|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 01/2004
Kogeneracyjny blok z silnikiem Stirlinga. Konkurencji brak!
|
|
Decentralizację wytwarzania ciepła i energii elektrycznej uznaje się za najbardziej efektywną drogę obniżania globalnej emisji dwutlenku węgla do atmosfery (o ok. 25 proc. do 2010 r.). Relatywnie wielki potencjał uefektywniania energetyki upatruje się dziś nie tylko w budowie lokalnych (gminnych) elektrociepłowni na bazie miejscowych źródeł biomasy, ale nawet w kogeneracyjnych agregatach o mocy 5-50 kWe na potrzeby domów jedno- i wielorodzinnych.
Tego typu agregaty kogeneracyjne z silnikami Stirlinga okazują się bezkonkurencyjnymi. W przeciwieństwie bowiem do silników Otta i Diesla, przestrzenie robocze w silnikach Stirlinga są jednorazowo, trwale wypełnione gazem o ciśnieniu 4-15 MPa i szczelnie zamknięte.
|
Dzięki takiej konstrukcji nie ma w nich zaworów i łańcuchów rozrządu, a za sprawą zewnętrznego doprowadzania ciepła, rodzaje jego źródła mogą być autentycznie dowolne, tj. nie tylko stałe, ciekłe czy gazowe, ale w dodatku zarówno nieodnawialne (węgiel, ropa, gaz ziemny), jak i odnawialne, a wśród nich stosuje się obecnie nawet energię słoneczną poprzez bezpośrednie napromieniowanie podgrzewaczy silnikowych, wypełnionych gazem roboczym (najefektywniej wodorem lub helem). Spaliny nie mają możliwości wnikania do silnika Stirlinga, co owocuje niskim zużywaniem się jego części oraz relatywnie długimi okresami eksploatacji. Silniki Stirlinga, jako jednostki napędowe w niewielkich agregatach kogeneracyjnych, wykazują wiele zalet w porównaniu z konwencjonalnymi tego typu urządzeniami:
czasookresy międzyremontowe silników Stirlinga, dzięki hermetycznie zamkniętej obudowie w odniesieniu do paliwa, wynoszą 5000-8000 godzin, dzięki czemu ich koszty eksploatacyjne są znacznie niższe od silników Otta i Diesla;
emisje szkodliwych dla środowiska spalin są wielokrotnie niższe z palników silników Stirlinga w porównaniu do Otta i Diesla nawet tych, które stosują katalizatory.
Te czynniki stanowią ekologiczną oraz ekonomiczną bazę intensywnych działań badawczo-wdrożeniowych silników Stirlinga nie tylko dla małych agregatów kogeneracyjnych, stosowanych w budownictwie mieszkaniowym, ale również do napędu niektórych samochodów.
Ekonomika i ekologia
Sprzężona wytwórczość ciepła i energii elektrycznej, owocująca oszczędnościami w zużyciu energii pierwotnej i ograniczoną emisją CO2, przy racjonalnej eksploatacji urządzeń przynosi użytkownikowi znaczne efekty ekonomiczne. Te efekty motywowały szybki rozwój agregatów kogeneracyjnych z silnikami Otta i Diesla dla mocy powyżej 50 kWe dziś przy niższych mocach bezkonkurencyjnymi są agregaty elektrociepłownicze, napędzane silnikami Stirlinga, które okazują się szczególnie ekonomiczne w budownictwie mieszkaniowym, a w dodatku osiągają długie cykle eksploatacyjne między kolejnymi remontami.
Do czołowych wytwórców silników Stirlinga w Europie należy firma SOLO GmbH, znajdująca się koło Stuttgartu w RFN. W agregatach elektrociepłowniczych typu BHKW-161 firmy SOLO stosuje się silniki Stirlinga z bezpłomiennym palnikiem na gaz ziemny i ewentualnie na biogaz z beztlenowej fermentacji odpadów rolniczych, komunalnych, czy szlamów pościekowych z miejsko-gminnych oczyszczalni. Można stosować również mieszaninę tlenku węgla, wodoru i metanu ze zgazowania biomasy. Ciepłem spalin nie tylko ogrzewa się tu cyrkulującą wodę grzewczą, ale również powietrze dla palnika. To umożliwia ponadto relatywnie znaczną cyrkulację spalin, które rozcieńczając gaz palny w palniku zapewniają relatywnie niską emisję NOx, CO i węglowodorów do atmosfery, co w porównaniu z silnikami Otta oraz Diesla – tej samej mocy i zasilanych identycznym gazem ziemnym – ilustruje rys. 1. Gaz ziemny w silniku Diesla stosowano z inicjującą dawką oleju napędowego.
