Свободнопоршневые двигатели с внешним подводом теплоты как перспективное направление малой распределенной энергетики

СВОБОДНОПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ КАК ПЕРСПЕКТИВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ МАЛОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

1 2 © Шустров Ф.А/, Иванов Д.А.2

Московский политехнический университет, г. Москва

В докладе представлено обоснование целесообразности внедрения свободнопоршневых двигателей с внешним подводом теплоты в автономных системах энергоснабжения, ориентированных на энергодефицитные регионы, а также сформулированы основные положения концепции стационарной энергоустановки на базе двигателя с внешним подводом теплоты.

Ключевые слова двигатель с внешним подводом теплоты, свобод-нопоршневой двигатель, малая распределенная энергетика.

По данным Международного центра устойчивого энергетического развития под эгидой ЮНЕСКО две трети территории России находится в зоне децентрализованного и автономного энергоснабжения (рисунок 1).

Калини

Рис. 1. Карта энергообеспечения территории России

1 Заместитель директора НТЦ «Силовые агрегаты».

2 Ведущий инженер-исследователь НТЦ «Силовые агрегаты».

На ней проживают почти 25 млн. человек, которые вынуждены платить за энергию по повышенным ставкам, составляющим более 25 руб. за кВт-ч. Более 50 регионов страны вовсе энергодефицитны, то есть их энергетическая безопасность находится под угрозой, поскольку они могут существовать только в условиях завоза топлива. В таких регионах стоимость 1 кВт-ч доходит до 100 руб.

В настоящее время наиболее распространенными первичными источниками энергии в автономных энергоустановках и прочей силовой технике являются поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), работающие на ископаемых топливах нефтяного происхождения. Этому способствует высокая степень проработки конструкции и, как следствие, технологическая простота и низкая себестоимость, а также достаточно высокие удельные эффективные показатели. В большинстве случаев эксплуатация таких энергоустановок считается экономически оправданной, если существует возможность организации круглогодичной поставки топлива, однако, учитывая географические особенности РФ, которой свойственны не только достаточная удаленность энергопотребителей от мест добычи и переработки нефтепродуктов, но и широкий спектр климатических условий, оказывающий существенное влияние на транспортные перевозки, использование подобных установок для энергообеспечения зачастую связано с значительными эксплуатационными издержками.

Электроснабжение удаленных потребителей малой энергетики осуществляется от стационарных и передвижных дизельных электростанций и газотурбинных установок или газопоршневых станций [1], их эксплуатация, естественно, сопряжена с дополнительными затратами на транспортировку топлива к месту расположения установки. Доля установок малой энергетики, работающих на нетрадиционном топливе, в России крайне мала, а ассортимент используемого топлива не велик. Для объектов нефтегазовой промышленности зависимость от привозного топлива могла бы быть снижена при использовании в качестве топлива для тепловых двигателей попутного газа, но полноценное использование этого вида топлива затруднительно, поскольку фракционный состав газа не постоянен.

Проблема зависимости от привозного топлива также может быть решена в автономных энергоустановках на базе газопоршневых ДВС, оснащенных газогенератором для получения газообразного топлива непосредственно на борту энергоустановки путем газификации различных видов местного топлива и возобновляемых отходов, например, из побочных продуктов деревообрабатывающей отрасли [2]. Однако для газогенераторов характерна инерционность процесса газификации топлива, что может привести к ухудшению приемистости энергоустановки при быстром переходе от средних нагрузок к высоким, вызванному недостаточной производительностью газогенератора. Указанная проблема может быть решена за счет применения

газогенератора увеличенной производительности или топливного аккумулятора, выполненного в виде дополнительного газового резервуара, однако, оба эти решения приводят к дополнительному увеличению размеров и массы энергоустановки, что в особых условиях эксплуатации является нежелательным фактором.

В качестве решения проблемы адаптации электрогенерирующих мощностей объектов, расположенных в удаленных и энергодефицитных регионах, к местным видам топлива может выступать внедрение в малой энергетике двигателей с внешним подводом теплоты (ДсВПТ) [3], способных потреблять в качестве топлива не только продукты нефтегазовой отрасли, такие как бензин, дизельное топлива, пропан-бутан, мазут, но и использовать нетрадиционные виды топлива, включая местные топлива, такие как торф, отходы деревообрабатывающих предприятий, геотермальные источники тепла и пр. Вариативность выбора используемого топлива обеспечивает многотопливность ДсВПТ, которая позволяет заменить дорогие нефтяные топлива более дешевыми и значительно расширить сферы и регионы применения ДсВПТ.

На основании вышесказанного можно с уверенностью утверждать, что именно автономное энергоснабжение для России представляет нишу, где необходимо использовать энергоустановки на базе двигателей с внешним подводом теплоты, работающие на местных, в т.ч. альтернативных видах топлива. Другая ниша применения ДсВПТ находится в зоне централизованного энергоснабжения. Речь идет о так называемых тупиковых линиях электропередачи в энергодефицитных районах. Особое распространение такая концепция может иметь в центральных, южных регионах, в Сибири и на Дальнем Востоке [4].

Для решения задач по децентрализации энергоснабжения целесообразно создание автономной и многотопливной энергоустановки малой мощности, используя при этом современные методики проектирования, основанные на комплексном подходе к теоретическим и экспериментальным исследованиям [5]. Анализ существующего технического уровня в области создания ДсВПТ позволил сформировать основные положения концепции стационарной энергоустановки на базе двигателя с внешним подводом теплоты, изложенные ниже, реализация которой в перспективе позволит создать образцы современных, более универсальных в части используемого топлива установок для автономного энергообеспечения стационарных объектов, расположенных в энергодефицитных рагионах.

