Обзор нетрадиционных типов судовых энергетических установок

УДК 621.44

А. Р. Бисенов, Б. С. Сатжанов, Е. В. Климова

ОБЗОР НЕТРАДИЦИОННЫХ ТИПОВ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Экологические проблемы окружающей среды в значительной степени связаны с её загрязнением отработавшими газами поршневых двигателей. Это привело к необходимости поиска решений по ограничению токсичности отработавших газов и повышению экономичности топлива.

Существуют два стратегических направления совершенствования комбинированных электрических энергоустановок.

Первое - более далекая перспектива - комбинированные электрические энергоустановки состоят из нескольких источников тока. Роль основного источника выполняет электрохимический генератор «металл - воздух» или топливный элемент «водород - воздух». Роль буферного источника выполняют аккумуляторная батарея или емкостный накопитель, имеющий малое внутреннее сопротивление, но большую удельную мощность [1].

Второе - это транспортные средства с комбинированными энергоустановками. Такая установка состоит из электрического привода и накопителя электроэнергии. Транспортные средства на основе электропривода и двигателя внутреннего сгорания по ряду признаков образуют несколько групп: по энергоприводу (параллельная, параллельно-последовательная и последовательная схема); по типу теплового двигателя; по типу топлива. Наиболее важны две схемы гибридного привода - последовательная и параллельная (третья схема, по существу, их симбиоз) [2].

При последовательной схеме двигатель приводит в действие электрогенератор, который питает электродвигатель. Достоинство: двигатель постоянно работает на одном из трех режимов -при максимальном крутящем моменте, минимальном расходе топлива или наименьшей токсичности отработавших газов. Коэффициент полезного действия невысок, поскольку один вид энергии дважды превращается в другой.

При параллельной схеме мощностные требования существенно ниже. Не нужен генератор, потому что его роль выполняет электродвигатель, и двигатель необходим небольшой [3].

За рубежом первые анаэробные (воздухонезависимые) вспомогательные энергетические установки для судов появились в 70-80-е гг. XX в. При создании перспективных анаэробных энергетических установок для судов основное внимание должно уделяться выбору высокопотенциального источника теплоты - топлива и высокоэффективного преобразователя прямого цикла. Для выявления и систематизации всего перечня потенциально реализуемых анаэробных энергетических установок различных типов выбран метод морфологического анализа. Он позволяет проводить систематизированное исследование различных комбинаций технических решений при проектировании сложных объектов техники.

С этой целью выделены наиболее существенные для анаэробных энергетических установок морфологические признаки:

— источник высокотемпературной теплоты;

— преобразователь прямого цикла;

— система утилизации отработанных сред.

Перспективными являются анаэробные установки с двигателями Стирлинга, работающими на сжиженном природном газе и кислороде [4].

Для обеспечения полноты сгорания сжиженный природный газ предлагается подавать в камеру сгорания двигателя Стирлинга избыточный кислород в количестве, которое определяется стехиометрическим соотношением. В последующем углекислый газ и вода из отработавших газов вымораживаются или частично возвращаются в топливный цикл вместе с непрогоревшим кислородом (рис. 1). Подвод части отработавших газов в камеру сгорания двигателя Стирлинга позволяет снизить температуру горения топлива, что увеличивает надежность работы двигателя.

Рис. 1. Анаэробная энергетическая установка с подводом части отработавших газов в камеру сгорания двигателя: 1 - двигатель Стирлинга; 2 - контур охлаждения двигателя;

3 - аккумулятор холода; 4 - емкость с жидким кислородом; 5 - емкость с газом;

6 - магистраль подачи кислорода; 7 - магистраль подачи газа; 8 - теплообменник-охладитель отработавших газов; линия отработавших газов; 10 - камера сгорания;

11 - насос контура охлаждения двигателя; 12 - эжектор; 13 - кислородный криогенный насос;

14 - криогенный насос для СПГ; 15 - сепаратор

Все большую популярность приобретает идея создания так называемого адиабатного двигателя, у которого бы не было непроизводительных потерь тепла в систему охлаждения (рис. 2). Интенсивную работу в этом направлении ведет американская фирма «Камминс».

Рис. 2. Анаэробная энергетическая установка на основе турбокомпаундного двигателя с вымораживанием продуктов сгорания: 1 - двигатель; 2 - контур охлаждения двигателя;

3 - аккумулятор холода; 4 - емкость с жидким кислородом; 5 - емкость с топливом; 6 - магистраль подачи кислорода; 7 - магистраль подачи топлива; 8 - адсорбер; 9 - теплообменник-охладитель отработавших газов; 10 - линия отработавших газов; 11 - линия слива сжиженного кислорода;

12 - камера сгорания; 13 - насос; 14 - кислородный криогенный насос;

15 - криогенный насос для топлива; 16 - турбина; 17 - силовая турбина низкого давления;

18 - редуктор; 19 - компрессор; 20 - охладитель наддувочного воздуха

Работа идет параллельно по двум направлениям:

— увеличение энергии отработавших газов за счет перераспределения теплоотвода от рабочего тела при отсутствии системы охлаждения;

— использование энергии отработавших газов в силовой турбине низкого давления для получения дополнительной мощности на валу.