Budowa i praca
Dwie właściwości silnika Stirlinga zasługują na szczególną uwagę:
Proces eksploatacji silnika Stirlinga przebiega pomiędzy dwoma poziomami temperatur. Osiągana moc i stopień sprawności zależą od poziomu dopływu, jak i odpływu ciepła, przy czym temperatura zewnętrznego ogrzewania gazu roboczego dla cylindra i tłoka roboczo-rozprężającego (ekspansywnego) winna być jak najwyższa, przy czym dobrany metal powyższych wytrzymuje trwale 700 st. C. Natomiast temperaturę chłodzenia gazu roboczego dla cylindra z tłokiem sprężającym (kompresyjnym) należy utrzymać jak najniżej, przy pomocy przepływającej wody chłodzącej. Każde obniżenie temperatury chłodzenia o 10 st. C zapewnia wzrost sprawności elektrogeneratora o 1 proc. oraz przyrost mocy o 350 W dla agregatu 10 kWe. Globalny wskaźnik sprawności wzrasta bowiem dzięki poprawiającej się kondensacji opar wody w wymienniku ciepła.
W czasie startu silnika trzeba podgrzać relatywnie dużą masę komory spalania, podgrzewacza i regeneratora, co trwa parę minut. Przy odstawieniu silnika tylko część tej energii daje się odzyskać. Cykle termiczne obciążają również inne tworzywa silnika i wpływają na skracanie się cykli międzyremontowych. Z tych to względów należy minimalizować przerwy w ruchu silnika Stirlinga do najwyżej jednej dobowo.
Agregat kogeneracyjny firmy SOLO typu BHKW-161 według rys. 2 składa się z następujących elementów:
Obudowy dźwięko- i ciepłochronnej, której pokrywa oraz trzy ściany są rozbieralne.
Silnik jest zabudowany w przedniej części, do którego – poprzez sprzęgło – przytwierdzony jest elektrogenerator z przeciwnej (niewidocznej) strony.
W dolnej części rysunku widoczny zbiornik z rezerwą gazu roboczego, którym jest hel.
Komora spalania gazu opałowego i palnik są nad silnikiem i przytwierdzone do elektrogeneratora.
Z prawej strony jest szafa sterownicza, w której jest przede wszystkim instalacja elektryczna, a poza tym sterownicze elementy elektroniki oraz pomiarowo-sygnalizacyjne.
Z tyłu jest powietrzny wymiennik ciepła spalin, a pod nim płytowy wymiennik ciepłej wody dla ogrzewania domu i pompa obiegowa.
Na tylnej ścianie obudowy agregatu są rurociągi gazu opałowego, jak i spalin wraz z licznikiem ciepła.
Specyfiką silnika Stirlinga jest (wg rys. 3) stałe przetłaczanie gazu roboczego między dwoma cylindrami tam i z powrotem, przy czym gaz ten nie może wypłynąć na zewnątrz.
Dostarczona energia cieplna, która zostaje w ostateczności zamieniona w energię ruchu wału korbowego, dopływa do gazu roboczego z zewnątrz poprzez wymiennik ciepła, nazwanym na rys. 3 podgrzewaczem. Dopływ ciepła może nastąpić z różnych jego źródeł – w omawianym przypadku ze spalania metanu w palniku.
Tłoki obu cylindrów są przesunięte wobec siebie o kąt obrotowy 90 st., tzn. gdy jeden zbliża się do martwego punktu, to drugi go opuszcza. Między obu cylindrami znajdują się: podgrzewacz (z palnikiem), regenerator i chłodnica wodna gazu roboczego.
