Silniki spalinowe

Ważnym elementem realizacji programu oszczędności energii jest zapewnienie autonomicznych źródeł energii elektrycznej i ciepła małym osiedlom mieszkaniowym oraz odbiorcom oddalonym od scentralizowanych sieci. Do rozwiązania tych problemów najlepiej nadają się innowacyjne instalacje do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w oparciu o silniki spalinowe. Jako paliwo mogą być stosowane zarówno paliwa tradycyjne, jak i towarzyszący im gaz ropopochodny, biogaz otrzymywany ze zrębków drzewnych itp.

W ciągu ostatnich 10 lat obserwowaliśmy rosnące ceny paliw kopalnych, większy nacisk na emisje CO 2 oraz rosnące pragnienie uniezależnienia się od paliw kopalnych i uzyskania pełnej samowystarczalności energetycznej. Było to konsekwencją rozwoju ogromnego rynku technologii wytwarzania energii z biomasy.

Silniki spalinowe zostały wynalezione prawie 200 lat temu, w 1816 roku. Wraz z silnikiem parowym, dwu- i czterosuwowymi silnikami spalinowymi, silniki spalinowe są uważane za jeden z głównych typów silników. Zostały zaprojektowane w celu stworzenia silników, które byłyby bezpieczniejsze i wydajniejsze niż silnik parowy. Na samym początku XVIII wieku brak odpowiednich materiałów doprowadził do licznych zgonów w wyniku wybuchów ciśnieniowych maszyn parowych.

Znaczący rynek silników spalinowych rozwinął się w drugiej połowie XVIII wieku, zwłaszcza w związku z mniejszymi zastosowaniami, w których można je było bezpiecznie obsługiwać bez konieczności zatrudniania wykwalifikowanych operatorów.

Po wynalezieniu silnika spalinowego pod koniec XVIII wieku rynek silników spalinowych zniknął. Koszt produkcji silnika spalinowego jest niższy w porównaniu z kosztem produkcji silnika spalinowego zewnętrznego. Główną wadą silników spalinowych jest to, że wymagają one czystych paliw kopalnych, które zwiększają emisję CO2. Jednak do niedawna koszt paliw kopalnych był niski, a emisje CO2 były zaniedbywane.

Zasada działania silnika spalinowego

W przeciwieństwie do dobrze znanego procesu spalania wewnętrznego, w którym paliwo jest spalane wewnątrz silnika, silnik spalinowy o spalaniu zewnętrznym jest napędzany przez zewnętrzne źródło ciepła. A dokładniej, napędzają go różnice temperatur generowane przez zewnętrzne źródła ogrzewania i chłodzenia.

Tymi zewnętrznymi źródłami ogrzewania i chłodzenia mogą być odpowiednio gazy odlotowe z biomasy i woda chłodząca. Proces ten powoduje obrót generatora zamontowanego na silniku, dzięki czemu wytwarzana jest energia.

Wszystkie silniki spalinowe napędzane są różnicami temperatur. Silniki benzynowe, wysokoprężne i silniki spalinowe opierają się na fakcie, że do sprężenia zimnego powietrza potrzebny jest mniejszy wysiłek niż do sprężenia gorącego powietrza.

Silniki benzynowe i wysokoprężne zasysają zimne powietrze i sprężają je, zanim zostanie ogrzane w procesie spalania wewnętrznego zachodzącym w cylindrze. Po podgrzaniu powietrza nad tłokiem tłok przesuwa się w dół, przez co powietrze się rozpręża. Ponieważ powietrze jest gorące, siła działająca na tłoczysko jest duża. Gdy tłok osiągnie dno, zawory otwierają się, a gorące spaliny są zastępowane świeżym, świeżym, zimnym powietrzem. Kiedy tłok porusza się w górę, zimne powietrze jest sprężane, a siła działająca na tłoczysko jest mniejsza niż podczas ruchu w dół.

Silnik spalinowy działa na nieco innej zasadzie. Nie ma w nim zaworów, jest hermetycznie zamknięty, a powietrze jest ogrzewane i chłodzone za pomocą wymienników ciepła obiegu zimnego i gorącego. Zintegrowana pompa, napędzana ruchem tłoka, przemieszcza powietrze tam i z powrotem pomiędzy dwoma wymiennikami ciepła. Podczas chłodzenia powietrza w wymienniku ciepła obiegu zimnego tłok spręża powietrze.

Po sprężeniu powietrze jest następnie podgrzewane w wymienniku ciepła obwodu gorącego, zanim tłok zacznie poruszać się w przeciwnym kierunku i wykorzystać rozprężanie gorącego powietrza do napędzania silnika.

1. Wstęp…………………………………………………………………………… 3

2. Historia ……………………………………………………………………………… 4

3. Opis …………………………………………………………………………… 4

4. Konfiguracja …………………………………………………………………………………………………. 6

5. Wady ………………………………………………………………………….. 7

6. Korzyści ……………………………………………………………………… 7

7. Zgłoszenie ………………………………………………………………………. osiem

8. Zakończenie ………………………………………………………………………. jedenaście

9. Referencje ………………………………………………………….. 12

Wstęp

Na początku XXI wieku ludzkość patrzy w przyszłość z optymizmem. Istnieją ku temu najistotniejsze powody. Myśl naukowa nie stoi w miejscu. Dziś proponuje się nam coraz więcej nowych rozwiązań. W nasze życie wprowadza się coraz bardziej ekonomiczne, przyjazne dla środowiska i obiecujące technologie

Dotyczy to przede wszystkim alternatywnej budowy silników oraz wykorzystania tzw. „nowych” paliw alternatywnych: wiatru, słońca, wody i innych źródeł energii.

