Двигуни зовнішнього згоряння

Важливим елементом реалізації програми енергозбереження є забезпечення автономними джерелами електроенергії та тепла невеликих житлових утворень та віддалених від централізованих мереж споживачів. Для вирішення цих завдань якнайкраще підходять інноваційні установки для генерації електроенергії та тепла на основі двигунів зовнішнього згоряння. Як паливо може використовуватися як традиційні види палива, так і попутний нафтовий газ, біогаз, що отримується з деревних стружок та ін.

Протягом останніх 10 років відзначалися підвищення цін на викопне паливо, підвищена увага до викидів СО 2 , а також бажання, що зростає, перестати залежати від викопного палива і повністю забезпечувати себе енергією. Це стало наслідком розвитку величезного ринку технологій, здатних виробляти енергію із біомаси.

Двигуни зовнішнього згоряння були винайдені майже 200 років тому, 1816 року. Разом з паровим двигуном, дво- та чотиритактним двигуном внутрішнього згоряння, двигуни зовнішнього згоряння вважаються одними з основних типів двигунів. Вони були розроблені з метою створення двигунів, які були б безпечнішими та продуктивнішими, ніж паровий двигун. На самому початку 18-го століття відсутність потрібних матеріалів призводило до численних випадків зі смертельним наслідком у зв'язку з вибухами парових двигунів, які перебувають під тиском.

Значний ринок для двигунів зовнішнього згоряння сформувався у другій половині 18-го століття, зокрема у зв'язку з дрібнішими сферами застосування, де їх можна було безпечно експлуатувати без потреби у послугах кваліфікованих операторів.

Після винаходу двигуна внутрішнього згоряння наприкінці 18 століття ринок для двигунів зовнішнього згоряння зник. Вартість виробництва двигуна внутрішнього згоряння порівняно з вартістю виробництва зовнішнього згоряння є нижчою. Основний недолік двигунів внутрішнього згоряння полягає в тому, що для їх роботи необхідно чисте, викопне паливо, що збільшує викиди СО2, паливо. Однак, донедавна вартість викопного палива була низькою, а викидам СО2 не приділялося належної уваги.

Принцип роботи двигуна зовнішнього згоряння

На відміну від широко відомого процесу внутрішнього згоряння, при якому паливо спалюється всередині двигуна, двигун зовнішнього згоряння, що приводиться в дію зовнішнім джерелом тепла. Або, точніше кажучи, вона приводиться в дію різницею температур, що створюються зовнішніми джерелами нагрівання та охолодження.

Цими зовнішніми джерелами нагрівання та охолодження можуть служити відпрацьовані гази біомаси та вода, що охолоджує відповідно. Процес призводить до обертання генератора, монтованого на двигуні, за допомогою чого виробляється енергія.

Всі двигуни внутрішнього згоряння наводяться на дію різницею температур. Бензинові, дизельні двигуни та двигуни зовнішнього згоряння засновані на тій особливості, що для стиснення холодного повітря необхідно менше зусиль, ніж для стиснення гарячого повітря.

Бензинові та дизельні двигуни всмоктують холодне повітря та стискають це повітря, перш ніж воно підігрівається у процесі внутрішнього згоряння, що відбувається усередині циліндра. Після підігріву повітря над поршнем поршень переміщається вниз, за ​​допомогою чого повітря розширюється. Так як повітря гаряче, сила, що діє на шток поршня, велика. Коли поршень доходить до низу, клапани відкриваються і гарячі вихлопи замінюються на нове, свіже, холодне повітря. При русі поршня вгору холодне повітря стискається, причому сила, що діє на шток поршня, менше, ніж при русі вниз.

Двигун зовнішнього згоряння працює відповідно до дещо іншого принципу. У ньому немає клапанів, він герметично запаяний, а повітря підігрівається та охолоджується за допомогою теплообмінних апаратів гарячого та холодного контуру. Вбудований насос, що приводиться в дію рухом поршня, забезпечує рух повітря туди і назад між двома теплообмінними апаратами. Під час охолодження повітря у теплообмінному апараті холодного контуру поршень стискає повітря.

Після стиснення повітря потім підігрівається в теплообмінному апараті гарячого контуру, перш ніж поршень починає рухатися у зворотному напрямку та використовувати розширення гарячого повітря для приведення в дію двигуна.