Jak w każdym silniku spalinowym, tak i tu podstawowe elementy budowy są identyczne. W silniku Stirlinga tłoki obu cylindrów przetłaczają gaz roboczy tam i z powrotem, przy czym podczas tłoczenia ogrzanego do jednego z nich zwanego roboczym, następuje ekspansja (rozprężanie) powyższego, a w czasie przepływu zimnego do drugiego gaz ulega kompresji (sprężaniu). Dlatego jeden cylinder nazywa się roboczo-rozprężającym, a drugi sprężającym gaz roboczy (kompresyjnym). Tłok cylindra roboczego – dzięki ogrzewaniu gazu roboczego - poprzez krzyżulec, napędza wał korbowy. Cylindry są wobec siebie usytuowane w postaci litery „V”, co zapewnia zsynchronizowany ruch obu tłoków poprzez wał korbowy. Tłoki są połączone korbowodami poprzez krzyżulce i drążki korbowe z wałem korbowym, który jest sprzężony z kołem zamachowym.
Korbowody między tłokami, a krzyżulcami są starannie uszczelnione, by nie tylko zapobiec ewentualnie stratom gazu roboczego, ale również przenikaniu oleju do cylindrów z krzyżulców i łożysk, smarowanych olejem w obiegu. W cylindrze roboczym olej uległby bowiem zakoksowaniu przy panujących tam temperaturach.
Gaz roboczy w silniku jest pod ciśnieniem 4-15 MPa, co korzystnie oddziałowuje na globalną sprawność silnika Stirlinga, przewyższającą osiąganą przez silniki Otta i Diesla. Na sprawność ma również wpływ rodzaj gazu roboczego – najlepszymi są wodór i hel. Z tych względów nieźle toruje sobie silnik Stirlinga drogę do napędu niektórych pojazdów samochodowych.
Podgrzewacz jest wykonany z wiązki rurek o kształcie pierścieni, które ogrzewa palnik gazowy (lub spaliny ze spalania węgla, drewna itp.) do ok. 740 st. C. Natomiast chłodnica jest również zbudowana z wiązki rur, przez które płynie woda chłodząca.
Regenerator – będący zasobnikiem termicznym między obu cylindrami – jest wykonany ze stosu siatek metalowych. Poprawia on termodynamikę procesu cyrkulującego gazu roboczego, a tym samum podnosi znacznie sprawność całego układu, będącego dzięki temu konkurencyjnym do silników Otta oraz Diesla.
Podgrzewacz z palnikiem znajdują się w cylindrycznej, poziomej komorze spalania, która ilustruje rys. 4. Wyznaczony poziom temperatury – w oparciu o pomiary termoparami – utrzymuje elektronicznie sterowany regulator.
Obieg gazu roboczego
Gaz roboczy (w agregacie firmy SOLO typu BHKW-161 jest nim hel) znajduje się w procesie Stirlinga pomiędzy tłokami obu cylindrów oraz w podgrzewaczu, regeneratorze i w chłodnicy wodnej. W nich dokonuje się proces obiegu helu, któremu towarzyszy zmiana jego ciśnienia i temperatury.
W przestrzeniach pod tłokami (nad głowicami z uszczelnieniami korbowodów), jak i w stalowym zbiorniku buforowym helu (który umieszczono między cylindrami) utrzymuje się średnie ciśnienie procesu Stirlinga z niewielkimi wahaniami.
W zapasowym (rezerwowym) zbiorniku helu (widocznym w dolnej części rys. 2) ciśnienie jest zawsze wyższe od średniego w silniku. Z niego można – poprzez zawór magnetyczny (Supply-Ventil) – dopuszczać hel przez dwie dysze tak do obiegu cylindrów, jak i do zbiornika buforowego. Wypływ helu z silnika Stirlinga do zapasowego zbiornika odbywa się niewielką sprężarką tłokową. Ciśnienia helu w silniku oraz w zbiorniku zapasowym są bez przerwy wyświetlane na monitorze.
Ze zbiornika zapasowego o pojemności 10 litrów uzupełnia się hel w silniku w następstwie drobnych nieszczelności, przy czy jego zapas zapewnia 5000 godzin eksploatacji powyższego.