Dzięki różnego rodzaju silnikom człowiek otrzymuje energię, światło, ciepło i informacje. Silniki to serce, które bije w rytm rozwoju współczesnej cywilizacji. Zapewniają wzrost produkcji, zmniejszają odległości. Rozpowszechnione obecnie silniki spalinowe mają szereg wad: ich pracy towarzyszy hałas, wibracje, emitują szkodliwe spaliny, zanieczyszczając tym samym naszą przyrodę, zużywają dużo paliwa. Ale teraz jest dla nich alternatywa. Klasa silników, których szkoda jest minimalna, to silniki Stirlinga. Pracują w obiegu zamkniętym, bez ciągłych mikrowybuchów w cylindrach roboczych, praktycznie bez emisji szkodliwych gazów i zużywają znacznie mniej paliwa.

Wynaleziony na długo przed silnikiem spalinowym i olejem napędowym, silnik Stirlinga został niezasłużenie zapomniany.

Odrodzenie zainteresowania silnikami Stirlinga zwykle wiąże się z firmą Philips. Prace nad konstrukcją silników Stirlinga małej mocy rozpoczęły się w firmie w połowie lat 30. XX wieku. Celem pracy było stworzenie małego, cichego, napędzanego termicznie generatora elektrycznego do zasilania urządzeń radiowych w rejonach świata pozbawionych stałego zasilania. W 1958 roku General Motors zawarł umowę licencyjną z firmą Philips, a ich współpraca trwała do 1970 roku. Rozwój związany był z zastosowaniem silników Stirlinga w elektrowniach kosmicznych i podwodnych, samochodach i statkach, a także w stacjonarnych systemach zasilania. Szwedzka firma United Stirling, która skoncentrowała swoje wysiłki głównie na silnikach do pojazdów ciężarowych, rozszerzyła swoje zainteresowania na dziedzinę silników do samochodów osobowych. Prawdziwe zainteresowanie silnikiem Stirlinga odżyło dopiero w okresie tzw. „kryzysu energetycznego”. Wtedy właśnie potencjał tego silnika w stosunku do ekonomicznego zużycia konwencjonalnych paliw płynnych wydawał się szczególnie atrakcyjny, co wydawało się bardzo istotne w związku ze wzrostem cen paliw.

Fabuła

Silnik Stirlinga został po raz pierwszy opatentowany przez szkockiego duchownego Roberta Stirlinga 27 września 1816 r. (patent angielski nr 4081). Jednak pierwsze elementarne „silniki na ogrzane powietrze” znane były pod koniec XVII wieku, na długo przed Stirlingiem. Osiągnięciem Stirlinga jest dodanie środka czyszczącego, który nazwał „ekonomią”. We współczesnej literaturze naukowej ten oczyszczacz nazywany jest „regeneratorem” (wymiennikiem ciepła). Zwiększa osiągi silnika, utrzymując ciepło w ciepłej części silnika, podczas gdy płyn roboczy jest chłodzony. Proces ten znacznie poprawia wydajność systemu. W 1843 roku James Stirling użył tego silnika w fabryce, w której pracował wówczas jako inżynier. W 1938 roku Philips zainwestował w silnik Stirlinga o mocy ponad 200 koni mechanicznych i sprawności ponad 30%. Silnik Stirlinga ma wiele zalet i był szeroko stosowany w epoce silników parowych.

Opis

Silnik Stirlinga- silnik cieplny, w którym ciekły lub gazowy płyn roboczy porusza się w zamkniętej objętości, rodzaj silnika spalinowego. Polega na okresowym podgrzewaniu i schładzaniu płynu roboczego z wydobyciem energii z wynikającej z tego zmiany objętości płynu roboczego. Może pracować nie tylko ze spalania paliwa, ale także z dowolnego źródła ciepła.

W XIX wieku inżynierowie chcieli stworzyć bezpieczną alternatywę dla ówczesnych maszyn parowych, których kotły często eksplodowały z powodu wysokiego ciśnienia pary i nieodpowiednich materiałów do ich budowy. Dobrą alternatywą dla silników parowych było stworzenie silników Stirlinga, które mogły przekształcić każdą różnicę temperatur w pracę. Podstawową zasadą działania silnika Stirlinga jest ciągłe naprzemienne ogrzewanie i chłodzenie płynu roboczego w zamkniętym cylindrze. Zwykle powietrze działa jako płyn roboczy, ale stosuje się również wodór i hel. Freony, dwutlenek azotu, skroplony propan-butan i woda zostały przebadane w szeregu próbek doświadczalnych. W tym drugim przypadku woda pozostaje w stanie ciekłym we wszystkich częściach cyklu termodynamicznego. Cechą Stirlinga z ciekłym płynem roboczym jest jego mały rozmiar, duża gęstość mocy i wysokie ciśnienie robocze. Jest też stirling z dwufazowym płynem roboczym. Charakteryzuje się również dużą mocą właściwą, wysokim ciśnieniem roboczym.