1. Вступ……………………………………………………………………………… 3

2. Історія ……………………………………………………………………………… 4

3. Опис …………………………………………………………………………… 4

4. Конфігурація ……………………………………………………………………. 6

5. Недоліки ………………………………………………………………………….. 7

6. Переваги …………………………………………………………………… 7

7. Застосування ………………………………………………………………………. 8

8. Висновок ………………………………………………………………………. 11

9. Список літератури ………………………………………………………….. 12

Вступ

На початку ХХІ століття людство дивиться у майбутнє з оптимізмом. На це є найвагоміші докази. Вчена думка не стоїть на місці. Сьогодні нам пропонуються все нові та нові розробки. Йде впровадження в наше життя все більш економічних, екологічно безпечних та перспективних технологій

Це стосується, перш за все, альтернативного двигунобудування та використання так званих "нових" альтернативних видів палива: вітру, сонця, води та інших джерел енергії

Завдяки двигунам різних типів людина отримує енергію, світло, тепло та інформацію. Двигуни є серцем, яке б'ється у такт із розвитком сучасної цивілізації. Вони забезпечують зростання виробництва, скорочують відстані. Поширені в даний час двигуни внутрішнього згоряння мають цілий ряд недоліків: їхня робота супроводжується шумом, вібраціями, вони виділяють шкідливі гази, що відпрацювали, забруднюю тим самим нашу природу, і споживають багато палива. Але на сьогоднішній день альтернатива їм уже існує. Клас двигунів, шкода яких мінімальний, - двигуни Стірлінга. Вони працюють по замкнутому циклу, без безперервних мікро вибухів у робочих циліндрах, практично без виділення шкідливих газів, та й палива їм потрібно набагато менше.

Винайдені задовго до двигуна внутрішнього згоряння та дизеля, двигун Стірлінга був незаслужено забутий

Відродження інтересу до двигунів Стірлінг зазвичай асоціюється з діяльністю фірми Philips. Роботи з конструювання двигунів Стірлінга невеликої потужності розпочалися у фірмі в середині 30-х років ХХ століття. Метою робіт було створення невеликого електричного генератора з низьким рівнем шуму та тепловим приводом для живлення радіоапаратури у районах світу з відсутністю регулярних джерел електропостачання. У 1958 році компанія General Motors уклала ліцензійну угоду з фірмою Philips, і їхня співпраця тривала до 1970 року. Розробки були пов'язані з використанням двигунів Стірлінга для космічних та підводних енергетичних установок, автомобілів та суден, а також для систем стаціонарного енергопостачання. Шведська фірма United Stirling, яка сконцентрувала свої зусилля в основному на двигунах для транспортних засобів великої вантажопідйомності, поширили свої інтереси на область двигунів для легкових машин. Справжній інтерес до двигуна Стірлінга відродився лише за часів так званої “енергетичної кризи”. Саме тоді особливо привабливими здалися потенційні можливості цього двигуна щодо економічного споживання звичайного рідкого палива, що було дуже важливим у зв'язку зі зростанням цін на паливо.

Історія

Двигун Стірлінга був вперше запатентований шотландським священиком Робертом Стірлінгом 27 вересня 1816 (англійський патент № 4081). Однак перші елементарні "двигуни гарячого повітря" були відомі ще наприкінці XVII століття, задовго до Стірлінга. Досягненням Стірлінга є додавання очищувача, який він назвав економ. У сучасній науковій літературі цей очисник називається "регенератор" (теплообмінник). Він збільшує продуктивність двигуна, утримуючи тепло у теплій частині двигуна, тоді як робоче тіло охолоджується. Цей процес значно підвищує ефективність системи. У 1843 році Джеймс Стірлінг використав цей двигун на заводі, де він на той час працював інженером. У 1938 році фірма «Філіпс» інвестувала в мотор Стірлінга потужністю понад двісті кінських сил та віддачею понад 30%. Двигун Стірлінга має багато переваг і був поширений в епоху парових машин.

Опис

Двигун Стірлінга- теплова машина, в якій рідке або газоподібне робоче тіло рухається у замкнутому об'ємі, різновид двигуна зовнішнього згоряння. Заснований на періодичному нагріванні і охолодженні робочого тіла з вилученням енергії з об'єму робочого тіла, що виникає при цьому. Може працювати не лише від спалювання палива, а й від будь-якого джерела тепла.

У XIX столітті інженери хотіли створити безпечну альтернативу паровим двигунам того часу, котли яких часто вибухали через високі тиски пари і невідповідні матеріали для їх будівництва. Хороша альтернатива паровим машинам з'явилася зі створенням двигунів Стірлінга, який міг перетворювати на роботу будь-яку різницю температур. Основний принцип роботи двигуна Стірлінга полягає в постійному чергуванні нагріванні та охолодженні робочого тіла в закритому циліндрі. Зазвичай у ролі робочого тіла виступає повітря, але й використовуються водень і гелій. У ряді експериментальних зразків випробовувалися фреони, двоокис азоту, скраплений пропан-бутан та вода. В останньому випадку вода залишається у рідкому стані на всіх ділянках термодинамічного циклу. Особливістю стирлінгу з рідким робочим тілом є малі розміри, висока питома потужність та великі робочі тиски. Існує також стирлінг із двофазним робочим тілом. Він також характеризується високою питомою потужністю, високим робочим тиском.