Maksymalne ciśnienie robocze helu w silniku wynosi 15 MPa, a minimalne 4 MPa. Po unieruchomieniu silnika obniża się w nim ciśnienie gazu roboczego do poniżej 3,5 MPa, a wówczas ciśnienie helu w zbiorniku zapasowym wzrasta do 20-22 MPa. Maksymalnie dopuszczalne ciśnienie w tym zbiorniku wynosi 28 MPa. Uzupełnianie helu w zbiorniku zapasowym dokonuje się małą sprężarką poprzez zawór magnetyczny oraz zawór zwrotny. Co roku służby serwisowe wymieniają ten 10-litrowy zbiornik zapasowy dla badań w Urzędzie Dozoru Technicznego.
*
Palnik gazowy jest zintegrowany z komorą spalania, uwidocznioną na rys. 4. Specyfiką tego palnika jest sprzężenie go z przeciwprądowym wymiennikiem ciepła, ogrzewającym powietrze spalinami z podgrzewacza gazu roboczego. Na tej drodze obniża się temperaturę spalin do 200-300 st. C. Ich dalsze ochłodzenie następuje w drugim wymienniku ciepła, przez który krąży woda, ogrzewająca pomieszczenia budynku. Dzięki temu wymiennikowi ciepła silnik Stirlinga osiąga bardzo wysoką sprawność.
Dla zminimalizowania emisji szkodliwych dla środowiska zanieczyszczeń (NOx, CO, CH), znaczną część spalin poddaje się cyrkulacji, która umożliwia bezpłomienne utlenianie gazu opałowego.
Gaz opałowy doprowadzany jest giętkim przewodem ze stali szlachetnej pod ciśnieniem 45-65 mbarów.
Do prezentowanego agregatu kogeneracyjnego przynależna jest elektroniczna regulacja następujących elementów aparaturowych (patrz rys. 5):
uruchamianie poszczególnych węzłów aparaturowych i kontrola ich prawidłowego ruchu;
utrzymanie optymalnego, średniego ciśnienia gazu roboczego z ewentualnością jego uzupełniania z zapasowego zbiornika;
kontrola obiegu oleju smarowniczego łożysk wraz z jego ciśnieniem i chłodzeniem;
na sygnał „stop” poprawne wyłączenie z ruchu poszczególnych węzłów aparaturowych.
Program elektroniczny zapewnia nadzór w czasie ruchu: utrzymanie napięcia i wielkości wytwarzanej energii elektrycznej, temperaturę i ilość ciepła, dostarczonego odbiorcom, temperaturę podgrzewacza gazu roboczego, temperaturę jego schładzania wodą w chłodnicy, itp.
Zasilanie
Dziś nie ma efektywniejszych i bardziej niezawodnych agregatów dla wytwórczości ciepła oraz energii elektrycznej – na potrzeby pojedynczych domów – niż zasilane silnikami Stirlinga. Prostota ich konstrukcji zapewnia relatywnie długie cykle eksploatacyjne między remontami, co ma istotny wpływ na ekonomikę przedsięwzięcia. To wszystko owocuje niskimi kosztami eksploatacyjnymi.
W dodatku silniki Stirlinga można zasilać wszelkiego typu nieodnawialnymi oraz odnawialnymi nośnikami energii, z bezpośrednim napromieniowaniem energią słoneczną włącznie. Stanowi to siłę motoryczną w zastosowaniu silników Stirlinga do napędu określonych samochodów specjalistycznych.
Ostatnio opanowano bezpośrednie zastosowanie energii słonecznej do ogrzewania gazu roboczego (helu lub wodoru) w grzejniku silnika Stirlinga do 650 st. C przy użyciu parabolicznego lustra, co ilustruje rys. 6. Silnik jest oczywiście sprężony z elektrogeneratorem. Budowa tego typu agregatów o mocy 5-50 kWe jest już realizowana na skalę przemysłową i stanowi konkurencję dla ogniw fotowoltaicznych, które są najdroższym źródłem energii elektrycznej. Dla ubogich krajów Afryki, czy Ameryki Południowej pojawia się alternatywna droga zdecentralizowanego wytwarzania oraz rozprowadzania energii elektrycznej z energii słonecznej via silniki Stirlinga.
|
|
|
|
