Эффективость использования двигателей Стирлинга в составе газо-газовых теплоэнергетических установок

УДК 621.657

Р. А. Ильин

ЭФФЕКТИВОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА В СОСТАВЕ ГАЗО-ГАЗОВЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Двигатель Стирлинга (ДС) - специфический тепловой двигатель, работающий по изохор-но-изотермическому циклу с определенной степенью регенерации теплоты в изохорных процессах. Традиционный ДС имеет «внешний» подвод теплоты к рабочему веществу от камеры сгорания или другого горячего источника. Область применения - судовые энергетические установки, транспортные установки, промышленная теплоэнергетика и др.

Необходимость регенерации теплоты и реализации изохорных и изотермических процессов в ДС приводит к некоторому его усложнению, особенно заметному при сравнении с современными двигателями внутреннего сгорания (ДВС), работающими по циклу Тринклера. Появляются дополнительные теплообменные аппараты (регенератор, охладитель), усложняется поршневая система и передача к валу двигателя, что вызывает дополнительные механические потери по сравнению с ДВС. На термодинамическую эффективность ДС влияет меньшая по сравнению с ДВС степень сжатия рабочего вещества. Особенностями ДС являются невысокие максимальные температуры цикла, но при глубоком охлаждении рабочего вещества в конце цикла. Рабочими веществами для ДС являются гелий, водород, воздух и другие газы, для низкопотенциальных ДС - фреоны. Возможность использования различных веществ связана с тем, что ДС работает по замкнутой схеме без расхода рабочего вещества.

Характеристики современных ДС: КПД - 0,25-0,45; частота вращения - 600-5 000 об/мин, температура в нагревателе - 630-815 °С, в холодильнике - 15-62 °С; давление рабочего вещества -1-28 МПа; литровая мощность - 55-156 кВт/л; удельная масса - 2,6-10,2 кг/кВт, ресурс - около 10 тыс. ч. Характеристики некоторых ДС приведены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры некоторых ДС

№ Фирма, страна Мощ- ность, кВт Частота вращения, об/мин Интервал температур, оС, гор./хол. Рабочее вещество Эффективный КПД, це Эффективное давление, 105 Па Удельная масса, кг/кВт Назначение

1 Филипс Нидерланды 84 3 000 700/25 Гелий 0,32 - 5,4 Судовой

1а 1 000 0,41

2 147 3 000 700/60 0,30 32,0 5,1 Автомо- бильный

2а 1 000 0,41

3 150 2 400 720/65 - - 5,9 Судовой

4 202 1 500 600 710/71 0,30 29,4 - Автомо- бильный

5 29 2 500 710/15 Водород 0,34 22,4 6,9 -

5а 1 500 0,39

6 Дженерал Моторс и др. США 22 2 000 690/62 Гелий 0,35 31,0 4,4 Подводный аппарат

7 66 1 500 700/25 Водород 0,39 - -

8 1 030 800 Гелий

9 264 1 500 Водород

10 128 4 000 650/52 Гелий 0,25 23,0 1,6 Автомо- бильный

11 6,3 3 500 705/38 Водород 0,27 13,5 6,9 Привод генератора

12 7,3 3 000 815/19 0,37 18,5 5,4

13 2,9 - 672/62 Гелий До 0,32 - - Космический аппарат

14 Швеция 147 2 400 - Водород 0,36 - 4,3 Автомо- бильный

Очевидная необходимость дальнейших исследований возможностей повышения эффективности ДС частично отражена в [1-5] и др.

Важной термодинамической характеристикой тепловых двигателей, в том числе ДС, является распределение потерь эксергии в элементах двигателя. Например:

Эксергетический баланс ДВС 1ЧН14,5/20,5 мощностью 31 кВт, %: полезная работа - 34,8; потери: с уходящими газами - 29,6; механические - 5,1; химические - 5,2; в системе охлаждения и смазки - 2,0; др. - 23,3.

То же - газотурбинной установки (ГТУ) мощностью 3 000 кВт на газообразном топливе: полезная работа - 0,283, потери: с уходящими газами - 0,035; в турбинах и компрессорах - 0,15; в регенераторе - 0,068; в камере сгорания - 0,379, др. - 0,085.

То же - тепловой электростанции большой мощности с начальным давлением пара 13,9 МПа: полезная работа - 0,371; потери: в паровом котле - 0,532; в турбоагрегате - 0,062; в конденсаторе и системе регенерации - 0,032; др. - 0,003.

То же - ДС 6,5/3,0 небольшой мощности: полезная работа - 20; потери: в приводном механизме - 38,4; в системе охлаждения - 24,1; во внутреннем контуре - 12,9; в нагревателе - 4,6.

В табл. 2 приведено отношение эксергетического КПД указанных выше тепловых двигателей к КПД цикла Карно для рабочего диапазона их температур.

Таблица 2

Характеристика ДВС ГТУ ПТУ* ДС

Отошение эксергетического КПД к КПД цикла Карно 0,44 0,41 0,57 0,38

Паротурбинная установка.

Ниже приводятся результаты оценки эффективности вариантов использования ДС в составе теплоэнергетических установок (по схемам 1-3, рис. 1).

Схема 1

Схема 2

Схема 3

Ех1

Т1

полезн

Т,

Ехт

Тт

Ехт

Тт

Окр.

среда, Т„

Е

Т1

полезн

Т2

Еп

Т1

> > КС I ---------1» ГТУ < у

1ДС

Окр.

среда, То

^Ег

полезн

Т2

1» ДС

2ДСЧ

Окр.

среда, Т>

Рис. 1. Возможные схемы включения ДС в состав теплоэнергетических установок:

1 - ДС как утилизационный при Т1 существенно меньших Тт ; 2 - ДС между топливным источником теплоты и окружающей средой; 3 - ДС в составе газо-газовой теплоэнергетической установки; КС - камера сгорания; Тт - теоретическая температура горения топлива [3, 4]

Анализ выполнен на основе коэффициента использования располагаемой эксергии по методикам [2-4]. Для этого коэффициента получены следующие формулы:

- при включении ДС по схеме 1 - дСі = ПКарно ' Птд ' Пмэ/т;

- то же по схеме 2 - ПВДС2 = П/РН0 ' Птд ' Пмэ/тт ;

- то же по схеме 3 - %3 = %ГТУ + %ДС2 ,

где %ГТУ - коэффициент использования располагаемой эксергии для ГТУ по [4]; п арно - КПД цикла Карно, вычисляемый по максимальной и минимальной температурам цикла двигателя; птд -термодинамические потери, связанные с отклонением реального цикла двигателя от цикла Карно; Пмэ - механические, гидравлические, электрические и другие потери в двигателе; т1 и Тт - эксерге-тические температурные функции в интервалах температур 71...Т0 и Тт...Т0 соответственно.

Побщ = Птд ' Пмэ .

На рис. 2 представлены результаты расчетов по формулам (1) и (2), а также другие данные, позволяющие сравнить варианты использования ДС. Очевидно, что непосредственное использование КС для работы ДС (схема 2) при реальных це дает низкий коэффициент использования располагаемой эксергии (около 0,3). Использование ДС в качестве утилизационного (схема 1) существенно повышает этот коэффициент и дает некоторые технические преимущества [5].

0,7

0,6 0,6

0,5

0,4

0,3

0,25 0,30 0,35 0,40

Рис. 2. Данные по КПД цикла Карно некоторых ДС (см. табл. 1) и коэффициенты общих потерь в двигателе при различных эффективных КПД Це; - ^общ ;• - Л?КарН* ;

прерывистая линия - коэффициент использования располагаемой эксергии в ДС при работе по схеме 1; сплошная линия - то же по схеме 2; номера у точек соответствуют номерам в табл. 1

Для определения коэффициента использования располагаемой эксергии в схеме 3 по формуле (3) привлечены необходимые данные по ГТУ из [4], которые представлены на рис. 3. На рисунке линии соответствуют температуре газа за турбиной, точки - по данным ГТУ-электростанций постройки с 1970-1980 гг. по 2000 г. мощностью 5-180 МВт с умеренными и высокими значениями температуры газа перед турбиной и с различными значениями температуры газа за турбиной (фирмы США, Германии, Японии, России и др.).

Рис. 3. Зависимость коэффициента использования располагаемой эксергии в реальных ГТУ различных мощностей (5-180 МВт) и параметров от температуры газов перед Тгт и после Туг газовой турбины

В качестве примера определена эффективность установки по схеме 3 с ГТУ и ДС, которую можно назвать газо-газовой теплоэнергетической установкой. Приняты характерные параметры ГТУ и ДС.

При условиях Тт = 2 314 К и Т0 = 273 К тепловые потери в элементах схемы и в теплопроводах отсутствуют; газы, как рабочие вещества, приняты идеальными. ГТУ: Т1ГТУ = 1 450 К; Т2ГТУ = 850 К; ^мэ = 0,7 (см. также текст под рис. 3). ДС: Т1дС = 800 К; Т2дС = 323 К; Це = 0,27. По рис. 2 определяем 'Лхдс = 0,306, по рис. 3 - ^іггУ = 0,325. Тогда, по формуле (3),

ПІ3 = 0,325 + 0,306 = 0,631.

Это означает, что при низком коэффициенте использования эксергии отдельно в ГТУ (высокотемпературная часть) и в ДВС (утилизационная часть) суммарный коэффициент при последовательном их включении в составе газо-газовой установки имеет большую величину, характерную для ПГУ, как наиболее эффективных и перспективных в настоящее время [2].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ильин А. К. Цикл Стирлинга: основные характеристики и возможность использования в системах ОТЭС // Системы преобразования энергии океана: сб. науч. тр.: Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1985. -С. 156-187.

2. Ильин А. К., Ильин Р. А. Анализ теплоэнергетических установок по термодинамическим параметрам // Вестн. Воронеж. ГТУ. Сер. Энергетика. - 2004. - Вып. 7.4. - С. 45-49.

3. Ильин А. К., Ильин Р. А., Мовчан В. А. Особенности использования ГТУ с утилизационным котлом // Малая энергетика-2004: Тр. Междунар. конф. - М.: Минатом РФ, Минэнерго РФ, 2004. - С. 144-145.

4. Ильин Р. А. Эффективность автономной работы ГТУ без утилизационного котла // Материалы нац. конф. по теплоэнергетике. - Казань: КазНЦ РАН, 2006. - Т. 2. - С. 81-82.

5. Кукис В. С. Двигатель Стирлинга как утилизатор теплоты отработавших газов // Автомобильная промышленность. - 1988. - № 9. - С. 19-20.

Статья поступила в редакцию 31.07.2008

EFFICIENCY OF STIRLING ENGINES USE IN THE STRUCTURE OF GAS-GAS HEAT POWER INSTALLATIONS

R. A. Ilyin

The thermodynamic analysis of efficiency of Stirling engines use either independently or in the structure of gas-gas installations (gas turbine installation -Stirling engine) is executed. It is shown that only in the offered combination the high coefficient of efficiency of the examined installations can be reached.

Key words: Stirling engine, gas turbine, efficiency, thermodynamic analysis, coefficient of efficiency.