З термодинаміки відомо, що тиск, температура та об'єм газу взаємопов'язані і дотримуються закону ідеальних газів.

, де:

• P – тиск газу;
• V – обсяг газу;
• n – кількість молей газу;
• R – універсальна газова константа;
• Т – температура газу в кельвінах.

Це означає, що з нагріванні газу його обсяг збільшується, а при охолодженні - зменшується. Це властивість газів і є основою роботи двигуна Стірлінга.

Двигун Стірлінга використовує цикл Стірлінга, який по термодинамічній ефективності не поступається циклу Карно, і навіть має перевагу. Справа в тому, що цикл Карно складається з ізотерм і адіабат, що мало відрізняються між собою. Практична реалізація цього циклу є малоперспективною. Цикл Стірлінга дозволив отримати практично працюючий двигун у прийнятних габаритах.

Цикл Стірлінга складається з чотирьох фаз і розділений двома перехідними фазами: нагрівання, розширення, перехід до джерела холоду, охолодження, стиснення та перехід до джерела тепла. Таким чином, при переході від теплого джерела до холодного джерела відбувається розширення та стиск газу, що знаходиться в циліндрі. Різницю обсягів газу можна перетворити на роботу, чим і займається двигун Стірлінга. Робочий цикл двигуна Стірлінга beta-типу:

1

2

3

4

де: a – витіснювальний поршень; b – робочий поршень; с – маховик; d – вогонь (область нагрівання); e - ребра, що охолоджують (область охолодження).

1. Зовнішнє джерело тепла нагріває газ у нижній частині теплообмінного циліндра. Тиск, що створюється, штовхає робочий поршень вгору (зверніть увагу, що витіснювальний поршень нещільно прилягає до стінок).
2. Маховик штовхає витіснювальний поршень вниз, тим самим переміщуючи розігріте повітря з нижньої частини в камеру, що охолоджує.
3. Повітря остигає і стискається, поршень опускається вниз.
4. Витіснювач поршень піднімається вгору, тим самим переміщуючи охолоджене повітря в нижню частину. І цикл повторюється.

У машині Стірлінга рух робочого поршня зрушено на 90° щодо руху поршня-витіснювача. Залежно від знака зсуву машина може бути двигуном або тепловим насосом. При зрушенні 0 машина не виконує ніякої роботи (крім втрат на тертя) і не виробляє її.

Бета-Стірлінг- Циліндр всього один, гарячий з одного кінця і холодний з іншого. Усередині циліндра рухаються поршень (з якого знімається потужність) і «витіснювач», що змінює об'єм гарячої порожнини. Газ перекачується з холодної частини циліндра гарячу через регенератор. Регенератор може бути зовнішнім, частиною теплообмінника, або поєднаним із поршнем-витіснячем.

Гамма-Стірлінг- теж є поршень і «витіснювач», але при цьому два циліндри – один холодний (там рухається поршень, з якого знімається потужність), а другий гарячий з одного кінця і холодний з іншого (там рухається «витіснювач»). Регенератор з'єднує гарячу частину другого циліндра з холодною та одночасно з першим (холодним) циліндром.

- теплова машина, в якій рідке або газоподібне робоче тіло рухається у замкнутому об'ємі, різновид двигуна зовнішнього згоряння. Заснований на періодичному нагріванні і охолодженні робочого тіла з вилученням енергії з об'єму робочого тіла, що виникає при цьому. Може працювати не лише від спалювання палива, а й від будь-якого джерела тепла.

Хронологію подій, пов'язану з розробкою двигунів часів 18 століття, ви можете спостерігати в цікавій статті - "Історія винаходу парових машин". А ця стаття присвячена великому винахіднику Роберту Стірлінгу та його дітищу.

Історія створення...

Патент на винахід двигуна Стірлінга, як не дивно, належить шотландському священику Роберту Стірлінгу. Його він отримав 27 вересня 1816 року. Перші «двигуни гарячого повітря» стали відомі світу ще наприкінці XVII століття, задовго до Стірлінга. Одним із важливих досягнень Стірлінга є додавання очисника, прозваний ним самим "економом".

