Стирлинг (доклад)

РАЗРАБОТКА АВТОНОМНОГО, ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО
ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ НА
БАЗЕ ДВИГАТЕЛЯ НАРУЖНОГО СГОРАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ КИНЕМАТИКИ
1. Цель проекта. Разработка двигателя наружного сгорания (ДНС) как
источника электрической и тепловой энергии модульного типа с
превосходящими характеристиками по коммерческой стоимости, массе и
энергоотдаче на литровую мощность. Аттестация агрегатов при работе на
дизельном и газовом топливе для организация производства.
2.
Описание продукта. Настоящим проектом решается задача
создания серии отечественных автономных источников тепловой и
электрической энергии на базе двигателя наружного сгорания (двигателя
Стирлинга).
В отличие от дизеля и бензинового ДВС это — двигатель внешнего
сгорания. Его тепловой замкнутый цикл кардинально отличается от циклов
Отто или Дизеля.
Так, нагрев рабочего газа в цилиндре двигателя Стирлинга (при подводе
тепла извне) происходит при практически постоянном объёме, затем идёт
расширение при почти постоянной температуре, потом газ перемещается
отдельным поршнем-вытеснителем в холодную зону, где происходит
охлаждение при почти постоянном объёме. Далее следует сжатие при
постоянной температуре. Затем вытеснитель перемещает тот же газ в
горячую область, и всё начинается сначала. При этом в канале между
горячей и холодной областью часто ставят пористый теплорегенератор,
который ускоряет охлаждение и нагрев газа при его движении в ту или
иную сторону.
В двигателе отдельно выполнены холодные цилиндры, от стенок которых
интенсивно отводится тепло и горячие цилиндры, головки которых
нагреваются горелками. Поршень с поршневыми кольцами перемещается и
по холодной поверхности цилиндра и по горячей без смазки. Эти три зоны
двигателя требуют специфических материалов, не применяемых в ДВС,
где в одном и том же цилиндре поочередно функционирует и холодный и
горячий газ.
В горячем цилиндре должны использоваться высокопрочные,
термостойкие,
не
окисляющиеся
материалы
с
высокой
теплопроводностью. Такие материалы у разработчиков проекта созданы и
ведутся прикладные работы, связанные с формообразованием и
обработкой композитов. В целом объем применения новых материалов не
превысит 10-15% по массе двигателя.
3. Обоснование полезности
В настоящее время, будущее двигателей Стирлинга представляется весьма
перспективным.
Низкий уровень шума (на уровне шума обычных бытовых машин), весьма
малая токсичность отработанных газов, возможность работы на различных
топливах, очень большой ресурс, сравнимые размеры и масса, хорошие
характеристики в режимах полной и частичной нагрузки и благоприятные
характеристики крутящего момента – все эти преимущества перед ДВС
дают возможность использовать новый двигатель для разных целей. При
расположении на одном валу двигателя и встроенного электрогенератора
возможно иметь компактный универсальный источник энергии.
На первом этапе предусматривается создание универсального,
автономного, экологически чистого, помехозащищенного источника
электрической и тепловой энергии на основе двигателя наружного
сгорания мощностью 2-2,5 кВт электроэнергии и 5-7 кВт тепловой
энергии,
предназначенного для использования в промышленных и
полевых условиях, а также при чрезвычайных ситуациях, применительно к
энергообеспечению.
На последующих этапах предполагается разработка энергоустановки
мощностью 8-10 кВт электроэнергии и 25-30 кВт тепловой энергии для
использования в промышленных и бытовых условиях.
Перечень возможных объектов для применения ДНС дается ниже.
4. Конкурентные преимущества нового продукта
4.1. Преимущества по сравнению с аналогичными двигателями
 более простая и надежная конструкция электромеханической
кинематики без использования дорогостоящих, трудоемких по
изготовлению
и
высокой
металлоемкостью
шатуннокривошипной кинематики;
 применение
в
конструкции
жаропрочных
и
высокотеплопроводных материалов композиционного класса с
высоким уровнем удельной прочности обеспечивает снижение в
2-2,5 раза массогабаритных характеристик двигателей со
снижением общего веса в 1,5-2 раза; безколлекторный
электрогенератор, который намечается разработать, отличается
высокой степенью эксплуатационной надежности.