Применение силовой турбины позволило повысить мощность, одновременно значительно уменьшился расход топливо и снизил уровень шума.

Силовая турбина использует энергию отработавших газов.

Применение алюмосиликата лития для деталей камеры сгорания является наиболее целесообразным [5].

Одним из наиболее перспективных путей решения проблем, стоящих перед судовой энергетикой, является широкое внедрение энергопреобразующих систем на основе газовых регенеративных машин, работающих по прямому и обратному циклу Стирлинга. Преимуществами машин Стирлинга являются принципиальные свойства, присущие только этим машинам:

— широкая универсальность термодинамического цикла Стирлинга;

— высокая степень экологической чистоты;

— очень высокая энергетическая эффективность.

Двигатели Стирлинга характеризуются более высоким КПД, малой концентрацией вредных веществ в отработавших газах и низким уровнем шума. Кроме того, они могут работать практически на любом виде горючего (бензин, дизельное топливо, природный газ). В 1980-1990 гг. были разработаны проекты экологически чистых двигателей с внешним подводом теплоты и анаэробных энергетических установок на основе цикла Стирлинга [6].

Специалисты и ученые пытаются найти компромисс между снижением токсичности отработавших газов и расходом топлива. Наиболее неблагоприятными с позиции токсичности являются режимы разгона, замедления и холостого хода. Данную проблему можно решить путем внедрения вертикального расположения коленчатого вала, на нижнем конце которого установлены основной и вспомогательный маховики и ведущий элемент передачи крутящего момента. При остановках дополнительный маховик отсоединяется от двигателя, и двигатель глохнет. Впоследствии для запуска двигателя используется кинетическая энергия дополнительного маховика.

Значительное увеличение значений КПД двигателя возможно получить при использовании двигателя с раздельными тактами. Суть заключается в том, что в рабочих цилиндрах только два такта: рабочий ход и выпуск, а всасывание и сжатие рабочей смеси осуществляет компрессор. Камера сгорания выносится за пределы цилиндров. Момент отключения камеры сгорания можно выбрать такой, что в конце рабочего хода давление в цилиндре уменьшится до атмосферного, и двигатель будет работать бесшумно.

Предельное упрощение и сокращение массы и габаритов дизель-генераторов достигается полным исключением всех валов, механических приводов и передач, реализацией свободнопоршневых линейных дизель-генераторов. В свободнопоршневых линейных дизель-генераторах поршни расположены в соосных противоположных цилиндрах и жестко связаны через подвижную часть линейного электрического генератора. Рабочие циклы в противоположных камерах сгорания реализуются поочередно, создавая возвратно-поступательное движение поршней с индуктором, которое генерирует переменный ток в обмотках статора генератора [7].

Топливный элемент - это гальванический элемент, в котором электрическая энергия получается в результате реакции окисления-восстановления топлива (например, водорода) и окислителя (например, кислорода), непрерывно поступающих из специальных резервуаров к соответствующим электродам, между которыми находится электролит, обеспечивающий пространственное разделение процессов окисления и восстановления [8].

Топливные элементы можно классифицировать по следующим признакам:

— по агрегатному состоянию топлива (газообразное, жидкое и твердое);

— типу электролита (щелочной или кислый) или по состоянию электролита (жидкий, твердый);

— температурному интервалу работы (низкотемпературные - до 100 °С; среднетемпературные - до 300 °С; высокотемпературные - свыше 300 °С).

Кроме того, топливные элементы подразделяются на элементы прямого действия (горючее окисляется непосредственно в элементе) и косвенного действия (горючее используется для получения продуктов, окисляющихся затем в элементе).

Их можно разделить также на элементы с расходуемыми и нерасходуемыми электродами, с регенерацией и без регенерации продуктов реакции [9].

Однако топливные элементы имеют и недостатки: промышленное получение большого количества водорода и его хранение, а также дороговизна материалов, применяемых при изготовлении.

Электрохимический генератор - химический источник тока, в котором реагенты в ходе электрохимической реакции непрерывно поступают к электродам. Он состоит из батарей топливного элемента, а также систем хранения и подачи реагентов, отвода продуктов реакции, контроля и управления.