У сучасній науковій літературі цей очищувач має зовсім іншу назву - «рекуператор». Завдяки йому продуктивність двигуна зростає, оскільки очищувач утримує тепло в теплій частині двигуна, а робоче тіло водночас охолоджується. Завдяки цьому процесу ефективність системи значно зростає. Рекуператор є камерою, заповненою дротом, гранулами, гофрованою фольгою (гофри йдуть вздовж напрямку потоку газу). Газ, що проходить через наповнювач рекуператора в один бік, віддає (або набуває) тепло, а при русі в інший бік відбирає (віддає) його. Рекуператор може бути зовнішнім по відношенню до циліндрів і може бути розміщений на поршні-витіснювачі в бета-і гамма-конфігураціях. Габарити та вага машини в цьому випадку менше. Якою мірою роль рекуператора виконується зазором між витіснювачем і стінками циліндра (якщо циліндр довгий, то потреби в такому пристрої немає взагалі, проте з'являються значні втрати через в'язкість газу). В альфа-стирлінг рекуператор може бути тільки зовнішнім. Він монтується послідовно з теплообмінником, у якому з боку холодного поршня відбувається нагрівання робочого тіла.

У 1843 році Джеймс Стірлінг використав цей двигун на заводі, де він на той час працював інженером. У 1938 році в двигун Стірлінга потужністю понад двісті кінських сил і віддачею більше 30% інвестувала фірма "Філіпс". Оскільки двигун Стірлінгамає багато переваг, то в епоху парових машин він був широко розповсюджений.

Недоліки.

Матеріаломісткість – основний недолік двигуна. У двигунів зовнішнього згоряння взагалі, і двигуна Стірлінга, зокрема, робоче тіло необхідно охолоджувати, і це призводить до істотного збільшення масо-габаритних показників силової установки за рахунок збільшених радіаторів.

Для отримання характеристик, порівнянних із характеристиками ДВЗ, доводиться застосовувати високі тиски (понад 100 атм) та спеціальні види робочого тіла – водень, гелій.

Тепло не підводиться до робочого тіла безпосередньо, лише через стінки теплообмінників. Стінки мають обмежену теплопровідність, через що ККД виявляється нижчим, ніж можна було очікувати. Гарячий теплообмінник працює в дуже напружених умовах теплопередачі і при дуже високих тисках, що вимагає застосування високоякісних і дорогих матеріалів. Створення теплообмінника, який би задовольняв суперечливим вимогам, дуже важко. Чим вище площа теплообміну, тим менше втрата тепла. При цьому зростає розмір теплообмінника та обсяг робочого тіла, який не бере участі в роботі. Оскільки джерело тепла розташоване зовні, двигун повільно реагує на зміну теплового потоку, що підводиться до циліндра, і не відразу може видати потрібну потужність при запуску.

Для швидкої зміни потужності двигуна використовуються методи, відмінні від тих, які застосовувалися в двигунах внутрішнього згоряння: буферна ємність об'єму, що змінюється, зміна середнього тиску робочого тіла в камерах, зміна фазного кута між робочим поршнем і витіснювачем. В останньому випадку реакція двигуна на дію водія, що управляє, є практично миттєвою.

Переваги.

Проте двигун Стірлінга має переваги, які змушують займатися його розробкою.

«Всеїдність» двигуна – як усі двигуни зовнішнього згоряння (вірніше – зовнішнього підведення тепла), двигун Стірлінга може працювати від майже будь-якого перепаду температур: наприклад, між різними шарами в океані, від сонця, від ядерного або ізотопного нагрівача, вугільної або дров'яної печі та т.д.

Простота конструкції – конструкція двигуна дуже проста, він не потребує додаткових систем, таких як газорозподільний механізм. Він запускається самостійно і не потребує стартера. Його характеристики дозволяють позбавитися коробки передач. Однак, як уже зазначалося вище, він має більшу матеріаломісткість.

Збільшений ресурс – простота конструкції, відсутність багатьох «ніжних» агрегатів дозволяє стирлінгу забезпечити небувалий для інших двигунів ресурс у десятки та сотні тисяч годин безперервної роботи.

Економічність - у разі перетворення на електрику сонячної енергії стирлінги іноді дають більший ККД (до 31,25%), ніж теплові машини на пару.

Безшумність двигуна – стирлінг не має вихлопу, а отже – не шумить. Бета-стирлінг з ромбічним механізмом є ідеально збалансованим пристроєм і, при досить високій якості виготовлення, навіть не має вібрацій (амплітуда вібрації менше 0,0038 мм).

Екологічність - сам собою стирлінг немає якихось частин чи процесів, які можуть сприяти забруднення довкілля. Він не витрачає робоче тіло. Екологічність двигуна обумовлена ​​насамперед екологічністю джерела тепла. Варто також зазначити, що забезпечити повноту згоряння палива у двигуні зовнішнього згоряння простіше, ніж у двигуні внутрішнього згоряння.

Альтернатива паровим двигунам.