Наибольшую эффективность ДсВПТ позволит достичь применение сво-боднопоршневой кинематической схемы, в которой отсутствует жесткая связь между вытеснителем и рабочим поршнем, а отбор полезной производимой работы может осуществляться непосредственно с рабочего поршня. Сохраняя все преимущества классического ДсВПТ с кривошипно-шатун-

ным механизмом, а это экологичность, многотопливность, низкий уровень акустического воздействия, большой срок эксплуатации и пр., свободнопорш-невой двигатель имеет более высокий эффективный КПД благодаря меньшим механическим потерям и лучшим массогабаритным показателям [6].

Для достижения высоких эффективных показателей двигателя в качестве рабочего тела рационально применение гелия, поскольку этот газ имеет малую молекулярную массу, обеспечивающую течение газа внутри рабочего контура двигателя с относительно низкими аэродинамическими потерями, и в смеси с воздухом, в отличие от водорода, не взрывоопасен. При этом система регулирования давления рабочего тела должна позволять при необходимости изменять количество рабочего тела, находящегося в рабочих полостях двигателя, а также компенсировать его возможные утечки [7].

Также не стоит забывать, что высокие эффективные показатели ДсВПТ могут быть достигнуты лишь при использованием в нем регенератора, входящего в состав теплообменного контура. Применение регенератора в составе теплообменного контура обеспечивает работу ДсВПТ без вывода тепловой энергии рабочего тела из термодинамического цикла, обеспечивая замкнутость цикла [8]. В свою очередь, замкнутый термодинамический цикл ДсВПТ позволяет значительно сократить уровень шума и вибраций, производимых двигателем, и если использовать в нем динамически уравновешенный приводной механизм, то потенциальные возможности практического применения двигателя могут быть значительно расширены.

С целью унификации конструкции и обеспечению быстроты его перевода на различные вида топлив целесообразно предусмотреть при проектировании конструкции нагревателя и камеры сгорания возможность ее работы на газообразном и жидком топливах, а также биотопливе растительного происхождения и твердых видах топлива.

Особое внимание необходимо уделить проблеме уплотнений рабочей полости, которые в ДсВПТ данного типа выполняет сразу две функции: предотвращает утечки рабочего тела из рабочей полости и не допускает попадания в нее моторного масла из картера. Утечка рабочего тела нежелательна, так как приводит к уменьшению среднего давления цикла, что в свою очередь снижает полезную мощность двигателя. Исключение попадания моторного масла в теплообменный контур двигателя является чрезвычайно важной задачей, поскольку присутствие масла в рабочем теле приводит к образованию отложений на теплообменной поверхности, снижающих площадь поверхности теплообмена и увеличивающих аэродинамическое сопротивление регенератора. Снижение эффективности теплообменного контура приводит к уменьшению перепада температур, что в итоге снижает эффективный КПД двигателя [9]. Целесообразно применение газовой смазки для вытеснителя и рабочего поршня [10], а также широкое использование антифрикционных покрытий рабочего поршня и лабиринт-

ных уплотнений с низким усилием давления на стенки цилиндра поршня, материал которых способен обеспечить длительную работу при отсутствии смазки.

В последнее время лидирующую позицию в области электропривода заняли электрические машины на постоянных магнитах. Использование в составе энергоустановок на базе ДсВПТ линейных электромашин такого типа позволит сократить массу и габаритные размеры установки, а также снизить внутренние электромагнитные потери [11].

Реализация представленных требований позволит создать универсальный источник энергии, технические характеристики которого обеспечат широкие возможности применения в областях, где требуется автономность получения энергии, высокий ресурс работы и низкий уровень негативного воздействия на окружающую среду.

Настоящий доклад подготовлен в ходе реализации НИР, выполняемой при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, в рамках стипендии Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, регистрационный номер СП-264.2015.1.

Список литературы:

1. http://www.combienergy.ru/tline.php.

2. Маслов Ю.Л., Рассказов А.В., Уйминов А.А. Мобильная автономная установка на базе ДВС для выработки электрической и тепловой энергии из местных видов топлива и возобновляемых отходов // Журнал «Новости теплоснабжения». - 2009. - № 8.

3. Lezhnev L., Ivanov D., Shustrov F. Engineering solutions for an autonomous power unit's prime engines. Life Sci J 2014; 11(12): 352-359.

4. http://www.ecoteco.ru/library/magazine/3/technologies/netradicionnye-is-tochniki-energii-nahodyat-svoe-mesto-v-rossiyskih-regionah/.

5. Lezhnev L.Yu., Khripach N.A., Ivanov D.A., Shustrov F.A., Dobrodomov D.A. Integrated design methodology for development of a free-piston Stirling engine. International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 Volume 11, Number 13 (2016), pp. 8067-8074.

6. Шустров Ф.А., Иванов Д.А., Татарников А.П. Оценка эффективности использования свободнопоршневых тепловых двигателей в составе транспортных и стационарных энергоустановок // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2015. -№ 10-3. - С. 449-453.

7. Lezhnev L.Yu., Ivanov D.A., Zaletov D.V The Basics of Controlling a Free Piston Stirling Engine. Biosciences Biotechnology Research Asia, 2015. Vol. 12 (Spl. Edn. 2), p. 429-439.

8. Иванов Д.А., Шустров Ф.А. Оценка влияния параметров теплооб-менного контура на характеристики двигателя Стирлинга // Научные исследования и разработки молодых ученых. - 2014. - № 1. - С. 81-86.

9. Walker G Stirling engines. Oxford: Oxford University Press, 1980.

10. Beale W.T. The free-piston Stirling engines: 20 years of development // Proc. 18-th IECEC. - Orlando, 1983. - vol. 2, p. 689-693.

11. Bagg S.D. Linear alternator technologies used for free piston Stirling engines. Nuclear and Emerging Technologies for Space (2012).