, масса -- 137 кг. Следовательно, агрегат занимает в кухне столько же места, сколько стандартный духовой шкаф;

- Высокий ресурс работы без обслуживания (до 40 тыс. Ч): в установке отсутствует масло внутри цилиндра, отсутствуют фильтры и свечи зажигания, нет необходимости регулировать клапаны и систему пуска;

- Возможность использования любого вида топлива, даже альтернативного [7].

Совместно с микро-ТЭЦ практикуется использование вакуумных коллекторов и солнечных фотопанелей -- альтернативные источники тепла и электроэнергии. В период зимы эффективность работы фотопанелей очень низкая, но даже ее хватает для обеспечения работы циркуляционных насосов, которые поддерживают движение воды в системе ГВС, нагретой от вакуумных коллекторов. Летом наоборот, солнечные фотоэлектрические панели работают с максимальной отдачей электроэнергии, помимо всего можно ограничить время функционирования микро-ТЭЦ, сэкономить газообразное топливо и сберечь техресурс двигателя. [4]

В схему микро-ТЭЦ можно включить также дополнительную газовую горелку. Её используют для дополнительного нагрева воды при низкой температуре внешней среды.

Другим вариантом топлива для микро-ТЭЦ являются пеллеты -- альтернативное возобновляемое топливо. Уже сейчас они обходятся стоят на 30% ниже, чем природный газ (для европейских потребителей), и ожидается тенденция на снижение цены. Немецкая компания Sunmachine занялась производством когенерационные микро-ТЭЦ электрической мощностью 3 кВт с двигателем Стирлинга, в качестве топлива используют пеллеты. Аналогичные микро-ТЭЦ выпускаются в Австрии и Ирландии фирмой KWB. [5]

Оборудование эффективное для применения в РФ

Представленная продукция может не удовлетворять энергетической потребности российского потребителя. Чтобы понять какую минимальную мощность должен производить перспективный для России микро-ТЭЦ, подсчитано среднее потребляемое количество энергии загородным домом.

Перечислим на что расходуется энергия:

1. Установка микро-ТЭЦ- 0.5 кВт(э) - (электрическая энергия)

2. Водяные насосы - 2 кВт(э)

3. Освещение - 0.5 кВт(э)

4. Холодильник, телевизор, компьютер и т.д - 0.5 кВт(э)

5. Нагрев воды от 1 кВт(т) - (тепловая энергия)

6. Отопление 8 кВт(т) (дом 200 кв.м.)

Также учтены временные потребители:

1. Стиральная машина - 2 кВт(э)

2. Посудомоечная машина - 1.5 кВт(э)

3. Электрический чайник - 2 кВт(э)

4. Кондиционер - от 1кВт до 2.5 кВт(э)

5. СВЧ - 1 кВт(э)

(рассчитанно из условия, что включен один из временных потребителей (2,5 кВт))

Итого необходимо для обеспечения коттеджа примерно 6 кВт(э) и 9 кВт(т) энергии. [19]

Исходя из расчетов, можно сделать вывод, что представленные установки не дают необходимого количества энергии. Несмотря на это существуют более производительное оборудование, отличающееся большими габаритами. Шведская компания Сleanergy производит микро-ТЭЦ “GASBOX” относительно небольшого размера с электрической мощностью 2-9 кВт и тепловой мощностью 8-26 кВт и микро-ТЭЦ “Sunbox” с использованием солнечных панелей с номинальной мощностью на одну панель - 13 кВт [10]. Еще одна Шведская фирма Ripasso Energy выпускает двигатели Cтирлинга с солнечными панелями мощностью 33 кВт(е) [11]. Тем не менее, использование солнечных панелей на территории Российской Федерации выгодно только в южных городах страны, которых мало.

В России в последнее время также появились разработки микро-ТЭЦ. В НПП “Донские технологии” (г. Новочеркасск) разработали микроэнергокомплекс двух типоразмеров 5 кВт(э), 20 кВт(т) и 30 кВт(э), 200 кВт(т). В компании «Президент--Нева» Энергетический центр» (г.Санкт--

Петербург, г. Барнаул) можно заказать Газовую систему Стирлинга мощностью 9кВт(э), 26 кВт(т) [3].

Помимо использования двигателей Стирлинга в микро-ТЭЦ, нужно что технологии активно внедряют в промышленное холодильное оборудование, криогенную технику, анаэробные системы энергоснабжения, применяемые в подводных лодках и оборудовании, находящееся в пространстве космоса[6].

Заключение

Сегодня применение двигателей Стирлинга в энергетике Российской Федерации не актуально, но вследствие экономических и экологических факторов имеет место появление серийного производства «Стирлингов» в различных сферах, в частности теплоснабжения.

Список литературы

1. Даниловский Ю. Русский Stirling. Новые возможности старых систем. //http://metodolog.ru/node/220 (дата обращения 02.11.2015)

2. Инновации в энергетике: Двигатели внешнего сгорания // http:// http://www.energyunits.ru/ext_engine.php (дата обращения 02.11.2015)

3. Двигатели Стирлинга http://old.powercity.ru/site/ru/catalog/364.html (дата обращения 02.11.2015)

4. Аббасова Т.С. Oценка влияния КПД гелиоустановки на экологические и экономические показатели // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2011. №2. С.3-4.

5. Кириллов Н.Г. Стирлинг-технологии - прорыв в автономной энергетике XXI века// Энергия и промышленность России. 2004 №5

//http://www.eprussia.ru/epr/45/3045.htm?sphrase_id=97463(дата обращения 02.11.2015) 6. Смирнов Г.В. Двигатели внешнего сгорания //Знание 1967 С.18-20

7. Малоизвестное оборудование для производства электроэнергии.

//http://nnhpe.spbstu.ru/maloizvestnoe-oborudovanie-dlya-proizvodstva-elektroenergii/ (дата обращения 23.11.2015)

8. XXI век и холодильное дело:

//http://www.holodilshchik.ru/index_holodilshchik_issue_10_2008_TrendsXXI.htm (дата обращения 07.12.2015)

9. Удельный расход тепловой энергии на отопление здания: общие понятия//http://otopleniegid.ru/operacii/raschety/468-udelnyj-rashod-teplovoj-energii-na-otoplenie-zdaniya(дата обращения 07.12.2015)

10. Stirling CHP System. http://cleanergy.com /solutions/#chp-systems (дата обращения 06.12.2015)

11. Ripasso SPC. // http://www.ripassoenergy.com/our-technology (дата обращения 06.12.2015)

Размещено на Allbest.ru