Применение нетрадиционных источников теплоты для Стирлинга

2. Применение нетрадиционных топлив и источников теплоты.

Сжигание низкокалорийных твердых топлив (дрова, уголь) предполагает использование топочных устройств с относительно большими объемами и площадью колосниковых решеток. Соответствующую конфигурацию должен иметь при этом и нагреватель двигателя Стирлинга.

Стирлинг-генератор для автономных когенерационных установок

Стирлинг-генератор для автономных когенерационных установок

Рис. 2. Стирлинг-генератор для автономных когенерационных установок

SCP 1-75.

Мощность 3 кВт, частота вращения 3000 мин-1, одноцилиндровый, процесс по β-схеме, размеры цилиндра 6/2,7, рабочее тело – гелий, максимальное давление 8…10 МПа, предельная температура нагревателя 1020 К. Масса ~70 кг. Эффективный КПД 18-28 %.

Разработан фирмой ТЕМ на основе механизма Карлквиста, в 1986-1995 гг. изготовлено 23 агрегата. На его основе создан когенерационный агрегат Herrmann Autonom S (1993 г.), вырабатывающий горячую воду и 2,8 кВт электроэнергии.

Здесь есть две возможности. Первая, — нагреватель проектируется по условиям теплообмена со стороны греющего газа, но его геометрия оказывается далеко не оптимальной для рабочего контура двигателя. Вторая, — двигатель снабжается системой передачи теплоты в виде тепловой трубы с жидкометаллическим теплоносителем, что дает возможность проектировать нагреватель исключительно по требованиям со стороны рабочего контура. Для двигателей, предназначенных для коттеджей или сельскохозяйственных целей, вследствие предубеждения об опасности использования жидких металлов и дороговизны тепловых труб в последнее десятилетие находят применение только нагреватели первого типа. Примером служит двигатель мощностью 40 кВт разработанный в Техническом университете Дании (рис. 3) [10, с.141], [5, с.525]. Двигатель в максимальной степени выражает идею «квадратной четверки». Здесь нагреватель, также как картер и расположение цилиндров, в плане имеет форму квадрата.

Двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга

Рис. 3. Двигатель Стирлинга «SM 3».

Мощность 40 кВт, 4 цилиндра двойного действия размером 14/7,4, рабочее тело — гелий, среднее давление 4 МПа, частота вращения вала 1015 мин-1, температура нагревателя 953 К. Картер под давлением с встроенным электрогенератором-стартером. Масса 1400 кг, габариты 1,3х0,8х1,2 м. Расчетный ресурс 50000 ч.

Предназначен для работы на дровах в составе децентрализованной когенерационной установки. Испытания начались в1997 г.

В результате нагреватель приобретает большую поверхность теплообмена, удобную для установки в печной топке форму, обеспечивается полная симметрия всех четырех рабочих контуров, отдельные элементы нагревателя и соединительных каналов выполняются из труб разного диаметра без использования литых и фрезерованных деталей сложной формы. Однако пять последовательных цилиндрических участков, соединенных между собой под прямым углом, предопределяют высокое гидравлическое сопротивление нагревателя и, как следствие, низкую частоту вращения коленчатого вала при нецелесообразности форсирования двигателя по оборотам и невозможность работы на воздухе в качестве рабочего тела.

В специальной литературе древесное топливо часто обозначается как биомасса. При этом, как правило, предполагается, что такие двигатели могут использовать несколько сортов топлива растительного происхождения (дрова, щепа, опилки, камыш, шелуха зерновых). Главное преимущество двигателей Стирлинга в таких установках — возможность работы на непосредственно топочном газе, без предварительного охлаждения и очистки. Учитывая особенности теплового баланса двигателей Стирлинга, а также то, что производство и продвижение на рынке значительно облегчатся, если двигатели будут приспособлены к существующим печным и котельным устройствам, такие установки предполагаются, как правило, в когенерационном варианте (производство электроэнергии и тепла). Достаточно осторожные оценки фирмы JOANNEUM RESEARCH (Австрия) показывают, что при температуре греющего газа 750…1000 ºС в электроэнергию может быть превращено 6,5% теплоты топлива, еще до 80% может быть передано в систему обогрева [5, с.613].