Отдельные системы электрохимического генератора взаимосвязаны. В зависимости от типа и назначения его схема может изменяться. Однако любой электрохимический генератор должен иметь системы, обеспечивающие подвод реагентов, вывод продуктов реакции и регулирование температуры. Каждая из этих систем может быть достаточно сложной, т. к. необходимо поддерживать в определенных пределах расход топлива и окислителя, скорость вывода продуктов реакции, температуру и давление в батарее. Системы электрохимического генератора должны выполнять свою роль не только при стационарном режиме работы, но и при переменных нагрузках [10].

Электрохимический генератор, в свою очередь, входит в состав системы, которая включает систему хранения топлива и окислителя, устройство для преобразования и регулирования тока и напряжения или в общую систему терморегулирования и автоматики.

Разрабатываются гибридные двигатели, при применении которых, помимо традиционного двигателя, на транспорте размещается и компактный электромотор. Основным тяговым двигателем и источником подзарядки аккумуляторов служит бензиновый агрегат, при разгоне ему помогает электромотор. Однако при торможении электродвигатель переходит в режим генератора, подзаряжая аккумуляторные батареи [11].

Двигатель, который работает на воде, высокоэффективен и экологически безопасен. В цилиндры под высоким, более 400 атм, давлением впрыскивается нагретая вода. При резком падении давления и резком охлаждении она распадается на составляющие - водород и кислород, из-за чего происходит взрыв. В качестве поршней в двигателе работает та же вода, которая во время взрыва перетекает из одного цилиндра в другой и производит механическую работу -вращает вал. Во время взрыва газовая смесь опять превращается в воду и вновь становится поршнем. Получается замкнутый цикл. Расход воды при этом минимален. Только для запуска требуется небольшое количество топлива, в качестве которого используется газ, например пропан. Дальше двигатель работает только на воде [12].

В настоящее время в России и за рубежом активно ведутся работы по поиску возобновляемых источников энергии, способных соответствовать всем основным требованиям по энергетической эффективности, экономичности и экологической безопасности судовых энергетических установок. Вышеприведенные варианты нетрадиционных энергетических установок являются наиболее перспективными для дальнейшего исследования и, возможно, последующего применения в промышленных масштабах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Балабаева И. Из воды и воздуха // Автомобильный транспорт. - 2001. - № 1. - С. 36.

2. Чайнов Н. Д. Проблемы и перспективы поршневого двигателестроения в России // Двигателестрое-ние. - 2001. - № 4. - С. 46-47.

3. Эйдинов А. А., Каменев В. Ф., Лежнев Л. Ю. Электромобили и автомобили с КЭУ // Автомобильная промышленность. - 2002. - № 11. - С. 9-12.

4. Кириллов Н. Г., Амирханов Е. И. Анаэробные установки для подводных лодок на основе двигателей Стирлинга и сжиженного природного газа // Судостроение. - 2002. - № 4. - С. 47-50.

5. Михайлов Л. И. На пути к созданию адиабатного двигателя // Двигателестроение. - 1982. - № 5. - С. 52.

6. Кириллов Н. Г. Перспективы развития судовой энергетики на основе машин Стирлинга // Морской флот. - 2002. - № 2. - С. 30-32.

7. Луканинские чтения. Проблемы и перспективы развития автотранспортного комплекса: тез. докл. науч.-техн. конф. - М.: МАДИ (ГТУ), 2003. - 186 с.

8. Новый политехнический словарь / гл. ред. А. Ю. Ишлинский. - М.: Большая Рос. энцикл., 2000. - 671 с.

9. Анисимов В. М. Топливные элементы и перспективы их применения на железнодорожном транспорте. -М.: Транспорт, 1971. - 176 с.

10. Коровин Н. В. Электрохимические генераторы. - М.: Энергия, 1974. - 262 с.

11. Егоров-Тисменко Н. Ю. Энергосберегающие инновации в автомобилестроении // Энергия: экономика, техника, экология. - 2002. - № 5. - С. 20-26.

12. Баршев В., Богданов В. Вода сгорает и взрывается // Автомобильный транспорт. - 2003. - № 1. -С. 62-64.

Статья поступила в редакцию 10.02.2009

THE SURVEY OF ALTERNATIVE TYPES OF SHIP POWER INSTALLATIONS

A. R. Bisenov, B. S. Satzhanov, E. V. Klimova

Alternative types of ship power installations are described in the paper. They allow to carry out the requirements on toxicity restriction of exhaust gases and to reduce fuel consumption (anaerobic power installations, engines of Stirling, etc.). The authors of the paper consider that these types of ship power installations are the most perspective for further research and, probably, for subsequent commercial application.

Key words: ship power installation, engine of Stirling, anaerobic power installation.