4.2. Преимущества по сравнению с двигателями внутреннего
сгорания
 высокий
уровень
экологической
безопасности
из-за
малошумности и возможности эксплуатации в закрытых
обитаемых объектах;
 исключаются дополнительные затраты на средства экологической
безопасности, которые в дизельных агрегатах (ДВС) достигают 22,5 крат стоимости двигателя (см. ниже данные в таблице,
приведенной из публикации в журнале «Двигателестроение», №4,
2005 г., статья Л.А. Новикова «Современные и перспективные
технологии для организации малотоксичной работы двигателей»).
5. Оценка потенциала рынка и потенциальные потребители. Целевой
сегмент потребителей. Конкретные Заказчики
Потенциал рынка ДНС (двигателей наружного сгорания) складывается из
сектора замены действующего дизель-генераторного оборудования,
которое менее эффективно и не отвечает экологическим требованиям, а
также расширение сектора нового потребления ДНС для газои
нефтепроводов в качестве источника тока катодной защиты и обеспечения
малой энергетикой удаленных приисков и месторождений.
Новым сегментом потребления ДНС могут послужить обеспечение сел и
фермерских
хозяйств.
Имеются
конкретные
предложения
по
использованию ДНС в Украине, некоторых странах СНГ. На рисунке
ниже приведены возможные сегменты рынка ДНС.
В настоящее время но заказу ОАО «Концерн «Созвездие» проводится ОКР
«АТЭА» по созданию автономной теплоэнергетической установки
мощностью 2кВт электроэнергии.
Автономный источник тока для защиты
от коррозии газо-нефтепроводов
Автономный источник тока систем
автоматики и связи
Автономный источник тепловой и
электрической энергии вахтовых
поселков газовиков,нефтяников
Автономный источник
энергообеспечения геологических и
метеорологических экспедиций
ДНС приложения
(сегменты рынка
для маркетинга)
Автономное отопление и
электрообеспечение муниципального
жилья
Двигатель
наружного
сгорания
(ДНС)
Автономный источник
энергообеспечения удаленных
поселений (сельских и северных
районов)
Резервный источник энергообеспечения
непрерывных производств с/хозяйства
(птицефермы, животноводч.объекты)
Резервный источник энергообеспечения
командных пунктов МЧС, МО
Резервный источник энергообеспечения
супермаркетов, дискотек и т.д.
Индивидуальное отопление и освещение
семейного жилья (котетжи)
Аварийный источник электроэнергии и
тепла больниц, охранных и
муниципальных учреждений, МЧС, МО
Автономный источник электропитания
систем управления на транспорте
Аварийный источник электропитания
полевых госпиталей при чрезвычайных
ситуациях
Утилизаторы
энергии при
сжигании
попутных газов
при газонефтедобыче и
«хвостовых»
газов
нефтеперегонных
заводов (при
крекинге нефти)
Утилизаторы
энергии
биотоплива
животноводческих ферм,
деревоперерабатывающих
объектов и др.
Помехозащищенный источник
электроэнергии для банков, спецчастей
и т.п.
Двигатель для автокар и напольного
транспорта
Генератор для зарядки аккумуляторов и
обогрева ДВС зимой
6. Законодательные ограничения на экспорт продукции
Ограничений по экспорту продукции нет, т.к. она относится к продукции
общетехнического применения и может быть использована для всех
случаев децентрализованного применения источников энергии.
7. Экологические аспекты реализации проекта
Экологические аспекты применения ДНС не приводят к возникновению
экологических проблем, т.к. этот вид двигателей является единственным,
который можно использовать в закрытых помещениях без риска
отрицательных последствий для человека ввиду ультранизкого
содержания, СН, СО и NOx при эмиссии ДНС.
По шумовым параметрам ДНС из-за отсутствия внешнего выхлопа
практически бесшумен и их шумы (как указывалось выше) не превышают
шум обычных бытовых приборов.
8. Состояние проекта.