Z termodynamiki wiadomo, że ciśnienie, temperatura i objętość gazu są ze sobą powiązane i podlegają prawu gazów doskonałych

, gdzie:

• P - ciśnienie gazu;
• V to objętość gazu;
• n to liczba moli gazu;
• R jest uniwersalną stałą gazową;
• T to temperatura gazu w kelwinach.

Oznacza to, że gdy gaz jest podgrzewany, jego objętość wzrasta, a gdy jest chłodzony, maleje. Ta właściwość gazów jest podstawą działania silnika Stirlinga.

Silnik Stirlinga wykorzystuje cykl Stirlinga, który nie ustępuje cyklowi Carnota pod względem wydajności termodynamicznej, a nawet ma przewagę. Faktem jest, że cykl Carnota składa się z izoterm i adiabatów, które niewiele się od siebie różnią. Praktyczna realizacja tego cyklu nie jest obiecująca. Cykl Stirlinga pozwolił uzyskać praktycznie działający silnik o akceptowalnych wymiarach.

Cykl Stirlinga składa się z czterech faz i jest oddzielony dwiema fazami przejściowymi: ogrzewaniem, rozprężaniem, przejściem do źródła zimna, ochłodzeniem, sprężaniem i przejściem do źródła ciepła. Tak więc, przechodząc z ciepłego źródła do zimnego źródła, gaz w cylindrze rozszerza się i kurczy. Różnicę w objętości gazu można zamienić na pracę, co robi silnik Stirlinga. Cykl pracy silnika Stirlinga typu Beta:

1

2

3

4

gdzie: a - tłok wyporowy; b - tłok roboczy; c - koło zamachowe; d - ogień (obszar grzewczy); e - żebra chłodzące (obszar chłodzenia).

1. Zewnętrzne źródło ciepła ogrzewa gaz na dnie cylindra wymiennika ciepła. Wytworzone ciśnienie popycha tłok roboczy do góry (należy zwrócić uwagę, że tłok wypychający nie przylega ściśle do ścianek).
2. Koło zamachowe popycha tłok wyporowy w dół, przesuwając w ten sposób ogrzane powietrze od dołu do komory chłodzącej.
3. Powietrze ochładza się i kurczy, tłok przesuwa się w dół.
4. Tłok wyporowy podnosi się, przesuwając w ten sposób schłodzone powietrze na dno. I cykl się powtarza.

W maszynie Stirlinga ruch tłoka roboczego jest przesunięty o 90° w stosunku do ruchu tłoka przemieszczającego. W zależności od znaku tego przesunięcia maszyną może być silnik lub pompa ciepła. Przy przesunięciu równym 0 maszyna nie wykonuje żadnej pracy (poza stratami tarcia) i jej nie wykonuje.

Betę Stirling- jest tylko jeden cylinder, gorący na jednym końcu i zimny na drugim. Tłok (z którego jest odłączane zasilanie) i „wypornik” poruszają się wewnątrz cylindra, zmieniając objętość gorącej wnęki. Gaz jest pompowany z zimnej części cylindra do gorącej przez regenerator. Regenerator może być zewnętrzny, stanowić część wymiennika ciepła lub być połączony z tłokiem wyporowym.

Gamma Stirlinga- jest też tłok i "wypornik", ale jednocześnie są dwa cylindry - jeden zimny (tam porusza się tłok, z którego odłączana jest moc), a drugi z jednego końca gorący, a z drugiego zimny (przemieszcza się tam „wysiedleniec”). Regenerator łączy gorącą część drugiego cylindra z zimną i jednocześnie z pierwszym (zimnym) cylindrem.

- silnik cieplny, w którym ciekły lub gazowy płyn roboczy porusza się w zamkniętej objętości, rodzaj silnika spalinowego. Polega na okresowym podgrzewaniu i schładzaniu płynu roboczego z wydobyciem energii z wynikającej z tego zmiany objętości płynu roboczego. Może pracować nie tylko ze spalania paliwa, ale także z dowolnego źródła ciepła.

Chronologię wydarzeń związanych z rozwojem silników XVIII wieku można prześledzić w ciekawym artykule – „Historia wynalezienia parowozów”. A ten artykuł jest poświęcony wielkiemu wynalazcy Robertowi Stirlingowi i jego pomysłowi.

Historia stworzenia...

Co dziwne, patent na wynalazek silnika Stirlinga należy do szkockiego księdza Roberta Stirlinga. Otrzymał go 27 września 1816 r. Pierwsze „silniki na ogrzane powietrze” stały się znane światu pod koniec XVII wieku, na długo przed Stirlingiem. Jednym z ważnych osiągnięć Stirlinga jest dodanie oczyszczacza, nazwanego przez niego „gospodynią”.

We współczesnej literaturze naukowej ten środek czyszczący ma zupełnie inną nazwę - „rekuperator”. Dzięki niemu zwiększa się wydajność silnika, ponieważ środek czyszczący zatrzymuje ciepło w ciepłej części silnika, a jednocześnie chłodzi się płyn roboczy. Dzięki temu procesowi znacznie zwiększa się wydajność systemu. Rekuperator to komora wypełniona drutem, granulatem, folią falistą (pofałdowania biegną wzdłuż kierunku przepływu gazu). Gaz przepływając przez wlew rekuperatora w jednym kierunku oddaje (lub odbiera) ciepło, a poruszając się w drugim kierunku je odbiera (oddaje). Rekuperator może być zewnętrzny w stosunku do cylindrów i może być umieszczony na tłoku wypornika w konfiguracjach beta i gamma. Wymiary i waga maszyny w tym przypadku są mniejsze. W pewnym stopniu rolę rekuperatora pełni szczelina między wypornikiem a ściankami cylindra (jeśli cylinder jest długi, to takie urządzenie w ogóle nie jest potrzebne, ale pojawiają się znaczne straty ze względu na lepkość gaz). W alfa Stirling wymiennik ciepła może być tylko zewnętrzny. Montowany jest szeregowo z wymiennikiem ciepła, w którym od strony zimnego tłoka podgrzewany jest płyn roboczy.

