CC BY
27УДК 620.9
М.Д. Мевлиянов, Д.А. Касимова
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОГАЗА В КОГЕНЕРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССАХ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА
В статье рассматривается двигатель Стирлинга, работающий на биотопливе. Получение электрической энергии с помощью двигателя Стирлинга, основным топливом которого является биогаз. Примеры использования такого двигателя. А так же получение биогаза.
Ключевые слова: электрическая энергия, двигатель Стирлинга, генератор, биогазовые технологии, биогаз.
Биогазовые технологии - радикальный способ обезвреживания и переработки разнообразных органических отходов растительного и животного происхождения, включая экскременты животных и человека, с одновременным получением высококалорийного газообразного топлива - биогаза и высокоэффективных экологически чистых органических удобрений. Современные биогазовые технологии - решение проблем экологии и теплоэлектроэнергетики.
Биогазовые технологии это сложные природные процессы разложения органических веществ в анаэробных условиях под воздействием особых групп анаэробных бактерий, сопровождающиеся минерализацией азотсодержащих, фосфорсодержащих и калийсодержащих органических соединений с получением минеральных форм азота, фосфора и калия, доступных для питания растений. Наряду с минерализацией отходов, осуществляется полное уничтожение патогенной микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, специфических фекальных запахов, нитратов и нитритов.
Из двух задач, поставленных и решаемых современной биогазовой технологией, - получение высококачественного реструктурированного навоза и получение биогаза, который можно сжигать и получать тепловую и электрическую энергию, будем решать вторую.
В настоящее время большинство индивидуальных потребителей получают различные виды энергии раздельно, то есть, при использовании нагревательного оборудования потребители в лучшем случае получают энергоноситель для отопления и горячего водоснабжения, а электрическая энергия поступает из центральных сетей. Использование когенерационных процессов позволяет получать тепло и электричество одновременно.
В последнее время наряду с когенерационными процессами, используются тригенерационные процессы, в которых используется холод, а именно, холодильные вбсорбционный установки, хладоноси-тель для которых получают из недоиспользуемого тепла [2,3].
Одной из возможностей использования когенерационной энергии может быть применение ее в двигателе Стирлинга [1].
Двигатель Стирлинга - тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, это одна из разновидностей двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с получением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.
Обычно двигатели Стирлинга подразделяют на три различных вида: альфа-Стирлинг, бета-Стирлинг с ромбическим механизмом и регенератором и гамма-Стирлинг с регенератором без регенератора.
Принцип работы двигателя Стирлинга типа гамма (рисунок 1) заключается в постоянно чередующихся циклах нагрева и охлаждения газа в закрытом цилиндре. При нагреве воздух в цилиндре 7 расширяется и двигает рабочий поршень 6. Этот поршень 6 опускается, толкает шатун 13 и поворачивает маховик 12. Одновременно изменяется положение вытеснительного поршня 10, который перемещает из нагретой зоны в холодную. Воздух остывает и создает обратное усилие на рабочий поршень 6. Вытеснитель 10 затем перемещает воздух в рабочую зону, и весь цикл повторяется.
На рисунке 1 приведена конструктивная схема двигателя Стирлинга типа гамма.
© Мевлиянов.М.Д., Касимова Д.А., 2016.
Научный руководитель: Рудаков Александр Иванович - доктор технических наук, профессор, Казанский государственный энергетический университет, Россия.
Механическая работа маховика 12, в свою очередь, передается на генератор и вырабатывается электрическая энергия, идущая к потребителю.
Уходящие газы проходя через котел-утилизатор, нагревают энергоноситель для подачи горячего водоснабжения и отопления. Остывшие уходящие газы, проходя через катализатор, уходят в окружающую среду.
Преимущества выбора двигателя Стерлинга, например, типа гамма, как основной энергетической установки, следующие:
1. Возможность использования любого источника тепла - как двигатель Стирлинга это двигатель внешнего сгорания и он может работать практически от любого перепада температур: в нашем случае он работает от сжигания любого вида топлива под теплообменным цилиндром 7.
2. Простота конструкции - конструкция двигателя Стирлинга типа гамма очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно.
3. Увеличенный ресурс - отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет двигателю Стерлингу типа гамма обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в несколько лет непрерывной работы.
4. Большие возможности массового производства.
5. Внешнее сгорание обеспечивает крайне чистый выхлоп и дает возможность контролировать выходную электрическую мощность двигателя Стирлинга типа гамма уменьшением температуры горячей стороны, то есть имеется возможность управления производством электроэнергии без изменения параметров требуемого тепла.
1 - ползун; 2 - шток; 3 - корпус; 4 - источник; 5 - теплоизолирующее наполнение; 6 - рабочий поршень; 7 - теплообменный цилиндр; 8 - оребрение; 9 - соединительная труба; 10 - вытеснительный поршень; 11 - рабочий цилиндр; 12 - маховик; 13 - шатуны; 14 - выходной вал. Рис. 1. Конструктивная схема двигателя Стирлинга типа гамма
Двигатель Стирлинга применим в случаях, когда необходим небольшой преобразователь тепловой энергии, простой по устройству, либо когда эффективность других тепловых двигателей оказывается ниже, например, если разницы температур недостаточно для работы паровой или газовой турбины.
В таблице 1 приведены некоторые примеры использования двигателя Стирлинга.
Современные технологии использования когенерационных установок
Когенерация - это производство электрической и тепловой энергии с использованием одного вида топлива. Когенерационные энергетические установки, эксплуатирующиеся на предприятиях не только имеют более высокий КПД по сравнению с центральными электростанциями (40% против 30%) - они так же позволяют утилизировать теплоту выхлопных газов, теплоту сгорания биогаза от органических отходов и т.п.
Принципы когенерации известны давно и используются в различных сферах - от первой энергетической установки Томаса Эдисона до современных химических производств, муниципальных электростанций, вырабатывающих электрическую и тепловую энергию. Ранее технологии когенерации применялись только на больших электростанциях, при реализации значительных комплексных проектов или в других особых случаях. В настоящее время благодаря передовым разработкам в области дизельных и газопоршневых двигателей, микротурбин, другого теплообменного оборудования когенерационные установки могут успешно применяться даже потребителями малой мощности.
Таблица 1
Примеры использования двигателя Стирлинга
№ Место применения Особенности применения
1 Универсальные источники электроэнергии Для превращения в электроэнергию любой теплоты.Как автономные генераторы для туристов. Специально разработанный генератор «стирлинга» с радиоизотопным источником. Генераторы, работающие от ядерных и радиоизотопных источников тепла
2 Гидравлические насосы Насос принудительной подачи теплоносителя. «Стирлинг» для перекачки жидкостей может быть гораздо проще привычной схемы «двигатель- насос». В двигателе Стирлинга вместо рабочего поршня может использоваться перекачиваемая жидкость для охлаждения рабочего тела. Стирлинг-насос может использоваться для перекачки химических реагентов, поскольку герметичен.
3 Тепловые насосы Тепловые насосы позволяют сберегать на отоплении [5]. Принцип действия тот же, что у кондиционера (кондиционер - это тот же тепловой насос), только кондиционер обычно охлаждает помещение, нагревая окружающее пространство, а тепловой насос, как правило, обогревает помещение, охлаждая наружный воздух, воду из скважины или другой источник низкопотенциального тепла.
4 Холодильная техника Почти все холодильники используют те же тепловые насосы. Ряд производителей бытовых холодильников собирается установить на свои модели «стирлинги». Они в качестве рабочего тела используют обычный воздух.
5 Сверхнизкие температуры Двигатель Стирлинга может работать и в режиме холодильной машины (обратный цикл Стирлинга). Для этого его приводят в движение любым другим внешним двигателем (в том числе с помощью другого «Стирлинга»).
6 Подводные лодки В настоящее время все подводные лодки ВМС Швеции оснащены двигателями Стирлинга, а шведские кораблестроители уже хорошо отработали технологию оснащения этими двигателями подводных лодок, путём врезания дополнительного отсека, в котором и размещается новая двигательная установка
7 Аккумуля-торы энергии Можно запасать с его помощью энергию, используя в качестве источника тепла теплоакку-муляторы на расплавах солей. Такие аккумуляторы превосходят по запасу энергии химические аккумуляторы и дешевле их.
8 Сверхнизкие температуры Двигатель Стирлинга может использоваться для преобразования солнечной энергии в электрическую. Для этого он устанавливается в фокус параболического зеркала таким образом, что бы область нагрева была освещена
9 Солнечные электростанции Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92% солнечного излучения. В качестве рабочего тела используется, как правило, водород, или гелий.
Установка когенерационного цикла состоит из двигателя, который приводит в действие генератор для выработки электроэнергии, и котла утилизатора, используемого для утилизации тепла.
Большие перспективы имеет использование биогаза, в частности, как топлива для двигателя Стир-линга. Используемые для его получения органические вещества (субстраты) в основном являются отходами различных отраслей народного хозяйства (Рисунок 2).
1 - животноводческие помещения; 2 - жижесточная яма; 3 - яма для сбора отходов и биомассы; 4 - пастеризатор; 5 - реактор I; 6 - газонакопитель;7 - теплоэлектростанция; 8 - реактор II; 9 - обрабатываемые земли. Рис. 2. Схема сельскохозяйственной биогазовой теплоэлектростанции с коферментацией
Когенерационные установки, выробатывая тепловую и электрическую энергию, обеспечивают экономию топлива более 35% по сравнению с традиционными способами производства энергии. Это открывает большие перспективы для развития данной технологии.
Библиографический список
1. Ридер Г., Двигатели Стирлинга: пер. с англ. /Г. Ридер, Ч. Хупер //. М.: Мир,1986. - 464 с.
2. Фирсова Е.В. Возможность использования двигателя Стирлинга в комбинированном источнике энергии. // Е.В. Фирсова // Энергетика: состояние, проблемы перспективы: Всероссийская научно-техническая конференция. - Оренбург, 2010. - с. 55-58. 54
3. Фирсова Е.В. Использование двигателя Стирлинга в тригенерационном цикле. /Е.В. Фирсова, В.Ю. Соколов //. Изд-во Оренбургского государств. ун-та, Оренбург, PDF (511 К).-с. 141-144.
МЕВЛИЯНОВ МЕВЛИЯН ДЖАФЕРОВИЧ- магистрант, Казанский государственный энергетический университет, Россия.
КАСИМОВА ДИНАРА АЗАТОВНА - магистрант, Казанский государственный энергетический университет, Россия.