Готовность к коммерциализации и
масштабированию
8.1. Имеется опыт проектирования, разрабатывается образец мощностью 2
кВт, как вариант использования на классических принципах
механического привода из общепринятых материалов.
8.2. После доработки системы рекуперации тепла и нагрева модель может
быть использована в качестве стенда для отработки узлов ДНС.
8.3. Имеются натурные образцы 2-х типов электрогенераторов со
стабилизацией токовых режимов примерно с 800 об./мин. двигателя,
которые позволят провести тестовые испытания в широком интервале
режимов работы ДНС по частоте оборотов и нагрузке.
8.4 Проведены предварительные исследования по проектированию
автономной энергоустановки на 8-10 кВт электроэненгии и 25-30 кВт
тепловой энергии на базе четырехцилиндрового ДНС.
8.5
Имеются
предварительные
наработки
по
созданию
свободнопоршневого ДНС мощностью до 500 Вт с электрогенераторами
линейного типа.
8.6 Отработаны технологии получения керамических композитов с
высокими параметрами функциональных свойств, методы их обработки,
но потребуется создание технологии изготовления конкретных деталей
ДНС.
9. Юридические и правовые аспекты
Разрабатываемая новая конструкция полноприводного двигателя
наружного сгорания Стирлинга и электрического генератора тока к нему
будет принадлежать финансирующей организации и разработчикам,
объединенных в единый творческий коллектив на правах согласно
договору между ними.
10. Текущее состояние разработок
Стирлинг-генератор создан на базе поршневого регенеративного
двигателя внешнего сгорания, работающего по циклу Стирлинга,
являющимся одним из вариантов обобщенного цикла Карно.
Стирлинг- генератор предназначен для выработки электрического
тока напряжением 27В, мощностью 2кВт.
Стирлинг-генератор состоит из одноцилиндрового двигателя
Стирлинга, встроенного в картер двигателя электрического моторгенератора, внешнего нагревательного контура с камерой сгорания,
топливной аппаратурой и средствами воздухоснабжения, системы
жидкостного охлаждения, системы контроля и автоматизированного
управления, рамы со встроенной виброизоляцией, тепло- и
шумозащитными кожухами.
Двигатель
Стирлинга
выполнен
одноцилиндровым,
вытеснительного типа, с организацией рабочего процесса по β–схеме. Для
удовлетворения требований по, удельной мощности и ресурсу в качестве
рабочего тела внутреннего термодинамического контура применен
инертный газ гелий. Удержание гелия обеспечивается капсулированным
исполнением двигателя в сборе с мотор-генератором.
Для повышения ресурса поршневых колец и штыковых уплотнений для
привода поршней применен ромбический механизм. Размеры механизма
выбраны из условия минимальной виброактивности.
Теплообменные аппараты внутреннего контура выполнены кольцевыми
скомпонованы вокруг цилиндра. С целью обеспечения надежности,
технологичности и снижения себестоимости конструкции двигателя,
нагреватель и охладитель выполнены с внутренними и внешними
теплообменными поверхностями щелевого типа.
Система контроля и автоматизированного управления обеспечивает
подключение и отключение нагрузки, пуск и остановку двигателя,
поддержание заданного режима потребляемой мощности, безопасность
эксплуатации.
Диаметр рабочего цилиндра 100 мм.
Ход поршней 23 мм.
Предельное давление гелия в цикле 4МПа.
Номинальная частота вращения валов двигателя 3000 мин-1.
Топливо дизельное.
Ожидаемые массогабаритные показатели опытного образца:
Масса до 60 кг,
Габариты 0,8 x 0,4 x 0,7 м,
Эффективный КПД на режиме полной мощности 20 % ,
Полный ресурс до 100 000 часов,
Сервисное обслуживание с периодичностью 1500 часов наработки, но не
реже чем через 24 месяца.
В дальнейшем предполагается комплектация Стирлинг-генератора
многотопливным горелочным устройством на жидких и газообразных
топливах.
В настоящее время завершены расчетные исследования и согласования
основных
параметров,
произведен
выбор
принципиальных
конструкторских решений. Разработка находится в завершающей стадии
корректировки РКД.
Изготовление и испытания опытного образца
намечены на IV квартал 2010 г.