У 19 столітті інженери намагалися створити безпечну альтернативу паровим двигунам того часу, через те, що котли вже винайдених двигунів часто вибухали, не витримуючи високого тиску пари та матеріалів, які зовсім не підходили для їх виготовлення та спорудження. Двигун Стірлінгастав гарною альтернативою, оскільки він міг перетворювати на роботу будь-яку різницю температур. У цьому полягає основний принцип роботи двигуна Стірлінга. Постійне чергування нагрівання та охолодження робочого тіла в закритому циліндрі наводить поршень у рух. Зазвичай у ролі робочого тіла виступає повітря, але й використовуються водень і гелій. Але також проводилися досліди і з водою. Головна особливість двигуна Стірлінга з рідким робочим тілом є малі розміри, великі робочі тиски та висока питома потужність. Також існує Стірлінг із двофазним робочим тілом. Питома потужність та робочий тиск у ньому теж досить високі.

Можливо, з курсу фізики ви пам'ятаєте, що при нагріванні газу його обсяг збільшується, а при охолодженні зменшується. Саме ця властивість газів і закладена в основі роботи двигуна Стірлінга. Двигун Стірлінгавикористовує цикл Стірлінга, який не поступається циклу Карно з термодинамічної ефективності, і до певної міри навіть має перевагу. Цикл Карно складається з ізотерм і адіабат, що мало відрізняються між собою. Практична реалізація такого циклу складна та малоперспективна. Цикл Стірлінга дозволив отримати практично працюючий двигун у прийнятних габаритах.

Усього в циклі Стірлінга чотири фази, розділені двома перехідними фазами: нагрівання, розширення, перехід до джерела холоду, охолодження, стиснення та перехід до джерела тепла. При переході від теплого джерела до холодного джерела відбувається розширення та стиск газу, що знаходиться в циліндрі. У ході цього процесу змінюється тиск з чого можна отримати корисну роботу. Корисна робота проводиться тільки за рахунок процесів, що проходять із постійною температурою, тобто залежить від різниці температур нагрівача та охолоджувача, як у циклі Карно.

Зміни.

Інженерами підрозділяються двигуни Стірлінга на три різні типи:

попередній перегляд - збільшення на кліку.

Містить два роздільні силові поршні в роздільних циліндрах. Один поршень – гарячий, інший – холодний. Циліндр з гарячим поршнем знаходиться в теплообміннику з вищою температурою, а циліндр з холодним поршнем знаходиться в більш холодному теплообміннику. Ставлення потужності до обсягу досить велике, проте висока температура «гарячого» поршня створює певні технічні проблеми.

Бета-Стірлінг- Циліндр один, гарячий з одного кінця і холодний з іншого. Усередині циліндра рухаються поршень (з якого знімається потужність) і «витіснювач», що змінює об'єм гарячої порожнини. Газ перекачується з холодної частини циліндра гарячу через регенератор. Регенератор може бути зовнішнім, як частина теплообмінника, або може бути поєднаний з поршнем-витіснячем.

Є поршень і «витіснювач», але при цьому два циліндри – один холодний (там рухається поршень, з якого знімається потужність), а другий гарячий з одного кінця та холодний з іншого (там рухається «витіснювач»). Регенератор може бути зовнішнім, у цьому випадку він з'єднує гарячу частину другого циліндра з холодною та одночасно з першим (холодним) циліндром. Внутрішній регенератор є частиною витіснювача.

Принцип роботи

Пропонована інноваційна технологія ґрунтується на використанні високоефективного чотирициліндрового двигуна зовнішнього згоряння. Це – тепловий двигун. Тепло може постачатися від зовнішнього джерела тепла або вироблятися шляхом спалювання широкого спектру палива всередині камери згоряння.

Тепло підтримується при постійній температурі в одному відділенні двигуна, де воно перетворюється на водень, що знаходиться під тиском. Розширюючись, водень штовхає поршень. У відділенні двигуна з низькою температурою водень охолоджується за допомогою акумуляторів тепла та охолоджувачів рідини. При розширенні та стиску водень викликає зворотно-поступальний рух поршня, який перетворюється на обертальний рух за допомогою похилої шайби, яка приводить в дію стандартний, ємнісний електричний генератор. У процесі охолодження водню виробляється тепло, яке можна використовувати для комбінованого виробництва електроенергії та тепла у допоміжних процесах.

Загальний опис

Теплоенергетична установка FX-38 являє собою єдиний модуль "двигун-генератор", який включає двигун зовнішнього згоряння, систему згоряння, що працює на пропані, природному газі, попутному нафтовому газі, інших видах палива із середньою та низькою енергоємністю (біогаз), індуктивний генератор, систему контролю двигуна, захищений від атмосферних впливів корпус із вбудованою системою вентиляції та інше допоміжне обладнання для паралельної роботи з мережею високої напруги.

Номінальна потужність за електрикою при роботі на природному газі або біогаз при частоті 50 Гц становить 38 кВт. Крім того, установка виробляє 65 кВт-год тепла, що видобувається, з системою комбінованого виробництва тепла та електроенергії, що поставляється за спеціальним замовленням.

Установка FX-38 може бути оснащена різними опціями охолоджувальної системи для забезпечення гнучкості схеми установки. Продукт розроблений для простого підключення до електричних контактів, систем подачі палива та зовнішніх труб системи охолодження, якщо вони обладнані такими.

Додаткові деталі та опції

• Модуль вимірювання потужності (забезпечує встановлений трансформатор струму для зчитування на дисплеї параметрів змінного струму)
• Опція дистанційного моніторингу за інтерфейсом RS-485
• Опції вбудованого або віддалено змонтованого радіатора
• Опція використання пропанового палива
• Опція використання природного газу
• Опція використання попутного нафтового газу
• Опція використання палива низької енергоємності

Установка FX-48 може застосовуватись у кількох варіантах таким чином:

• Паралельне підключення до високовольтної мережі при 50 Гц, 380 В змінного струму
• Режим спільного вироблення тепла та електроенергії

Експлуатаційні характеристики установки

У режимі виробництва електроенергії і тепла при частоті 50 Гц установка виробляє 65 кВт-год тепла, що видобувається. Продукт обладнаний системою труб, готової для підключення до теплообмінника типу рідина/рідина, що поставляється замовником. Гаряча сторона теплообмінника є схемою замкнутого циклу з охолоджувачем кожуха двигуна і вбудованим радіатором системи, якщо такі присутні. Холодний бік теплообмінника призначений для схем теплоприймача замовника.

Технічне обслуговування

Установка призначена для безперервної роботи та відбору потужності. Базова перевірка експлуатаційних характеристик проводиться замовником з інтервалом у 1000 годин та включає перевірку системи водяного охолодження та рівня олії. Через 10000 годин експлуатації проводиться обслуговування передньої частини установки, що включає заміну поршневого кільця, сальника штока, ременя приводу та різних сальників. Специфічні ключові компоненти перевіряються на зношування. Швидкість роботи двигуна становить 1500 оборотів за хвилину для роботи на частоті 50 Гц.

Безперебійність

Безперебійність роботи установки становить понад 95%, виходячи з інтервалів експлуатації та враховується при графіку технічного обслуговування.

Рівень звукового тиску

Рівень звукового тиску блоку без вбудованого радіатора складає 64 дБа на відстані 7 метрів. Рівень звукового тиску блоку із вбудованим радіатором із вентиляторами охолодження становить 66 дБА на відстані 7 метрів.

Викиди

При роботі на природному газі викиди двигуна менші або дорівнюють 0,0574 г/Нм 3 NO x , 15,5 г/Нм 3 летких органічних сполук та 0,345 г/Нм 3 СО.

Газоподібне паливо

Двигун розрахований на роботу на різних типах газоподібного палива зі значеннями нижчої теплоти згоряння від 13,2 до 90,6 МДж/Нм 3 попутний нафтовий газ, природний газ, вугільний метан, газ вторинної переробки, пропан і біогаз полігонів ТПВ. Для охоплення даного діапазону пристрій може бути замовлений з наступними конфігураціями паливної системи:

Система згоряння вимагає регульованого тиску подачі газу 124-152 мбар для всіх типів палива.

Довкілля

Установка у стандартному виконанні працює за температури навколишнього середовища від -20 до +50°С.

Опис установки

Теплоенергетична установка FX-38 повністю готова для вироблення електроенергії у заводській поставці. Вбудований електричний пульт монтується на блок для задоволення вимог інтерфейсу та контролю. Стійкий до атмосферних впливів цифровий дисплей, вбудований в електричний пульт, забезпечує оператору інтерфейс запуску, зупинки та перезапуску за допомогою кнопок. Електричний пульт також є основним місцем підключення кінцевого електричного пристрою замовника, а також кінцевими пристроями дротового зв'язку.

Установка здатна досягати вихідної потужності повного навантаження через 3-5 хвилин з моменту запуску в залежності від початкової температури системи. Послідовність запуску та встановлення приводиться в дію натисканням кнопки.

Після команди запуску установка підключається до високовольтної мережі шляхом закриття внутрішнього контактора на мережу. Двигун негайно повертається, очищаючи камеру спалювання до відкриття паливних клапанів. Після відкриття паливного клапана енергія подається на запальний пристрій, підпалюючи паливо камери спалювання. Наявність спалювання визначається підвищення температури робочого газу, що приводить в дію процедуру управління розгоном до точки робочої температури. Після цього полум'я залишається самопідтримуваним і постійним.

Після команди зупинки установки спочатку закривається клапан для припинення процесу спалювання. Після попереднього часу, протягом якого механізм охолоджується, відкриється контактор, відключаючи установку від мережі. Якщо такі встановлені, вентилятори радіатора можуть працювати деякий час для зменшення температури рідини, що охолоджує.

В установці використовується двигун зовнішнього згоряння із постійною довжиною ходу, підключений до стандартного індукційного генератора. Пристрій працює паралельно з високовольтною мережею або паралельно із системою розподілу енергії. Індукційний генератор не створює власного збудження: він отримує збудження від підключеного джерела електромережі. Якщо напруга в мережі зникає, установка вимикається.

Опис вузлів установки

Конструкція установки забезпечує її простий монтаж та підключення. Існують зовнішні з'єднання для паливних труб, кінцевих пристроїв електроенергії, інтерфейсів комунікацій і, якщо це передбачено, зовнішнього радіатора та система труб теплообмінника рідина/рідина. Установку можна замовити в комплекті із вбудованим або віддалено монтованим радіатором та/або системою труб теплообмінника рідина/рідина для охолодження двигуна. Також надаються інструменти для безпечного відключення та логічні схеми керування, розроблені спеціально для бажаного режиму роботи.

Кожух має дві експлуатаційні панелі на кожній стороні відділення двигун/генератор та зовнішні однопетельні двері для доступу до електричного відділення.

Вага установки: близько 1770 кг.

Двигун є 4-циліндровим (260 см 3 /циліндр) двигуном зовнішнього згоряння, що поглинає тепло безперервного спалювання газового палива в камері внутрішнього згоряння і включає наступні вбудовані компоненти:

• Вентилятор подачі повітря в камеру згоряння приводиться в дію двигуном.
• Повітряний фільтр камери згоряння
• Паливна система та кожух камери згоряння
• Насос для мастила, приводиться в дію двигуном
• Охолоджувач та фільтр для мастила
• Водяний насос системи охолодження двигуна, що приводиться в дію двигуном
• Температурний датчик води у системі охолодження
• Датчик тиску мастила
• Датчик тиску та температури газу
• Все необхідне контрольне та захисне обладнання

Характеристики генератора наводяться нижче:

• Номінальна потужність 38 кВт при 50 Гц, 380 В змінного струму
• Електричний ККД 95,0% при коефіцієнті потужності 0,7
• Порушення від комунальної електромережі за допомогою індукційного двигуна/генераторного збудника
• Менш 5% загальних гармонічних спотворень від відсутності навантаження до повного навантаження
• Клас ізоляції F

Інтерфейс оператора – цифровий дисплей забезпечує керування установкою. Оператор може запустити та зупинити встановлення з цифрового дисплея, переглянути час роботи, робочі дані та попередження/збої. При установці опціонального модуля вимірювання потужності оператор може бачити багато електричних параметрів, такі як потужність, кіловат-години, кіловат-ампери і коефіцієнт потужності.

Функція діагностики обладнання та збору даних вбудована у систему контролю встановлення. Діагностична інформація спрощує віддалений збір даних, звіт за даними та усунення несправностей пристрою. Ці функції включають збір системних даних, таких як інформація про робочий стан, всі механічні робочі параметри, такі як температура і тиск циліндрів, а також якщо підключений опціональний вимірювач потужності, - електричні параметри значень вироблюваної потужності. Дані можуть бути передані через стандартний порт з'єднання RS-232 і показані на персональному комп'ютері або ноутбуку за допомогою програмного забезпечення для збору даних. Для кількох установок або у випадках коли відстань передачі сигналу перевищує можливості RS-232, для отримання даних використовується опціональний порт RS-485 з використанням протоколу MODBUS RTU.

Для перенесення гарячих вихлопних газів від системи згоряння використовуються труби із нержавіючої сталі. До вихлопної труби в місці виходу з кожуха прикріплена збалансована вихлопна заслінка із захисним ковпаком від дощу та снігу.

Для охолодження можуть застосовуватись різні прикладні технології та конфігурацій:

Вбудований радіатор – це радіатор, розрахований на температуру навколишнього середовища до +50°C. Усі труби підключаються у заводських умовах. Це типова технологія у випадку, якщо не використовується утилізація тепла, що відходить.

Зовнішній радіатор призначений для встановлення замовником, розрахований на температуру навколишнього середовища до +50°C. Короткі ніжки, що несуть, поставляються з радіатором для монтажу на контактному столику. При необхідності установки в приміщенні можна використовувати даний варіант замість надання системи вентиляції, необхідної для подачі повітря, що охолоджує, у вбудований радіатор.

Зовнішня система охолодження – надає систему труб зовні кожуха для системи охолодження, що поставляється замовником. Їй може бути теплообмінник або віддалено монтований радіатор.

Хладагент складається з 50% води та 50% етиленгліколю за обсягом: можна замінити сумішшю пропіленгліколю та води, при необхідності.

Установка FX-38 використовує водень як робоче тіло для руху поршнів двигунів через високі здібності водню до передачі тепла. У нормальному режимі роботи споживається передбачувана кількість водню через нормальні витоки, викликані проникністю матеріалу. Для врахування цього темпу споживання місце встановлення вимагає наявності одного або декількох наборів балонів з воднем, відрегульованих та приєднаних до блоку. Усередині установки вбудований водневий компресор збільшує тиск у балоні до вищого тиску двигуна і вводить малі порції на запит вбудованого програмного забезпечення. Вбудована система не потребує технічного обслуговування, а балони підлягають заміні залежно від роботи двигуна.

Для подачі палива поставляється труба зі стандартним трубним різьбленням 1 дюйм для всіх стандартних типів палива, за винятком низькоенергетичних варіантів, для яких використовується стандартне трубне різьблення 1 1/2 дюйма. Вимоги до тиску палива всіх видів газоподібного палива становлять від 124 до 152 мбар.

Основний принцип роботи двигуна Стірлінга полягає в постійному чергуванні нагріванні та охолодженні робочого тіла в закритому циліндрі. Зазвичай у ролі робочого тіла виступає повітря, але й використовуються водень і гелій.

Цикл роботи двигуна Стірлінга складається з чотирьох фаз і розділений двома перехідними фазами: нагрівання, розширення, перехід до джерела холоду, охолодження, стиснення та перехід до джерела тепла. Таким чином, при переході від теплого джерела до холодного джерела відбувається розширення та стиск газу, що знаходиться в циліндрі. У цьому змінюється тиск, рахунок чого можна отримати корисну роботу. Оскільки теоретичні пояснення приділяли вченим чоловікам, слухати їх часом утомливо, тому перейдемо до наочної демонстрації роботи двигуна Стерлінга.

Як працює двигун Стірлінга
1. Зовнішнє джерело тепла нагріває газ у нижній частині теплообмінного циліндра. Створюваний тиск штовхає робочий поршень вгору.
2. Маховик штовхає витіснювальний поршень вниз, тим самим переміщуючи розігріте повітря з нижньої частини в камеру, що охолоджує.
3.Повітря остигає і стискається, робочий поршень опускається вниз.
4.Витискальний поршень піднімається вгору, тим самим переміщуючи охолоджене повітря в нижню частину. І цикл повторюється.

У машині Стірлінга рух робочого поршня зрушено на 90 градусів щодо руху поршня-витісняча. Залежно від знака зсуву машина може бути двигуном або тепловим насосом. При зрушенні 0 градусів машина не виконує жодної роботи (крім втрат на тертя) і не виробляє її.

Ще одним винаходом Стірлінга, що збільшив ККД двигуна став регенератор, який являє собою камеру, заповнену дротом, гранулами, гофрованою фольгою для поліпшення тепловіддачі газу, що проходить (на малюнку регенератор замінений ребрами радіатора охолодження).

У 1843 році Джеймс Стірлінг використав цей двигун на заводі, де він на той час працював інженером. У 1938 році фірма «Філіпс» інвестувала у двигун Стірлінга потужністю понад двісті кінських сил та віддачею понад 30 %.

Переваги двигуна Стірлінга:

1. Всеїдність. Можна використати будь-яке паливо, головне створити різницю температур.
2. Низька шумність. Оскільки робота побудована на перепаді тиску робочої рідини, а не на підпалі суміші, то шумність у порівнянні з двигуном внутрішнього згоряння суттєво нижча.
3. Простота конструкції, звідси високий запас міцності.

Однак усі ці переваги здебільшого перекреслюються двома великими недоліками:

1. Великі габарити. Робоче тіло необхідно охолоджувати, і це призводить до суттєвого збільшення маси та розмірів за рахунок збільшених радіаторів.
2. Низький ККД. Тепло підводиться немає до робочому тілу безпосередньо, лише через стінки теплообмінників, відповідно втрати ККД великі.

З розвитком двигуна внутрішнього згоряння двигун Стірлінга пішов ... немає не в минуле, а в тінь. Він з успіхом експлуатується як допоміжні силові установки на підводних човнах, теплові насоси на теплоелектростанціях, як перетворювачі сонячної та геотермальної енергії в електричну, з ним пов'язані космічні проекти зі створення силових установок працюючих на радіоізотопному паливі (радіоактивний розпад відбувається з виділенням температури, хто не знав). Хто знає, можливо одного разу двигун Стірлінга чекає велике майбутнє!