W 1843 roku James Stirling użył tego silnika w fabryce, w której pracował wówczas jako inżynier. W 1938 roku Philips zainwestował w silnik Stirlinga o mocy ponad dwustu koni mechanicznych i zwrocie przekraczającym 30%. Ponieważ Silnik Stirlinga ma wiele zalet, był szeroko rozpowszechniony w dobie parowozów.

Wady.

Zużycie materiału jest główną wadą silnika. W przypadku silników spalinowych ogólnie, aw szczególności silnika Stirlinga, płyn roboczy musi być chłodzony, co prowadzi do znacznego wzrostu masy i wymiarów elektrowni z powodu powiększonych chłodnic.

Aby uzyskać charakterystyki porównywalne z silnikiem spalinowym konieczne jest zastosowanie wysokich ciśnień (powyżej 100 atm) oraz specjalnych rodzajów płynu roboczego - wodór, hel.

Ciepło nie jest dostarczane bezpośrednio do płynu roboczego, ale tylko przez ściany wymienników ciepła. Ściany mają ograniczoną przewodność cieplną, przez co wydajność jest niższa od oczekiwanej. Gorący wymiennik ciepła pracuje w bardzo obciążających warunkach wymiany ciepła i przy bardzo wysokich ciśnieniach, co wymaga użycia wysokiej jakości i drogich materiałów. Stworzenie wymiennika ciepła, który spełniałby sprzeczne wymagania, jest bardzo trudne. Im większa powierzchnia wymiany ciepła, tym mniejsze straty ciepła. Jednocześnie zwiększa się rozmiar wymiennika ciepła i objętość płynu roboczego, który nie bierze udziału w pracy. Ponieważ źródło ciepła znajduje się na zewnątrz, silnik powoli reaguje na zmiany strumienia ciepła dostarczanego do cylindra i może nie od razu wytworzyć pożądanej mocy przy rozruchu.

Do szybkiej zmiany mocy silnika stosuje się metody inne niż stosowane w silnikach spalinowych: zbiornik buforowy o zmiennej pojemności, zmianę średniego ciśnienia płynu roboczego w komorach, zmianę kąta fazowego między tłok i wypornik. W tym drugim przypadku reakcja silnika na działanie sterujące kierowcy jest niemal natychmiastowa.

Zalety.

Jednak silnik Stirlinga ma zalety, które wymuszają jego rozwój.

„Wszystkożerność” silnika - podobnie jak wszystkie silniki o spalaniu zewnętrznym (a raczej zewnętrzne dostarczanie ciepła), silnik Stirlinga może działać przy prawie każdej różnicy temperatur: na przykład między różnymi warstwami oceanu, od słońca, od atomu lub grzejnik izotopowy, piec na węgiel lub drewno itp.

Prostota konstrukcji - konstrukcja silnika jest bardzo prosta, nie wymaga dodatkowych układów, takich jak mechanizm dystrybucji gazu. Uruchamia się sam i nie potrzebuje rozrusznika. Jego charakterystyka pozwala pozbyć się skrzyni biegów. Jednak, jak wspomniano powyżej, ma większe zużycie materiału.

Zwiększone zasoby - prostota konstrukcji, brak wielu „delikatnych” jednostek pozwala Stirlingowi zapewnić niespotykane dotąd zasoby dla innych silników dziesiątek i setek tysięcy godzin ciągłej pracy.

Opłacalność – w przypadku zamiany energii słonecznej na energię elektryczną Stirlingi dają czasami większą sprawność (nawet o 31,25%) niż parowe silniki cieplne.

Bezgłośność silnika - Stirling nie ma wydechu, co oznacza, że ​​nie hałasuje. Beta Stirling z rombowym mechanizmem jest urządzeniem doskonale wyważonym i przy dość wysokiej jakości wykonania nie posiada nawet wibracji (amplituda drgań jest mniejsza niż 0,0038 mm).

Przyjazny dla środowiska - samo Stirling nie ma żadnych części ani procesów, które mogłyby przyczynić się do zanieczyszczenia środowiska. Nie zużywa płynu roboczego. Przyjazność dla środowiska silnika wynika przede wszystkim z przyjazności dla środowiska źródła ciepła. Należy również zauważyć, że w silniku o spalaniu zewnętrznym łatwiej jest zapewnić kompletność spalania paliwa niż w silniku o spalaniu wewnętrznym.

Alternatywa dla silników parowych.

W XIX wieku inżynierowie próbowali stworzyć bezpieczną alternatywę dla ówczesnych maszyn parowych, ponieważ kotły wynalezionych już silników często eksplodowały, nie mogąc wytrzymać wysokiego ciśnienia pary i materiałów, które w ogóle nie nadawały się do tego celu. do ich produkcji i budowy. Silnik Stirlinga stał się dobrą alternatywą, ponieważ mógł zamienić każdą różnicę temperatur na pracę. Jest to podstawowa zasada silnika Stirlinga. Stała zmiana ogrzewania i chłodzenia płynu roboczego w zamkniętym cylindrze wprawia tłok w ruch. Zwykle powietrze działa jako płyn roboczy, ale stosuje się również wodór i hel. Ale eksperymenty przeprowadzono również z wodą. Główną cechą silnika Stirlinga z ciekłym płynem roboczym są jego niewielkie rozmiary, wysokie ciśnienia robocze i duża gęstość mocy. Jest też Stirling z dwufazowym płynem roboczym. Moc właściwa i ciśnienie robocze w nim są również dość wysokie.

Być może pamiętasz z kursu fizyki, że gdy gaz jest podgrzewany, jego objętość wzrasta, a gdy jest schładzany, maleje. To właśnie ta właściwość gazów leży u podstaw działania silnika Stirlinga. Silnik Stirlinga wykorzystuje cykl Stirlinga, który nie ustępuje cyklowi Carnota pod względem wydajności termodynamicznej, aw pewnym sensie ma nawet przewagę. Cykl Carnota składa się z nieco innych izoterm i adiabatów. Praktyczna realizacja takiego cyklu jest złożona i mało obiecująca. Cykl Stirlinga pozwolił uzyskać praktycznie działający silnik o akceptowalnych wymiarach.

W sumie w cyklu Stirlinga są cztery fazy, oddzielone dwiema fazami przejściowymi: ogrzewanie, rozprężanie, przejście do źródła zimna, ochłodzenie, sprężanie i przejście do źródła ciepła. Podczas przemieszczania się z ciepłego źródła do zimnego, gaz w butli rozszerza się i kurczy. Podczas tego procesu można uzyskać zmiany ciśnienia i pracę użyteczną. Użyteczna praca jest wytwarzana tylko przez procesy, które zachodzą w stałej temperaturze, to znaczy zależy od różnicy temperatur między grzejnikiem a chłodnicą, jak w cyklu Carnota.

Konfiguracje.

Inżynierowie dzielą silniki Stirlinga na trzy różne typy:

Podgląd - Kliknij, aby powiększyć.

Zawiera dwa oddzielne tłoki zasilające w oddzielnych cylindrach. Jeden tłok jest gorący, drugi zimny. Cylinder z gorącym tłokiem znajduje się w wymienniku ciepła o wyższej temperaturze, a cylinder z zimnym tłokiem w chłodniejszym wymienniku ciepła. Stosunek mocy do objętości jest dość duży, ale wysoka temperatura „gorącego” tłoka stwarza pewne problemy techniczne.

Betę Stirling- jeden cylinder, gorący na jednym końcu i zimny na drugim. Tłok (z którego jest odłączane zasilanie) i „wypornik” poruszają się wewnątrz cylindra, zmieniając objętość gorącej wnęki. Gaz jest pompowany z zimnej części cylindra do gorącej przez regenerator. Regenerator może być zewnętrzny, jako część wymiennika ciepła lub może być połączony z tłokiem wyporowym.

Jest tłok i „wypornik”, ale jednocześnie dwa cylindry – jeden zimny (tam porusza się tłok, z którego odłączane jest zasilanie), a drugi z jednego końca gorący, a z drugiego zimny (tzw. przemieszcza się tam „wysiedleniec”). Regenerator może być zewnętrzny, wtedy łączy gorącą część drugiego cylindra z zimną i jednocześnie z pierwszym (zimnym) cylindrem. Wewnętrzny regenerator jest częścią wypornika.

Zasada działania

Zaproponowana innowacyjna technologia opiera się na zastosowaniu wysokosprawnego czterocylindrowego silnika spalinowego. To jest silnik cieplny. Ciepło może być dostarczane z zewnętrznego źródła ciepła lub wytwarzane poprzez spalanie szerokiej gamy paliw w komorze spalania.

Ciepło jest utrzymywane w stałej temperaturze w jednej komorze silnika, gdzie jest przetwarzane na wodór pod ciśnieniem. Rozszerzając się, wodór popycha tłok. W niskotemperaturowej komorze silnika wodór jest schładzany przez akumulatory ciepła i chłodnice cieczy. W miarę rozszerzania się i kurczenia wodór powoduje ruch posuwisto-zwrotny tłoka, który obraca się za pomocą tarczy sterującej, która napędza standardowy, pojemnościowy generator elektryczny. Proces chłodzenia wodorem wytwarza również ciepło, które można wykorzystać do połączonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w procesach pomocniczych.

ogólny opis

Elektrociepłownia FX-38 jest pojedynczym modułem silnik-prądnica, w skład którego wchodzi silnik spalinowy, układ spalania zasilany propanem, gazem ziemnym, towarzyszącym gazem ropopochodnym, innymi paliwami o średniej i małej energochłonności (biogaz), generatorem indukcyjnym , układ sterowania silnika, obudowa odporna na warunki atmosferyczne z wbudowanym układem wentylacji oraz inne urządzenia pomocnicze do pracy równoległej z siecią wysokiego napięcia.

Znamionowa moc elektryczna przy zasilaniu gazem ziemnym lub biogazem przy częstotliwości 50 Hz wynosi 38 kW. Ponadto zakład wytwarza 65 kWh ciepła odzyskiwalnego z opcjonalnym systemem kogeneracji.

FX-38 można wyposażyć w różne opcje układu chłodzenia, aby zapewnić elastyczność instalacji. Produkt został zaprojektowany w taki sposób, aby można go było łatwo podłączyć do styków elektrycznych, układów zasilania paliwem i zewnętrznych rur układu chłodzenia, jeśli są na wyposażeniu.

Dodatkowe szczegóły i opcje

• Moduł pomiaru mocy (zapewnia zainstalowany przekładnik prądowy do odczytu parametrów AC na wyświetlaczu)
• Możliwość zdalnego monitoringu poprzez interfejs RS-485
• Opcje zintegrowanego lub zdalnie montowanego radiatora
• Opcja paliwa propan
• Opcja gazu ziemnego
• Powiązana opcja gazu ziemnego
• Opcja paliwa o niskim zużyciu energii

FX-48 może być używany na kilka sposobów:

• Równoległe podłączenie do sieci wysokiego napięcia 50 Hz, 380 V AC
• Połączony tryb ogrzewania i zasilania

Wydajność roślin

W trybie produkcji energii elektrycznej i ciepła przy częstotliwości 50 Hz zakład wytwarza 65 kWh ciepła odzyskiwalnego. Produkt jest wyposażony w instalację rurową gotową do podłączenia do dostarczonego przez klienta wymiennika ciepła ciecz/ciecz. Ciepła strona wymiennika ciepła to obieg zamknięty z chłodnicą skrzyni silnika i zintegrowaną chłodnicą układu, jeśli występuje. Zimna strona wymiennika ciepła jest dedykowana dla obwodów radiatora klienta.

Konserwacja

Agregat jest przeznaczony do pracy ciągłej z przystawką odbioru mocy. Podstawowy test wydajności jest wykonywany przez klienta co 1000 godzin i obejmuje sprawdzenie układu wody chłodzącej oraz poziomu oleju. Po 10 000 godzin pracy następuje serwis przedniej części urządzenia, w tym wymiana pierścienia tłokowego, uszczelnienia tłoczyska, paska napędowego i różnych uszczelnień. Określone kluczowe elementy są sprawdzane pod kątem zużycia. Prędkość silnika wynosi 1500 obr./min dla pracy z częstotliwością 50 Hz.

Ciągłość

Czas pracy instalacji wynosi ponad 95% w oparciu o okresy pracy i jest brany pod uwagę w harmonogramie konserwacji.

Poziom ciśnienia akustycznego

Poziom ciśnienia akustycznego urządzenia bez wbudowanego radiatora wynosi 64 dBA w odległości 7 metrów. Poziom ciśnienia akustycznego jednostki z wbudowanym radiatorem z wentylatorami chłodzącymi wynosi 66 dBA w odległości 7 metrów.

Emisje

W przypadku zasilania gazem ziemnym emisja z silnika jest mniejsza lub równa 0,0574 g/Nm 3 NO x , 15,5 g/Nm 3 lotnych związków organicznych i 0,345 g/Nm 3 CO.

paliwo gazowe

Silnik przystosowany jest do pracy na różnych rodzajach paliw gazowych o niższych wartościach opałowych od 13,2 do 90,6 MJ/Nm 3 , towarzyszących im gazie ropopochodnym, gazie ziemnym, metanie węglowym, gazie z procesów wtórnych, propan oraz biogazie wysypiskowym. Aby pokryć ten zakres, jednostkę można zamówić z następującymi konfiguracjami układu paliwowego:

Układ spalania wymaga regulowanego ciśnienia zasilania gazem 124-152 mbar dla wszystkich rodzajów paliw.

Środowisko

Standardowa wersja urządzenia pracuje w temperaturze otoczenia od -20 do +50°C.

Opis instalacji

Elektrownia cieplna FX-38 jest w stanie fabrycznym całkowicie gotowa do produkcji energii elektrycznej. Wbudowany panel elektryczny jest montowany na urządzeniu, aby spełnić wymagania interfejsu i sterowania. Odporny na warunki pogodowe wyświetlacz cyfrowy wbudowany w konsolę elektryczną zapewnia operatorowi interfejs uruchamiania, zatrzymywania i ponownego uruchamiania za pomocą przycisku. Panel elektryczny służy również jako główny punkt połączenia terminala elektrycznego klienta, a także przewodowych terminali komunikacyjnych.

Jednostka jest w stanie osiągnąć pełną moc wyjściową w ciągu około 3-5 minut od uruchomienia, w zależności od początkowej temperatury systemu. Sekwencja uruchomienia i instalacji jest aktywowana przez naciśnięcie przycisku.

Po poleceniu startu urządzenie jest podłączane do sieci wysokiego napięcia poprzez zamknięcie wewnętrznego stycznika do sieci. Silnik obraca się natychmiast, oczyszczając komorę spalania, zanim otworzą się zawory paliwa. Po otwarciu zaworu paliwowego energia jest dostarczana do urządzenia zapłonowego, zapalając paliwo w komorze spalania. O obecności spalania świadczy wzrost temperatury gazu roboczego, który uruchamia procedurę kontroli rozbiegu do punktu temperatury roboczej. Następnie płomień pozostaje samowystarczalny i stały.

Po poleceniu zatrzymania instalacji następuje najpierw zamknięcie zaworu paliwa w celu zatrzymania procesu spalania. Po zadanym czasie, w którym mechanizm ostygnie, stycznik otworzy się, odłączając urządzenie od sieci. Jeśli są zainstalowane, wentylatory chłodnicy mogą pracować przez krótki czas, aby obniżyć temperaturę płynu chłodzącego.

Jednostka wykorzystuje silnik spalinowy o stałym skoku, podłączony do standardowego generatora indukcyjnego. Urządzenie pracuje równolegle z siecią wysokiego napięcia lub równolegle z systemem dystrybucji energii. Generator indukcyjny nie wytwarza własnego wzbudzenia: otrzymuje wzbudzenie z podłączonego zasilacza. W przypadku braku napięcia sieciowego urządzenie wyłącza się.

Opis węzłów instalacji

Konstrukcja urządzenia zapewnia łatwy montaż i podłączenie. Istnieją zewnętrzne połączenia przewodów paliwowych, zacisków zasilania elektrycznego, interfejsów komunikacyjnych oraz, jeśli występuje, chłodnicy zewnętrznej i systemu rurociągów wymiennika ciepła ciecz/ciecz. Jednostkę można zamówić ze zintegrowaną lub montowaną oddzielnie chłodnicą i/lub układem rurociągów wymiennika ciepła ciecz/ciecz do chłodzenia silnika. Dostępne są również narzędzia do bezpiecznego wyłączania i logika sterowania zaprojektowana specjalnie dla pożądanego trybu pracy.

Obudowa ma dwa panele dostępowe po każdej stronie przedziału silnika/generatora oraz zewnętrzne pojedyncze drzwi na zawiasach umożliwiające dostęp do przedziału elektrycznego.

Waga instalacji: około 1770 kg.

Silnik jest 4-cylindrowym (260 cm 3 /cylinder) silnikiem spalinowym, który odbiera ciepło ciągłego spalania paliwa gazowego w komorze spalania wewnętrznego i zawiera następujące podzespoły:

• Wentylator komory spalania napędzany silnikiem
• Filtr powietrza komory spalania
• Układ paliwowy i obudowa komory spalania
• Pompa oleju smarowego, napędzana silnikiem
• Chłodnica i filtr oleju smarowego
• Pompa wody chłodzącej silnik, napędzana silnikiem
• Czujnik temperatury wody w układzie chłodzenia
• Czujnik ciśnienia oleju smarowego
• Czujnik ciśnienia i temperatury gazu
• Wszystkie niezbędne urządzenia kontrolne i zabezpieczające

Charakterystykę generatora podano poniżej:

• Moc znamionowa 38 kW przy 50 Hz, 380 V AC
• Sprawność elektryczna 95,0% przy współczynniku mocy 0,7
• Wzbudzenie z sieci publicznej za pomocą wzbudnicy silnika indukcyjnego/generatora
• Mniej niż 5% całkowitych zniekształceń harmonicznych od braku obciążenia do pełnego obciążenia
• Klasa izolacji F

Interfejs operatora - cyfrowy wyświetlacz zapewnia kontrolę nad urządzeniem. Operator może uruchamiać i zatrzymywać urządzenie za pomocą wyświetlacza cyfrowego, przeglądać czas pracy, dane operacyjne oraz ostrzeżenia/awarie. Instalując opcjonalny moduł pomiaru mocy, operator może wyświetlać wiele parametrów elektrycznych, takich jak generowana moc, kilowatogodziny, kilowatoampery i współczynnik mocy.

Funkcja diagnostyki urządzeń i zbierania danych jest wbudowana w system sterowania instalacją. Informacje diagnostyczne upraszczają zdalne gromadzenie danych, raportowanie danych i rozwiązywanie problemów z urządzeniem. Funkcje te obejmują gromadzenie danych systemowych, takich jak informacje o stanie roboczym, wszystkie mechaniczne parametry operacyjne, takie jak temperatura i ciśnienie w cylindrze, oraz, jeśli podłączony jest opcjonalny miernik mocy, elektryczne wartości wyjściowe. Dane mogą być przesyłane przez standardowe złącze RS-232 i wyświetlane na komputerze PC lub laptopie za pomocą oprogramowania do akwizycji danych. W przypadku instalacji wielokrotnych lub w przypadkach, gdy odległość transmisji sygnału przekracza możliwości RS-232, opcjonalny port RS-485 służy do odbioru danych z wykorzystaniem protokołu MODBUS RTU.

Rury ze stali nierdzewnej służą do transportu gorących spalin z układu spalania. Zrównoważona klapa wydechu z nasadką chroniącą przed deszczem i śniegiem jest przymocowana do rury wydechowej na wyjściu z obudowy.

Do chłodzenia można zastosować różne technologie aplikacji i konfiguracje:

Wbudowany radiator — zapewnia radiator przystosowany do temperatur otoczenia do +50°C. Wszystkie rury są podłączone fabrycznie. Jest to typowa technologia, jeśli nie stosuje się odzysku ciepła odpadowego.

Grzejnik zewnętrzny - przeznaczony do montażu przez klienta, przeznaczony do temperatur otoczenia do +50°C. Krótkie wsporniki są dostarczane z radiatorem do montażu na stole stykowym. Jeśli wymagana jest instalacja wewnętrzna, opcja ta może być wykorzystana zamiast zapewnienia systemu wentylacji wymaganego do dostarczania powietrza chłodzącego do wbudowanej chłodnicy.

Zewnętrzny układ chłodzenia — zapewnia orurowanie na zewnątrz obudowy dla systemu chłodzenia dostarczonego przez klienta. Może to być wymiennik ciepła lub zdalnie montowany grzejnik.

Czynnik chłodniczy składa się w 50% z wody i w 50% z glikolu etylenowego objętościowo: w razie potrzeby można go zastąpić mieszanką glikolu propylenowego i wody.

FX-38 wykorzystuje wodór jako płyn roboczy do napędzania tłoków silnika ze względu na wysoką zdolność przenoszenia ciepła przez wodór. Podczas normalnej pracy przewidywalna ilość wodoru jest zużywana z powodu normalnego wycieku spowodowanego przepuszczalnością materiału. Aby uwzględnić to tempo zużycia, miejsce instalacji wymaga jednego lub więcej zestawów butli z wodorem, wyregulowanych i podłączonych do urządzenia. Wewnątrz jednostki wbudowana sprężarka wodoru zwiększa ciśnienie w zbiorniku do wyższego ciśnienia silnika i wtryskuje małe porcje na żądanie oprogramowania układowego. Zabudowany układ jest bezobsługowy, a cylindry należy wymieniać w zależności od pracy silnika.

Przewód doprowadzający paliwo jest dostarczany z gwintem 1" NPT dla wszystkich standardowych typów paliw, z wyjątkiem opcji o niskim zużyciu energii, które wykorzystują gwint 1 1/2" NPT. Wymagania dotyczące ciśnienia paliwa dla wszystkich paliw gazowych wynoszą od 124 do 152 mbar.

Podstawową zasadą działania silnika Stirlinga jest ciągłe naprzemienne ogrzewanie i chłodzenie płynu roboczego w zamkniętym cylindrze. Zwykle powietrze działa jako płyn roboczy, ale stosuje się również wodór i hel.

Cykl silnika Stirlinga składa się z czterech faz i jest oddzielony dwiema fazami przejściowymi: nagrzewanie, rozprężanie, przejście do źródła zimna, chłodzenie, sprężanie i przejście do źródła ciepła. Tak więc, przechodząc z ciepłego źródła do zimnego źródła, gaz w cylindrze rozszerza się i kurczy. W takim przypadku zmienia się ciśnienie, dzięki czemu można uzyskać użyteczną pracę. Ponieważ wyjaśnienia teoretyczne to nie lada gratka dla znawców, słuchanie ich bywa męczące, więc przejdźmy do wizualnej demonstracji działania silnika Sterlinga.

Jak działa silnik Stirlinga?
1. Zewnętrzne źródło ciepła podgrzewa gaz na dnie cylindra wymiennika ciepła. Wytworzone ciśnienie popycha tłok roboczy do góry.
2. Koło zamachowe popycha tłok wyporowy w dół, przesuwając w ten sposób ogrzane powietrze od dołu do komory chłodzącej.
3. Powietrze ochładza się i kurczy, tłok roboczy opada.
4. Tłok wyporowy podnosi się, przesuwając w ten sposób schłodzone powietrze na dno. I cykl się powtarza.

W maszynie Stirlinga ruch tłoka roboczego jest przesunięty o 90 stopni w stosunku do ruchu tłoka przemieszczającego. W zależności od znaku tego przesunięcia maszyną może być silnik lub pompa ciepła. Przy przesunięciu o 0 stopni maszyna nie wykonuje żadnej pracy (poza stratami tarcia) i jej nie wykonuje.

Innym wynalazkiem Stirlinga, który zwiększył sprawność silnika, był regenerator, czyli komora wypełniona drutem, granulatem, folią falistą w celu poprawy wymiany ciepła przepływającego gazu (na rysunku regenerator zastąpiono żeberkami chłodzącymi ).

W 1843 roku James Stirling użył tego silnika w fabryce, w której pracował wówczas jako inżynier. W 1938 roku Philips zainwestował w silnik Stirlinga o mocy ponad 200 koni mechanicznych i sprawności ponad 30%.

Zalety silnika Stirlinga:

1. Wszystkożerny. Możesz użyć dowolnego paliwa, najważniejsze jest stworzenie różnicy temperatur.
2. Niski poziom hałasu. Ponieważ praca opiera się na spadku ciśnienia płynu roboczego, a nie na zapłonie mieszanki, poziom hałasu jest znacznie niższy w porównaniu z silnikiem spalinowym.
3. Prostota konstrukcji, stąd wysoki margines bezpieczeństwa.

Jednak wszystkie te zalety w większości przypadków są przekreślone przez dwie duże wady:

1. Duże wymiary. Płyn roboczy musi zostać schłodzony, co prowadzi do znacznego wzrostu masy i rozmiaru z powodu zwiększonych grzejników.
2. Niska wydajność. Ciepło nie jest dostarczane bezpośrednio do czynnika roboczego, a jedynie przez ścianki wymienników ciepła, przez co straty sprawności są duże.

Wraz z rozwojem silnika spalinowego silnik Stirlinga odszedł… nie, nie w przeszłość, ale w cień. Jest z powodzeniem stosowany jako pomocnicze elektrownie na okrętach podwodnych, w pompach ciepła w elektrowniach cieplnych, jako konwertery energii słonecznej i geotermalnej na energię elektryczną, projekty kosmiczne są z nim związane do tworzenia elektrowni działających na paliwie radioizotopowym (rozpad promieniotwórczy zachodzi z uwalnianie temperatury, kto nie wiedział).Kto wie, może kiedyś silnik Stirlinga ma przed sobą wspaniałą przyszłość!