Motori a combustione esterna

Un elemento importante dell'attuazione del programma di risparmio energetico è la fornitura di fonti autonome di elettricità e calore a piccole aree residenziali e consumatori lontani dalle reti centralizzate. Gli impianti innovativi per la generazione di elettricità e calore basati su motori a combustione esterna sono ideali per risolvere questi problemi. Come combustibile possono essere utilizzati sia i tipi tradizionali di combustibile che il gas di petrolio associato, il biogas ottenuto da trucioli di legno, ecc.

Gli ultimi 10 anni hanno visto l’aumento dei prezzi dei combustibili fossili, una maggiore attenzione alle emissioni di CO 2 e un crescente desiderio di abbandonare la dipendenza dai combustibili fossili e diventare autosufficienti dal punto di vista energetico. Questa è stata una conseguenza dello sviluppo di un enorme mercato per le tecnologie in grado di produrre energia dalla biomassa.

I motori a combustione esterna furono inventati quasi 200 anni fa, nel 1816. Insieme al motore a vapore, ai motori a combustione interna a due e quattro tempi, i motori a combustione esterna sono considerati uno dei principali tipi di motori. Sono stati sviluppati con l'obiettivo di creare motori più sicuri ed efficienti del motore a vapore. All'inizio del XVIII secolo la mancanza di materiali adeguati causò numerose vittime a causa dell'esplosione di macchine a vapore pressurizzate.

Un mercato significativo per i motori a combustione esterna si sviluppò nella seconda metà del XVIII secolo, in particolare nelle applicazioni più piccole dove potevano essere utilizzati in sicurezza senza la necessità di operatori qualificati.

Dopo l'invenzione del motore a combustione interna alla fine del XVIII secolo, il mercato dei motori a combustione esterna scomparve. Il costo di produzione di un motore a combustione interna è inferiore rispetto al costo di produzione di un motore a combustione esterna. Lo svantaggio principale dei motori a combustione interna è che per funzionare richiedono combustibili fossili puliti e che aumentano la quantità di CO2. Tuttavia, fino a poco tempo fa, il costo dei combustibili fossili era basso e alle emissioni di CO2 non veniva prestata sufficiente attenzione.

Principio di funzionamento di un motore a combustione esterna

A differenza del noto processo di combustione interna, in cui il carburante viene bruciato all'interno del motore, un motore a combustione esterna è azionato da una fonte di calore esterna. O, più precisamente, è guidato dalle differenze di temperatura create da fonti esterne di riscaldamento e raffreddamento.

Queste fonti esterne di riscaldamento e raffreddamento possono essere rispettivamente gas di scarico della biomassa e acqua di raffreddamento. Il processo fa ruotare un generatore montato sul motore, producendo energia.

Tutti i motori a combustione interna sono azionati da differenze di temperatura. I motori a benzina, diesel e a combustione esterna si basano sul fatto che per comprimere l'aria fredda è necessaria meno forza che per comprimere l'aria calda.

I motori a benzina e diesel aspirano l'aria fredda e la comprimono prima che venga riscaldata dal processo di combustione interna che avviene all'interno del cilindro. Dopo che l'aria sopra il pistone si è riscaldata, il pistone si sposta verso il basso, espandendo così l'aria. Poiché l'aria è calda, la forza che agisce sullo stelo è elevata. Quando il pistone raggiunge il fondo, le valvole si aprono e lo scarico caldo viene sostituito con aria nuova, fresca. Quando il pistone si muove verso l'alto, l'aria fredda viene compressa e la forza che agisce sullo stelo è inferiore rispetto a quando si muove verso il basso.

Il motore a combustione esterna funziona secondo un principio leggermente diverso. Non ci sono valvole, è sigillato ermeticamente e l'aria viene riscaldata e raffreddata utilizzando scambiatori di calore del circuito caldo e freddo. Una pompa integrata, azionata dal movimento del pistone, muove l'aria avanti e indietro tra i due scambiatori di calore. Durante il raffreddamento dell'aria nello scambiatore di calore del circuito freddo, il pistone comprime l'aria.

Una volta compressa, l'aria viene quindi riscaldata in uno scambiatore di calore a circuito caldo prima che il pistone si muova nella direzione opposta e utilizzi l'espansione dell'aria calda per alimentare il motore.

1. Introduzione………………………………3

2. Storia………………..………………………4

3. Descrizione................................................................................ 4

4. Configurazione…………………..……. 6

5. Svantaggi……………………..….. 7

6. Vantaggi…………….................................................. 7

7. Domanda………………….. 8

8. Conclusione………………………. undici

9. Elenco dei riferimenti……………………………………….. 12

introduzione

All’inizio del 21° secolo, l’umanità guarda al futuro con ottimismo. Ci sono le ragioni più convincenti per questo. Il pensiero scientifico non si ferma. Oggi ci vengono offerti sempre più nuovi sviluppi. Nelle nostre vite vengono introdotte tecnologie sempre più economiche, rispettose dell'ambiente e promettenti

Ciò riguarda innanzitutto la costruzione di motori alternativi e l’utilizzo dei cosiddetti “nuovi” combustibili alternativi: eolico, solare, idrico e altre fonti energetiche

Grazie a motori di vario tipo, una persona riceve energia, luce, calore e informazioni. I motori sono il cuore che batte al passo con lo sviluppo della civiltà moderna. Garantiscono la crescita della produzione e riducono le distanze. I motori a combustione interna attualmente diffusi presentano una serie di svantaggi: il loro funzionamento è accompagnato da rumore, vibrazioni, emettono gas di scarico dannosi, inquinando così il nostro ambiente e consumano molto carburante. Ma oggi un’alternativa esiste già. La classe di motori in cui il danno è minimo sono i motori Stirling. Funzionano a ciclo chiuso, senza continue microesplosioni nei cilindri di lavoro, praticamente senza emissione di gas nocivi, e richiedono molto meno carburante

Inventato molto prima del motore a combustione interna e del diesel, il motore Stirling fu immeritatamente dimenticato

Il risveglio dell'interesse per i motori Stirling è solitamente associato alle attività di Philips. I lavori per la progettazione di motori Stirling di piccola potenza iniziarono in azienda a metà degli anni '30 del XX secolo. L'obiettivo del lavoro era quello di realizzare un piccolo generatore elettrico a basso rumore e a trascinamento termico per alimentare apparecchiature radio in aree del mondo prive di fonti di alimentazione regolari. Nel 1958 la General Motors stipulò un accordo di licenza con la Philips e la loro collaborazione continuò fino al 1970. Gli sviluppi si sono concentrati sull'uso dei motori Stirling per centrali elettriche spaziali e sottomarine, automobili e navi, nonché per sistemi di alimentazione elettrica fissi. L'azienda svedese United Stirling, che concentrava i propri sforzi principalmente sui motori per veicoli pesanti, ha ampliato i propri interessi al campo dei motori per autovetture. Il vero interesse per il motore Stirling rinasce solo durante la cosiddetta “crisi energetica”. Fu allora che le potenziali capacità di questo motore in relazione al consumo economico del carburante liquido convenzionale sembravano particolarmente attraenti, il che sembrava molto importante in connessione con l'aumento dei prezzi del carburante

Storia

Il motore Stirling fu brevettato per la prima volta dal sacerdote scozzese Robert Stirling il 27 settembre 1816 (brevetto inglese n. 4081). Tuttavia, i primi “motori ad aria calda” elementari erano conosciuti alla fine del XVII secolo, molto prima di Stirling. Il risultato di Stirling fu l'aggiunta di un depuratore, che chiamò "economia". Nella moderna letteratura scientifica questo depuratore è chiamato “rigeneratore” (scambiatore di calore). Aumenta le prestazioni del motore trattenendo il calore in una parte calda del motore mentre il fluido di lavoro si raffredda. Questo processo migliora notevolmente l’efficienza del sistema. Nel 1843, James Stirling utilizzò questo motore nella fabbrica dove all'epoca lavorava come ingegnere. Nel 1938 la Philips investì in un motore Stirling con più di duecento cavalli e un rendimento superiore al 30%. Il motore Stirling presenta molti vantaggi ed era ampiamente utilizzato durante l'era dei motori a vapore.

Descrizione

Il motore di Stirling- un motore termico in cui un fluido di lavoro liquido o gassoso si muove in un volume chiuso, un tipo di motore a combustione esterna. Si basa sul riscaldamento e raffreddamento periodico del fluido di lavoro con l'estrazione di energia dalla conseguente variazione del volume del fluido di lavoro. Può funzionare non solo dalla combustione del carburante, ma anche da qualsiasi fonte di calore.

Nel XIX secolo gli ingegneri volevano creare un'alternativa sicura alle macchine a vapore dell'epoca, le cui caldaie spesso esplodevano a causa delle elevate pressioni del vapore e dei materiali inadatti alla loro costruzione. Una buona alternativa ai motori a vapore apparve con la creazione dei motori Stirling, che potevano convertire qualsiasi differenza di temperatura in lavoro. Il principio di base del funzionamento del motore Stirling è l'alternanza costante del riscaldamento e del raffreddamento del fluido di lavoro in un cilindro chiuso. Solitamente il fluido di lavoro è l'aria, ma vengono utilizzati anche idrogeno ed elio. Freon, biossido di azoto, propano-butano liquefatto e acqua sono stati testati in numerosi campioni sperimentali. In quest'ultimo caso l'acqua rimane allo stato liquido in tutte le parti del ciclo termodinamico. La particolarità dello stirling con fluido di lavoro liquido sono le sue dimensioni ridotte, l'elevata potenza specifica e le elevate pressioni di esercizio. Esiste anche Stirling con un fluido di lavoro a due fasi. È inoltre caratterizzato da un'elevata densità di potenza e da un'elevata pressione operativa.

Dalla termodinamica è noto che pressione, temperatura e volume di un gas sono correlati e seguono la legge dei gas ideali

, Dove:

• P - pressione del gas;
• V - volume del gas;
• n è il numero di moli di gas;
• R è la costante universale dei gas;
• T è la temperatura del gas in Kelvin.

Ciò significa che quando un gas viene riscaldato, il suo volume aumenta e quando si raffredda diminuisce. Questa proprietà dei gas è alla base del funzionamento del motore Stirling.

Il motore Stirling utilizza il ciclo Stirling, che non è inferiore in termini di efficienza termodinamica al ciclo di Carnot, e presenta anche un vantaggio. Il fatto è che il ciclo di Carnot è costituito da isoterme e adiabat che differiscono poco l'una dall'altra. L’attuazione pratica di questo ciclo non è promettente. Il ciclo Stirling ha permesso di ottenere un motore praticamente funzionante di dimensioni accettabili.

Il ciclo Stirling è composto da quattro fasi ed è diviso da due fasi di transizione: riscaldamento, espansione, transizione verso una fonte fredda, raffreddamento, compressione e transizione verso una fonte di calore. Pertanto, quando si passa da una fonte calda a una fonte fredda, il gas nel cilindro si espande e si contrae. La differenza nei volumi di gas può essere convertita in lavoro, che è ciò che fa il motore Stirling. Ciclo di lavoro del motore Stirling di tipo beta:

1

2

3

4

dove: a - pistone dislocante; b - pistone funzionante; c - volano; d - incendio (zona riscaldamento); e - alette di raffreddamento (zona di raffreddamento).

1. Una fonte di calore esterna riscalda il gas sul fondo del cilindro di scambio termico. La pressione creata spinge il pistone dislocante verso l'alto (notare che il pistone dislocante non si adatta perfettamente alle pareti).
2. Il volano spinge verso il basso il pistone volumetrico, spostando così l'aria riscaldata dal fondo nella camera di raffreddamento.
3. L'aria si raffredda e si contrae, il pistone si abbassa.
4. Il pistone dislocante si solleva verso l'alto, spostando così l'aria raffreddata nella parte inferiore. E il ciclo si ripete.

In una macchina Stirling, il movimento del pistone di lavoro è spostato di 90° rispetto al movimento del pistone dislocatore. A seconda del segno di questo spostamento, la macchina può essere un motore o una pompa di calore. Allo spostamento di 0, la macchina non produce alcun lavoro (ad eccezione delle perdite per attrito) e non lo produce.

Beta Stirling- c'è un solo cilindro, caldo da un lato e freddo dall'altro. Un pistone (da cui viene tolta l'energia) e un “dislocatore” si muovono all'interno del cilindro, modificando il volume della cavità calda. Il gas viene pompato dalla parte fredda della bombola alla parte calda attraverso un rigeneratore. Il rigeneratore può essere esterno, parte dello scambiatore di calore, oppure combinato con un pistone dislocatore.

Gamma Stirling- c'è anche un pistone e un "dislocatore", ma allo stesso tempo ci sono due cilindri: uno è freddo (lì si muove il pistone, da cui viene rimossa la potenza), e il secondo è caldo a un'estremità e freddo a l'altro (il “dislocatore” si sposta lì). Il rigeneratore collega la parte calda del secondo cilindro con quella fredda e contemporaneamente con il primo cilindro (freddo).

- un motore termico in cui un fluido di lavoro liquido o gassoso si muove in un volume chiuso, un tipo di motore a combustione esterna. Si basa sul riscaldamento e raffreddamento periodico del fluido di lavoro con l'estrazione di energia dalla conseguente variazione del volume del fluido di lavoro. Può funzionare non solo dalla combustione del carburante, ma anche da qualsiasi fonte di calore.

Puoi vedere la cronologia degli eventi legati allo sviluppo dei motori nel XVIII secolo in un interessante articolo - "La storia dell'invenzione dei motori a vapore". E questo articolo è dedicato al grande inventore Robert Stirling e alla sua idea.

Storia della creazione...

Il brevetto per l'invenzione del motore Stirling, stranamente, appartiene al prete scozzese Robert Stirling. Lo ricevette il 27 settembre 1816. I primi “motori ad aria calda” divennero noti al mondo alla fine del XVII secolo, molto prima di Stirling. Uno dei risultati più importanti di Stirling fu l'aggiunta di un depuratore, che lui stesso soprannominò "economia".

Nella moderna letteratura scientifica, questo purificatore ha un nome completamente diverso: "recuperatore". Grazie ad esso, le prestazioni del motore aumentano, poiché il pulitore trattiene il calore nella parte calda del motore e allo stesso tempo il fluido di lavoro viene raffreddato. Grazie a questo processo, l’efficienza del sistema aumenta notevolmente. Il recuperatore è una camera riempita di filo, granuli e lamina ondulata (le ondulazioni corrono lungo la direzione del flusso del gas). Il gas passa attraverso il bocchettone del recuperatore in una direzione, cede (o acquisisce) calore e, spostandosi nell'altra direzione, lo porta via (lo cede). Il recuperatore può essere anche esterno ai cilindri e può essere posizionato sul pistone dislocatore nelle configurazioni beta e gamma. Le dimensioni e il peso della macchina in questo caso sono inferiori. In una certa misura, il ruolo del recuperatore è svolto dallo spazio tra il dislocatore e le pareti del cilindro (se il cilindro è lungo, non è affatto necessario un tale dispositivo, ma si verificano perdite significative a causa della viscosità del gas). Nell'alpha-stirling il recuperatore può essere solo esterno. È montato in serie con uno scambiatore di calore, in cui il fluido di lavoro viene riscaldato dal lato freddo del pistone.

Nel 1843, James Stirling utilizzò questo motore nella fabbrica dove all'epoca lavorava come ingegnere. Nel 1938 la Philips investì in un motore Stirling con una potenza di oltre duecento cavalli e un rendimento superiore al 30%. Perché il Il motore di Stirling presenta molti vantaggi, era molto diffuso nell'era delle macchine a vapore.

Screpolatura.

Il consumo di materiale è il principale svantaggio del motore. Per i motori a combustione esterna in generale, e per il motore Stirling in particolare, il fluido di lavoro deve essere raffreddato e ciò comporta un notevole aumento del peso e delle dimensioni del propulsore a causa dei radiatori maggiorati.

Per ottenere caratteristiche paragonabili a quelle di un motore a combustione interna è necessario utilizzare pressioni elevate (oltre 100 atm) e tipi speciali di fluido di lavoro: idrogeno, elio.

Il calore non viene fornito direttamente al fluido di lavoro, ma solo attraverso le pareti degli scambiatori di calore. Le pareti hanno una conduttività termica limitata, il che si traduce in un'efficienza inferiore a quanto ci si potrebbe aspettare. Uno scambiatore di calore caldo funziona in condizioni di trasferimento di calore molto intense e a pressioni molto elevate, il che richiede l’uso di materiali costosi e di alta qualità. Creare uno scambiatore di calore che soddisfi requisiti contrastanti è molto difficile. Maggiore è l'area di scambio termico, minore è la perdita di calore. Allo stesso tempo aumentano le dimensioni dello scambiatore di calore e il volume del fluido di lavoro che non partecipa al lavoro. Poiché la fonte di calore è situata esternamente, il motore risponde lentamente ai cambiamenti nel flusso di calore al cilindro e potrebbe non produrre immediatamente la potenza richiesta all'avvio.

Per modificare rapidamente la potenza del motore vengono utilizzati metodi diversi da quelli utilizzati nei motori a combustione interna: un serbatoio di accumulo a volume variabile, una variazione della pressione media del fluido di lavoro nelle camere, una variazione dell'angolo di fase tra il pistone di lavoro e il dislocatore. In quest'ultimo caso, la risposta del motore all'azione di controllo del conducente è quasi istantanea.

Vantaggi.

Tuttavia, il motore Stirling presenta vantaggi che rendono necessario il suo sviluppo.

"Onnivoro" del motore - come tutti i motori a combustione esterna (o meglio, fornitura di calore esterna), il motore Stirling può funzionare da quasi tutte le differenze di temperatura: ad esempio, tra diversi strati dell'oceano, dal sole, da un nucleare o riscaldatore isotopico, stufa a carbone o legna, ecc.

Semplicità di design: il design del motore è molto semplice, non richiede sistemi aggiuntivi come un meccanismo di distribuzione del gas. Si avvia da solo e non necessita di avviatore. Le sue caratteristiche ti permettono di sbarazzarti del cambio. Tuttavia, come notato sopra, ha un maggiore consumo di materiale.

Maggiore durata: la semplicità del design, l'assenza di molte unità "delicate" consente a Stirling di fornire una durata di decine e centinaia di migliaia di ore di funzionamento continuo, senza precedenti per altri motori.

Economico: quando si converte l'energia solare in elettricità, i motori Stirling a volte forniscono una maggiore efficienza (fino al 31,25%) rispetto ai motori termici a vapore.

Motore silenzioso - Lo Stirling non ha scarico, il che significa che non fa rumore. Beta Stirling con meccanismo rombico è un dispositivo perfettamente bilanciato e, con una qualità di fabbricazione abbastanza elevata, non presenta nemmeno vibrazioni (l'ampiezza della vibrazione è inferiore a 0,0038 mm).

Rispettoso dell'ambiente: Stirling stessa non ha parti o processi che potrebbero contribuire all'inquinamento ambientale. Non consuma fluido di lavoro. La compatibilità ambientale del motore è dovuta principalmente alla compatibilità ambientale della fonte di calore. Vale anche la pena notare che garantire la combustione completa del carburante in un motore a combustione esterna è più semplice che in un motore a combustione interna.

Un'alternativa ai motori a vapore.

Nel 19° secolo, gli ingegneri cercarono di creare un'alternativa sicura ai motori a vapore dell'epoca, poiché le caldaie dei motori già inventati spesso esplodevano, incapaci di resistere all'elevata pressione del vapore e ai materiali che non erano affatto adatti per la loro fabbricazione e costruzione. Il motore di Stirling divenne una buona alternativa perché poteva convertire qualsiasi differenza di temperatura in lavoro. Questo è il principio base di funzionamento del motore Stirling. La costante alternanza di riscaldamento e raffreddamento del fluido di lavoro in un cilindro chiuso mette in movimento il pistone. Solitamente il fluido di lavoro è l'aria, ma vengono utilizzati anche idrogeno ed elio. Ma sono stati condotti esperimenti anche con l'acqua. La caratteristica principale del motore Stirling con fluido di lavoro liquido sono le dimensioni ridotte, l'elevata pressione di esercizio e l'elevata potenza specifica. Esiste anche Stirling con un fluido di lavoro a due fasi. Anche la potenza specifica e la pressione operativa sono piuttosto elevate.

Potresti ricordare dal tuo corso di fisica che quando un gas viene riscaldato, il suo volume aumenta e quando si raffredda, diminuisce. È questa proprietà dei gas che è alla base del funzionamento del motore Stirling. Il motore di Stirling utilizza il ciclo Stirling, che non è inferiore al ciclo di Carnot in termini di efficienza termodinamica, e per certi versi ne presenta anche un vantaggio. Il ciclo di Carnot è costituito da isoterme e adiabate che differiscono poco l'una dall'altra. L'attuazione pratica di un tale ciclo è complessa e poco promettente. Il ciclo Stirling ha permesso di ottenere un motore praticamente funzionante di dimensioni accettabili.

Ci sono quattro fasi nel ciclo Stirling, separate da due fasi di transizione: riscaldamento, espansione, transizione verso una fonte fredda, raffreddamento, compressione e transizione verso una fonte di calore. Passando da una fonte calda ad una fonte fredda, il gas contenuto nella bombola si dilata e si contrae. Durante questo processo si possono ottenere variazioni di pressione e lavoro utile. Il lavoro utile viene prodotto solo grazie a processi che si svolgono a temperatura costante, cioè dipende dalla differenza di temperatura tra il riscaldatore e il raffreddatore, come nel ciclo di Carnot.

Configurazioni

Gli ingegneri dividono i motori Stirling in tre diversi tipi:

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Contiene due pistoni di potenza separati in cilindri separati. Un pistone è caldo, l'altro è freddo. Il cilindro a pistone caldo si trova in uno scambiatore di calore a temperatura più elevata, mentre il cilindro a pistone freddo si trova in uno scambiatore di calore più freddo. Il rapporto potenza/volume è piuttosto elevato, ma l'elevata temperatura del pistone “caldo” crea alcuni problemi tecnici.

Beta Stirling- c'è un cilindro, caldo da un lato e freddo dall'altro. Un pistone (da cui viene tolta l'energia) e un “dislocatore” si muovono all'interno del cilindro, modificando il volume della cavità calda. Il gas viene pompato dalla parte fredda della bombola alla parte calda attraverso un rigeneratore. Il rigeneratore può essere esterno, come parte di uno scambiatore di calore, oppure può essere combinato con un pistone dislocatore.

C'è un pistone e un "dislocatore", ma allo stesso tempo ci sono due cilindri: uno è freddo (dove si muove il pistone, da cui viene rimossa la potenza), e il secondo è caldo da un lato e freddo dall'altro ( dove si muove il “dislocatore”). Il rigeneratore può essere esterno, in tal caso collega la parte calda del secondo cilindro con quella fredda e contemporaneamente con il primo cilindro (freddo). Il rigeneratore interno fa parte del dislocatore.

Principio di funzionamento

La tecnologia innovativa proposta si basa sull'uso di un motore a combustione esterna a quattro cilindri altamente efficiente. Questo è un motore termico. Il calore può essere fornito da una fonte di calore esterna o prodotto bruciando un'ampia gamma di combustibili all'interno di una camera di combustione.

Il calore viene mantenuto a temperatura costante in un compartimento del motore, dove viene convertito in idrogeno pressurizzato. Quando l'idrogeno si espande, spinge il pistone. Nel vano motore a bassa temperatura l'idrogeno viene raffreddato mediante accumulatori di calore e radiatori a liquido. Quando l'idrogeno si espande e si contrae, provoca un movimento alternativo del pistone, che viene convertito in movimento rotatorio da un piatto oscillante che aziona un generatore elettrico capacitivo standard. Il processo di raffreddamento dell’idrogeno produce anche calore, che può essere utilizzato per la produzione combinata di calore ed elettricità nei processi ausiliari.

descrizione generale

La centrale termoelettrica FX-38 è un modulo monomotore-generatore, che comprende un motore a combustione esterna, un sistema di combustione funzionante a propano, gas naturale, gas di petrolio associato, altri tipi di combustibile a media e bassa intensità energetica (biogas), un generatore induttivo, un sistema di controllo del motore, un alloggiamento resistente alle intemperie con sistema di ventilazione integrato e altre apparecchiature ausiliarie per il funzionamento in parallelo con una rete ad alta tensione.

La potenza elettrica nominale durante il funzionamento a gas naturale o biogas alla frequenza di 50 Hz è di 38 kW. Inoltre, l'impianto produce 65 kWh di calore recuperato con un sistema CHP opzionale.

L'FX-38 può essere dotato di una varietà di opzioni di raffreddamento per garantire flessibilità di installazione. Il prodotto è progettato per un facile collegamento ai contatti elettrici, ai sistemi di alimentazione del carburante e ai tubi del sistema di raffreddamento esterno, se presente.

Parti aggiuntive e opzioni

• Modulo di misurazione della potenza (fornisce il trasformatore di corrente installato per la lettura sul display dei parametri di corrente CA)
• Opzione di monitoraggio remoto tramite interfaccia RS-485
• Opzioni per radiatore integrato o montato a distanza
• Opzione carburante propano
• Opzione gas naturale
• Possibilità di utilizzare gas di petrolio associato
• Opzione carburante a basso consumo energetico

L'installazione dell'FX-48 può essere utilizzata in diverse opzioni come segue:

• Collegamento in parallelo alla rete ad alta tensione a 50 Hz, 380 VAC
• Modalità di cogenerazione di calore ed elettricità

Caratteristiche prestazionali dell'installazione

In modalità di produzione di energia elettrica e calore alla frequenza di 50 Hz, l'impianto produce 65 kWh di calore estratto. Il prodotto è dotato di un sistema di tubazioni pronto per il collegamento ad uno scambiatore di calore liquido/liquido fornito dal cliente. Lo scambiatore di calore del lato caldo è un design a circuito chiuso con un dispositivo di raffreddamento del carter motore e un radiatore di sistema integrato, se presente. Il lato freddo dello scambiatore di calore è progettato per i circuiti del dissipatore di calore del cliente.

Manutenzione

L'installazione è progettata per il funzionamento continuo e la presa di forza. I controlli di base delle prestazioni vengono eseguiti dal cliente a intervalli di 1.000 ore e comprendono il controllo del sistema di raffreddamento dell'acqua e del livello dell'olio. Dopo 10.000 ore di funzionamento, la parte anteriore dell'unità viene sottoposta a manutenzione per includere la sostituzione dell'anello del pistone, della guarnizione dello stelo, della cinghia di trasmissione e di varie guarnizioni. Viene controllata l'usura di specifici componenti chiave. La velocità del motore è di 1500 giri al minuto per funzionare a 50 Hz.

Continuità

Il funzionamento ininterrotto dell'unità è superiore al 95%, in base agli intervalli di funzionamento e viene preso in considerazione nel programma di manutenzione.

Livello di pressione sonora

Il livello di pressione sonora dell'unità senza radiatore integrato è di 64 dBA a una distanza di 7 metri. Il livello di pressione sonora di un'unità con radiatore integrato con ventole di raffreddamento è di 66 dBA a una distanza di 7 metri.

Emissioni

Quando si utilizza gas naturale, le emissioni del motore sono inferiori o uguali a 0,0574 g/Nm 3 NOx, 15,5 g/Nm 3 COV e 0,345 g/Nm 3 CO.

Combustibile gassoso

Il motore è progettato per funzionare con vari tipi di carburante gassoso con potere calorifico inferiore da 13,2 a 90,6 MJ/Nm 3 , gas di petrolio associato, gas naturale, metano da carbone, gas riciclato, propano e biogas proveniente da discariche di rifiuti solidi. Per coprire questa gamma, l'unità può essere ordinata con le seguenti configurazioni del sistema di alimentazione:

Il sistema di combustione richiede una pressione di alimentazione del gas controllata di 124-152 mbar per tutti i tipi di combustibile.

Ambiente

La versione standard dell'unità funziona a temperature ambiente da -20 a +50°C.

Descrizione dell'installazione

La centrale termoelettrica FX-38 è completamente pronta per la generazione di energia come fornita in fabbrica. Un quadro elettrico integrato è montato sull'unità per soddisfare i requisiti di interfaccia e controllo. Un display digitale resistente agli agenti atmosferici integrato nella console elettrica fornisce all'operatore un'interfaccia di avvio, arresto e riavvio tramite pulsante. Il quadro elettrico funge anche da punto di collegamento primario per i dispositivi terminali elettrici del cliente, nonché per i dispositivi terminali di comunicazione cablati.

L'unità è in grado di raggiungere la potenza in uscita a pieno carico in circa 3-5 minuti dall'avvio, a seconda della temperatura iniziale del sistema. La sequenza di avvio e installazione viene attivata premendo un pulsante.

Dopo il comando di avvio, l'impianto viene collegato alla rete ad alta tensione chiudendo il contattore interno alla rete. Il motore si avvia immediatamente, liberando la camera di combustione prima che le valvole del carburante si aprano. Una volta aperta la valvola del carburante, l'energia viene fornita all'accenditore, accendendo il carburante nella camera di combustione. La presenza di combustione viene rilevata da un aumento della temperatura del gas di lavoro, che innesca la procedura di controllo dell'accelerazione fino al punto di temperatura di esercizio. Dopodiché la fiamma rimane autosufficiente e costante.

Quando all'unità viene comandato l'arresto, la valvola del carburante viene prima chiusa per arrestare il processo di combustione. Dopo un tempo preimpostato durante il quale il meccanismo si raffredda, il contattore si aprirà, scollegando l'unità dalla rete. Se installate, le ventole del radiatore potrebbero funzionare per un po' per ridurre la temperatura del liquido di raffreddamento.

L'impianto utilizza un motore a combustione esterna a corsa costante collegato ad un generatore ad induzione standard. Il dispositivo funziona in parallelo con la rete ad alta tensione o in parallelo con il sistema di distribuzione dell'energia. Il generatore ad induzione non crea la propria eccitazione: riceve la sua eccitazione dalla rete elettrica collegata. Se la tensione di rete scompare, l'unità si spegne.

Descrizione dei componenti dell'installazione

Il design dell'unità ne garantisce la semplicità di installazione e collegamento. Sono presenti collegamenti esterni per tubi del carburante, terminali di alimentazione, interfacce di comunicazione e, se previsto, un radiatore esterno e un sistema di tubazioni per lo scambiatore di calore liquido/liquido. L'unità può essere ordinata completa di radiatore integrato o montato a distanza e/o sistema di tubazioni con scambiatore di calore liquido/liquido per il raffreddamento del motore. Vengono inoltre forniti strumenti di arresto sicuro e logica di controllo progettati specificatamente per la modalità operativa desiderata.

La custodia è dotata di due pannelli di servizio su ciascun lato del vano motore/generatore e di una porta esterna a cerniera singola per l'accesso al vano elettrico.

Peso di installazione: circa 1770 kg.

Il motore è un motore a combustione esterna a 4 cilindri (260 cm 3 /cilindro) che assorbe il calore della combustione continua del carburante gassoso nella camera di combustione interna e comprende i seguenti componenti integrati:

• Ventola che fornisce aria alla camera di combustione, azionata dal motore
• Filtro aria camera di combustione
• Sistema di alimentazione e rivestimento della camera di combustione
• Pompa dell'olio lubrificante, azionata dal motore
• Radiatore e filtro dell'olio lubrificante
• Pompa dell'acqua di raffreddamento del motore, azionata dal motore
• Sensore della temperatura dell'acqua nel sistema di raffreddamento
• Sensore di pressione dell'olio lubrificante
• Sensore di pressione e temperatura del gas
• Tutte le attrezzature di controllo e sicurezza necessarie

Di seguito le caratteristiche del generatore:

• Potenza nominale 38 kW a 50 Hz, 380 VCA
• Efficienza elettrica 95,0% con fattore di potenza 0,7
• Eccitazione dall'alimentazione di rete tramite eccitatrice del motore a induzione/generatore
• Meno del 5% di distorsione armonica totale da vuoto a pieno carico
• Classe di isolamento F

Interfaccia operatore: il display digitale fornisce il controllo dell'unità. L'operatore può avviare e arrestare l'unità dal display digitale, visualizzare i tempi di funzionamento, i dati operativi e gli avvisi/guasti. Installando il modulo opzionale di misurazione della potenza, l'operatore può visualizzare molti parametri elettrici come potenza generata, kilowattora, kilowatt-amp e fattore di potenza.

Le funzioni di diagnostica dell'apparecchiatura e di raccolta dati sono integrate nel sistema di controllo dell'installazione. Le informazioni diagnostiche facilitano la raccolta dati remota, il reporting dei dati e la risoluzione dei problemi del dispositivo. Queste funzioni includono la raccolta di dati di sistema come informazioni sullo stato operativo, tutti i parametri operativi meccanici come temperatura e pressione della bombola e, se è collegato un misuratore di potenza opzionale, parametri elettrici dei valori di potenza in uscita. I dati possono essere trasferiti tramite una porta di connessione RS-232 standard e visualizzati su un personal computer o laptop utilizzando un software di acquisizione dati. Per installazioni multiple o nei casi in cui la distanza di trasmissione del segnale supera le capacità di RS-232, viene utilizzata una porta RS-485 opzionale per ricevere i dati utilizzando il protocollo MODBUS RTU.

I tubi in acciaio inossidabile vengono utilizzati per trasportare i gas di scarico caldi lontano dal sistema di combustione. Uno smorzatore di scarico bilanciato con cappuccio protettivo da pioggia e neve è fissato al tubo di scarico all'uscita dall'involucro.

Per il raffreddamento possono essere utilizzate diverse tecnologie applicative e configurazioni:

Radiatore integrato – fornisce un radiatore progettato per temperature ambiente fino a +50°C. Tutti i tubi sono collegati in fabbrica. Questa è una tecnologia tipica se non viene utilizzato il recupero del calore di scarto.

Radiatore esterno – progettato per l'installazione del cliente, progettato per temperature ambiente fino a +50°C. Le gambe di supporto corte sono fornite con un dissipatore di calore per il montaggio su un tavolo di contatto. Se è necessaria l'installazione interna, questa opzione può essere utilizzata invece di fornire il sistema di ventilazione necessario per fornire aria di raffreddamento al radiatore integrato.

Sistema di raffreddamento esterno: fornisce un sistema di tubazioni all'esterno dell'armadio per un sistema di raffreddamento fornito dal cliente. Può essere uno scambiatore di calore o un radiatore montato a distanza.

Il refrigerante è composto per il 50% da acqua e per il 50% da glicole etilenico in volume: può essere sostituito con una miscela di glicole propilenico e acqua se necessario.

L'unità FX-38 utilizza l'idrogeno come fluido di lavoro per azionare i pistoni del motore grazie alle elevate capacità di trasferimento del calore dell'idrogeno. Durante il normale funzionamento, una quantità prevedibile di idrogeno viene consumata a causa delle normali perdite causate dalla permeabilità del materiale. Per soddisfare questo tasso di consumo, il sito di installazione richiede uno o più set di bombole di idrogeno regolate e collegate all'unità. All'interno dell'unità, un compressore di idrogeno integrato aumenta la pressione nel cilindro fino a raggiungere la pressione più elevata nel motore e inietta piccole quantità come richiesto dal software integrato. Il sistema integrato non richiede manutenzione e i cilindri sono sostituibili a seconda delle prestazioni del motore.

L'alimentazione del carburante è fornita con una filettatura del tubo standard da 1" per tutti i tipi di carburante standard, ad eccezione delle opzioni a basso consumo energetico che utilizzano una filettatura del tubo standard da 1 1/2". I requisiti di pressione del carburante per tutti i combustibili gassosi vanno da 124 a 152 mbar.

Il principio di base del funzionamento del motore Stirling è l'alternanza costante del riscaldamento e del raffreddamento del fluido di lavoro in un cilindro chiuso. Solitamente il fluido di lavoro è l'aria, ma vengono utilizzati anche idrogeno ed elio.

Il ciclo di funzionamento di un motore Stirling è composto da quattro fasi ed è diviso da due fasi di transizione: riscaldamento, espansione, transizione verso una fonte fredda, raffreddamento, compressione e transizione verso una fonte di calore. Pertanto, quando si passa da una fonte calda a una fonte fredda, il gas nel cilindro si espande e si contrae. Allo stesso tempo, la pressione cambia, grazie alla quale è possibile ottenere lavoro utile. Dato che le spiegazioni teoriche sono appannaggio degli esperti, ascoltarle a volte può essere noioso, passiamo quindi ad una dimostrazione visiva del funzionamento del motore Sterling.

Come funziona un motore Stirling?
1.Una fonte di calore esterna riscalda il gas nella parte inferiore del cilindro di scambio termico. La pressione creata spinge il pistone di lavoro verso l'alto.
2. Il volano spinge il pistone volumetrico verso il basso, spostando così l'aria riscaldata dal fondo nella camera di raffreddamento.
3. L'aria si raffredda e si comprime, il pistone di lavoro si abbassa.
4. Il pistone dislocante si solleva, spostando l'aria raffreddata verso la parte inferiore. E il ciclo si ripete.

In una macchina Stirling, il movimento del pistone di lavoro viene spostato di 90 gradi rispetto al movimento del pistone dislocatore. A seconda del segno di questo spostamento, la macchina può essere un motore o una pompa di calore. Con uno spostamento di 0 gradi la macchina non produce lavoro (tranne le perdite per attrito) e non lo genera.

Un'altra invenzione di Stirling che aumentò l'efficienza del motore fu il rigeneratore, ovvero una camera riempita di filo, granuli, lamina ondulata per migliorare il trasferimento di calore del gas in transito (nella figura il rigeneratore è sostituito dalle alette del radiatore di raffreddamento) .

Nel 1843, James Stirling utilizzò questo motore nella fabbrica dove all'epoca lavorava come ingegnere. Nel 1938, la Philips investì in un motore Stirling con oltre duecento cavalli e un'efficienza superiore al 30%.

Vantaggi del motore Stirling:

1. Onnivoro. Puoi utilizzare qualsiasi carburante, l'importante è creare una differenza di temperatura.
2. Basso rumore. Poiché il lavoro si basa sulla differenza di pressione del fluido di lavoro, e non sull'accensione della miscela, il rumore rispetto ad un motore a combustione interna è notevolmente inferiore.
3. Semplicità del design, quindi un elevato margine di sicurezza.

Tuttavia, tutti questi vantaggi nella maggior parte dei casi sono annullati da due grandi svantaggi:

1. Grandi dimensioni. Il fluido di lavoro deve essere raffreddato e questo comporta un notevole aumento di peso e dimensioni a causa dei radiatori maggiorati.
2. Bassa efficienza. Il calore non viene fornito direttamente al fluido di lavoro, ma solo attraverso le pareti degli scambiatori di calore; pertanto, le perdite di efficienza sono elevate.

Con lo sviluppo del motore a combustione interna, il motore Stirling è andato... no, non nel passato, ma nell'ombra. Viene utilizzato con successo come unità di potenza ausiliarie sui sottomarini, nelle pompe di calore nelle centrali termoelettriche, come convertitori di energia solare e geotermica in elettricità ed è associato a progetti spaziali per creare unità di potenza che funzionano con combustibile radioisotopico (il decadimento radioattivo avviene con il rilascio di temperatura, chi non lo sapeva). Chissà, forse un giorno il motore Stirling avrà un grande futuro!