В настоящее время задача энергосбережения и повышения энергетической 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 Стирлинга. Основной причиной возобновления интереса к двигателю этого типа, изобретенному еще в 1816г., являются 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 возможна работа в холодильной машине)
4) низкий уровень токсичности и дымности отработанных газов при условии использования углеводородных топлив;
5) работа двигателя не зависит от наличия атмосферы (возможность работы на подводных лодках и спутниках);
6) хорошие виброакустические характеристики;
Это делает реальным создание эффективных генераторов электроэнергии, работающих на подводимой теплоте для многих аппаратов и сфер малой 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 Стирлинга работает по принципу сжатия холодного рабочего тела и расширения горячего. Однако в отличие от двигателей внутреннего сгорания подвод теплоты в цикле осуществляется через промежуточный теплообменник-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 – изотермическое сжатие рабочего вещества при температуре Tx с отводом теплоты Qx, процесс 2-3 – изохорический подвод теплоты от регенератора к рабочему веществу, процесс 3-4 – изотермическое расширение рабочего вещества при температуре Tг 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:
По конструкции двигатели Стирлинга делятся на: альфа-Стирлинг, бета-Стирлинг и гамма-Стирлинг. Производство механизмов на основе двигателей Стирлинга существует, однако, в них используется только высококалорийное топливо (например, газ). В данном случае, при использовании высокопотенциального 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 стирлингмашиностроения. Так, в этот период специалистами ООО «Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии», ЗАО «Русский Стирлинг» и ЗАО «Научно-исследовательский и проектный институт стирлингмашиностроения» 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 документация на серийное изготовление данных систем. Также был реализован проект создания контейнерной электростанции с двигателем Стирлинга, работающим на угольном метане. 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. Усовершенствования идут по разным направлениям. Прежде всего, применен внешний регенератор 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 холодную 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 увеличивается его максимальная частота вращения, что влияет на мощность и удельную массу двигателя. Теплота отработавших газов подогревателя используется 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 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 и использование ее в двигателе Стирлинга для работы может составить существенную роль в целях энергосбережения (рис. 2).
Рис.2. Схема установки с утилизатором.
Суть устройства: внутрь газового котла устанавливают двигатель Стирлинга β-типа, т.е. цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Стенки цилиндра необходимо делать из материалов с хорошей теплопроводностью. 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, 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 |
Результаты расчетов показывают: одно устройство имеет среднее значение полезной мощности около 1,3 кВт.
Исходя из всего вышесказанного, можно предположить, что новая волна развития использования двигателей Стирлинга может быть связана с низкокалорийным топливом таким как, например, уголь и древесина. Успех в создании конкурентоспособных на мировом рынке, высокоэффективных и экологически чистых машин Стирлинга может быть достигнут только как результат синтеза тщательной конструктивной проработки основных узлов машин Стирлинга, передовой технологии производства и высокого уровня научных исследований.
Список литературы:
- Кашкаров А.П. Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции. М.: ДМК Пресс, 2011. — 144 c.
- Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии М.: ИП РадиоСофт, 2008. — 228 с.[schema type=»book» name=»ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ» description=»В данной статье рассмотрены перспективы использования двигателя внешнего сгорания для регенерации энергии из высокопотенциальных источ-ников энергии. Представлены достоинства и недостатки технологии. » author=»Матрунчик Андрей Сергеевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2016-12-27″ edition=»euroasia-science.ru_26-27.02.2016_2(23)» ebook=»yes» ]