Остаются в разряде перспективных маломощные Стирлинг-генераторы с источником теплоты на радиоизотопах. Работы в этом направлении наиболее интенсивно ведутся в Великобритании применительно к удаленным навигационным объектам (радиомаяки, буи) для авиации и флота [5, с.361]. Источником теплоты служит стронций 90, первоначальный запас которого предполагает непрерывную эксплуатацию в течение более 10 лет. Вследствие необходимости радиационной и тепловой изоляции с высокой степенью надежности такой источник теплоты при мощности порядка 250 Вт имеет массу до 500 кг. Микродвигатель Стирлинга исполняется герметичным, с поршнем-сильфоном и со свободно-поршневым вытеснителем. Большие механические, тепловые и электрические потери обуславливают сравнительно невысокие КПД и электрическую мощность (около 4 % и 10 Вт соответственно). Другая негативная особенность радиоизотопных установок — уменьшение мощности в течение срока работы в пределах одной зарядки. Опыты показывают, что за 8…10 лет мощность источника теплоты уменьшается на 25…30%. Еще более острым, по-видимому, является вопрос о ресурсе и стабильности характеристик микродвигателя. Мощность опытного образца за 8 лет работы уменьшилась с 11 до 3 Вт.

По размаху ведущихся работ солнечные концентраторы не вполне правомерно причислять к нетрадиционным источникам теплоты. Практически все наиболее доведенные образцы двигателей Стирлинга ведущих мировых фирм были опробованы в составе таких установок: 4-95, 4-275, STM 4-120, V-160 (SOLO), NS-30A, двигатели фирм Cummins PG (2 варианта), HTC и др [6]. Тепловая способность концентраторов при благоприятных погодных условиях составляет ~1 кВт/м2. Как следствие, при достигнутом уровне эффективности двигателей Стирлинга можно рассчитывать на получение около 200 Вт электроэнергии с 1 м2 поверхности концентратора. Основные трудности при создании таких установок связаны с двумя обстоятельствами. Во-первых, необходимо учитывать для каждого агрегата географическую широту места установки и особенности погодных условий. В различных географических условиях радиационная мощность солнечных лучей при безоблачном небе составляет 850…2500 кВт/м2, при этом значительно различается и число солнечных дневных часов [5, с.503].

Во-вторых, концентраторы создают тепловое пятно с неравномерной плотностью теплового потока, конфигурация нагревателя в полной мере не соответствует этому тепловому пятну, и в результате при прямом обогреве температура стенки нагревателя может изменяться в широких пределах. Проблемы нагревателей оказываются схожими для таких двигателей и двигателей на биомассе. Однако, в этом случае значительно чаще для их разрешения применяются жидкометаллические тепловые трубы (Cummins PG, V-160, STM 4-120). Целенаправленные работы по созданию солнечного Стирлинг-генератора проводятся в ФРГ на базе двигателя V-160. На стендах опробованы несколько нагревателей, как с прямым нагревом, так и с использованием тепловых труб, в том числе было разработано комбинированное солнечно-горелочное устройство с натриевой тепловой трубой, обеспечивающее непрерывную работу двигателя при неблагоприятных погодных условиях и в ночное время [10, с.123], [9, с.103]. Необходимо отметить, что в этих работах выявилась тенденция перехода от коллекторных нагревателей и сложных конструкций тепловой трубы к нагревателям в виде длинных изогнутых трубок непосредственно от крышки горячего цилиндра к корпусу регенератора и к торообразной тепловой трубе с размещением трубок нагревателя на торцовой или внешней цилиндрической поверхности в наружных канавках. Причина этого заключается в стремлении уменьшить мертвые объемы, гидравлические сопротивления и тепловые перетечки по элементам конструкции.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *