CC BY
10Альтернативное топливо
Комбинированная магнитокалорическая силовая установка на речных судах
В.И. Карагусов,
профессор Омского государственного технического университета, д.т.н.
Магнитокалорические двигатели имеют высокий КПД и могут работать от малых перепадов температур между воздухом и водой. Эти свойства позволяют создать комбинированную силовую установку, которая способствует экономии топлива и снижению загрязнения окружающей среды.
Ключевые слова: комбинированная силовая установка, магнитока-лорический двигатель, дизельный двигатель, речные суда.
Combined magnetocaloric power-plant on river vessels
V.I. Karagusov
Magnetocaloric engines have high efficiency and can work from small differences of temperatures between air and water. These properties allow to create the combined power-plant which allows to save fuel and to pollute environment less.
Keywords: the combined power-plant, the magnetocaloric engine, the diesel engine, river vessels.
Перевозки речным транспортом являются одними из самых экономически выгодных, тем не менее доля затрат на топливо в судах достаточно высока и в условиях роста цен на органическое топливо постоянно увеличивается. Поэтому задача снижения расхода топлива остается актуальной. Кроме того, более низкое потребление топлива судами имеет еще одну положительную сторону - снижаются выбросы продуктов сгорания в атмосферу и нефтепродуктов в воду, что способствует уменьшению загрязнения окружающей среды. Большинство речных судов оснащено дизельными двигателями внутреннего сгорания, которые обладают рядом положительных качеств - экономичностью, надежностью, сравнительной простотой эксплуатации.
Современный уровень разработки магнитокалорических охладите-
лей позволяет создавать системы, работающие не только по обратному термодинамическому циклу (системы охлаждения), но и по прямому (тепловые двигатели). В магнитокалорических двигателях преобразование тепловой энергии в механическую работу происходит под действием магнитокалорического эффекта (колебание температуры магнитного рабочего тела при изменении внешнего магнитного поля или намагниченности магнитного рабочего тела).
Ранее автором рассматривался вопрос* о возможности применения магнитокалорического двигателя внешнего сгорания на речных судах. Дальнейшее развитие этого направления позволило найти еще одно применение магнитокалорических двигателей на речных судах, которое имеет целый ряд преимуществ и привлекательных моментов. Следует
отметить, что эти преимущества проявляются не только на вновь построенных судах, но и при модернизации существующих.
Магнитокалорический двигатель обладает несколькими уникальными свойствами.
Во-первых, этот двигатель имеет внешние подвод и отвод теплоты, то есть совершенно безразлично, чем и каким образом нагреваются и охлаждаются теплообменники 2 и 3 (нумерация позиций приведена по рис. 1*).
Во-вторых, этот двигатель работоспособен при любой (кроме нулевой или очень малой) разности температур между теплообменниками 2 и 3.
В-третьих, мы можем нагревать теплообменник 2, охлаждая при этом теплообменник 3, а можем и наоборот нагревать теплообменник 3, охлаждая при этом теплообменник 2.
В-четвертых, при увеличении скорости судна интенсифицируется теплообмен как с водой, так и с воздухом, что увеличивает мощность магнито-калорического двигателя.
Из перечисленного можно сделать вывод, что магнитокалорический двигатель может работать от перепада температур между забортной водой и окружающим судно воздухом. Мощность его будет пропорциональна разности температур между водой и воздухом. При этом практически неважно, будет ли температура воздуха выше, чем воды, или наоборот.
С другой стороны,перечисленные преимущества магнитокалорическо-го двигателя обусловливают существование некоторых недостатков. Действительно, не исключена ситуация, при которой температуры воздуха и воды равны или незначительно отличаются, что приведет к отсутствию подвода энергии к двигателю и его неработоспособности. Кроме того, мощность двигателя зависит от разности температур воды и воздуха.
Отсюда следует важный вывод: рассматриваемый магнитокалори-ческий двигатель, работающий от перепада температур воздуха и воды, не может быть установлен на судно
Карагусов В.И. Магнитокалорические двигатели внешнего сгорания на речных судах // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011.- № 2.- С. 38-41.
«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (21) июнь 2011 г.
t jBkДШИ .....ттигятп,.,
х-
<ш
Альтернативное топливо
Воздух
Рис. 1. Схема магнитокалорического двигателя при температуре воздуха выше температуры воды: 1 - ротор из магнитного материала; 2 - водяной теплообменник; 3 - воздушный теплообменник; 4 - циркуляционный контур; 5 - зона сильного магнитного поля; 6, 7, 8, 9 - трехходовые электромагнитные клапаны
как единственный двигатель, а только в дополнение к двигателю внутреннего сгорания, например, дизельному, образуя таким образом комбинированную силовую установку.
Работает магнитокалорический двигатель следующим образом. При температуре воздуха выше температуры воды (рис 1) трехходовые клапаны 6,7,8,9 подключают воздушный теплообменник 3 в контур нагрева
(красные линии), а водяной теплообменник 2 - в контур охлаждения (синие линии). Прокачка теплоносителя осуществляется за счет геометрии каналов в рабочем колесе 7 и подводящих и отводящих линий циркуляционного контура 4. Для интенсификации теплообмена и упрощения запуска двигателя может быть использован циркуляционный насос (на схеме не показан).
Рис. 2. Схема магнитокалорического двигателя при температуре воздуха ниже температуры воды: 1 - ротор из магнитного материала; 2 - водяной теплообменник; 3 - воздушный теплообменник; 4 - циркуляционный контур; 5 - зона сильного магнитного поля; 6, 7, 8, 9 - трехходовые электромагнитные клапаны
В воздушном теплообменнике 3 теплоноситель нагревается от окружающего воздуха. На него же может подаваться воздух, нагретый от основного двигателя. Нагретый теплоноситель поступает в зону 5 ротора 7 из магнитного материала, которая находится в сильном магнитном поле. В результате нагрева в этой части ротора уменьшается намагниченность, и ротор 7 не взаимодействует с магнитным полем. Часть ротора 7 справа от зоны 5холоднее части слева, поэтому ее магнитные свойства сильнее, и она будет сильнее притягиваться магнитным полем. В результате ротор 7 будет поворачиваться против часовой стрелки (по рис. 1). Вращение будет непрерывным, если часть ротора справа от зоны 5 всегда будет холоднее, чем часть ротора слева от зоны 5. Это реализуется при помощи теплообменника 2, который охлаждается забортной водой.
Если температура воздуха ниже температуры воды (рис. 2), трехходовые клапаны 6, 7, 8, 9 подключают воздушный теплообменник 3 в контур охлаждения (синие линии), а водяной теплообменник 2 - в контур нагрева (красные линии).
Рассмотрим, что дает судну такая комбинированная силовая установка.
При равных температурах воды и воздуха судно работает только на дизельном двигателе, при этом расход топлива не отличается от однотипных судов, оснащенных только дизельным двигателем.
При разности температур между водой и воздухом в 5...10° запускается магнитокалорический двигатель, причем его мощность зависит от этой разности температур. Следовательно, возможно уменьшение подачи топлива в дизельный двигатель, а значит и снижение его мощности на величину мощности, вырабатываемой магнито-калорическим двигателем.
Оценки показали, что в этом случае экономия топлива в зависимости от мощности магнитокалорического двигателя может составлять от 10 до 30 %, а в межсезонье и больше.
Таким образом, оснащение судов магнитокалорическим двигателем в дополнение к дизельному уменьшает расход топлива и загрязнение окружающей среды.
) Л
«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (21) июнь 2011 г.
