CC BY
15т
'"oouw.«^
Магнитокалорические двигатели внешнего сгорания на речных судах
В.И. Карагусов,
профессор Омского государственного технического университета, д.т.н.
Магнитокалорические двигатели внешнего сгорания имеют ряд преимуществ перед двигателями внутреннего сгорания: более высокий КПД и меньшее потребление топлива, лучшие экологические показатели, возможность использования разных видов топлива, меньшие затраты. Расчетные исследования показали, что на речных судах Российской Федерации такие двигатели могут составить конкуренцию дизельным двигателям.
Ключевые слова: магнитокалорический, двигатель внутреннего сгорания, двигатель внешнего сгорания, речные суда.
Magnetocaloric engines of external combustion on river courts as alternative to diesel engines
V.I. Karagusov
Magnetocaloric engines of external combustion have a number of advantages before internal combustion engines: higher efficiency and smaller consumption of fuel, the best ecological indicators, possibility of use of different kinds of fuel, smaller expenses. Settlement researches have shown, that on river courts of the Russian Federation such engines can make a competition to diesel engines.
Keywords: magnetocaloric, internal combustion engine, engine of external combustion, river vessels.
Все современные транспортные средства оснащаются двигателями внутреннего сгорания (ДВС)
за исключением судов с атомными силовыми установками и электромобилей. Подавляющее боль-
Рис. 1. Схема магнитокалорического двигателя Стейерта: 1 - ротор из магнитного материала; 2 - теплообменник нагрева; 3 - теплообменник охлаждения; 4 - жидкостный насос; 5 - циркуляционный контур; 6 - зона сильного магнитного поля
шинство речных судов оснащено дизельными ДВС, которым присущи экономичность, надежность, сравнительная простота эксплуатации. С другой стороны они сложны по конструкции, содержат множество деталей, многие из которых изнашиваются, следовательно, требуют ремонта или замены. Как и у всех двигателей внутреннего сгорания в них происходит неполное сгорание топлива, расходуется дорогостоящее моторное масло, выбрасываются экологически вредные продукты в атмосферу.
Двигатели внешнего сгорания обладают рядом преимуществ перед ДВС: более полным сгоранием топлива, меньшим загрязнением окружающей среды, возможностью работать на нескольких видах топлива.
В настоящее время стало возможным создание магнитокало-рических систем, работающих не только по обратному термодинамическому циклу (системы охлаждения), но и по прямому (тепловые двигатели). В таких двигателях преобразование тепловой энергии в механическую работу происходит под действием магнитокалоричес-кого эффекта (изменение температуры магнитного рабочего тела при изменении внешнего магнитного поля или намагниченности магнитного рабочего тела при изменении его температуры). Этот эффект проявляется в ферромагнитных или антиферромагнитных материалах вблизи их температур магнитных фазовых переходов.
При охлаждении магнитного материала до температуры магнитного фазового перехода его намагниченность увеличивается, и он сильнее притягивается магнитами. При нагреве магнитного материала его намагниченность уменьшается, и он слабее притягивается магнитами вплоть до практически полного исчезновения магнитного
I ,.ifffflTmTTTr„- Д|Дн4Д1<
«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (20) март 2011 г.
Таблица 1
Технические характеристики магнитокалорических двигателей с КПД 60...95 %
Двигатель Температура нагрева теплоносителя в теплообменнике, °С Размеры ротора, им Мощность на валу, кВт
Для наземного транспорта 150 180 2000x2000x500 750
Для электростанции 90 120 2000x2000x1000 1630
Примечание. Температура охлаждения теплоносителя после теплообменника составляет 25 °С.
взаимодействия. Таким образом, периодически нагревая и охлаждая магнитный материал, можно заставить его притягиваться или не притягиваться к магнитам, а, следовательно, перемещаться в пространстве и совершать механическую работу.
Впервые идея такого двигателя (рис. 1) была предложена американским исследователем Стейертом в 1978 г. [1]. В последующие годы в России, США, Франции, Японии и Китае были созданы демонстрационные и экспериментальные образцы магнитокалорических двигателей
(МКД), на практике подтвердившие правильность идеи.
Работает МКД следующим образом. В циркуляционном контуре 5 насосом 4 прокачивается жидкий теплоноситель в направлении, показанном стрелками. В теплообменнике нагрева 2 теплоноситель нагревается за счет теплоты сгорания топлива. Далее теплоноситель поступает в часть 6 ротора 1 из магнитного материала. Эта часть находится в сильном магнитном поле и в результате нагрева теряет свои магнитные свойства (уменьшается намагниченность), а также не
взаимодействует с магнитным полем. Часть ротора 1 справа от зоны 6 холоднее части слева, поэтому ее магнитные свойства сильнее, и она будет сильнее притягиваться магнитным полем. В результате ротор 1 будет поворачиваться против часовой стрелки. Вращение будет непрерывным, если часть ротора справа от зоны 6 всегда будет холоднее, чем часть ротора слева от этой зоны. Это реализуется при помощи теплообменника 3, который охлаждается окружающим воздухом или забортной водой.
Описанный двигатель не требует специального стартера, он запускается после воспламенения топлива и включения насоса 4. Увеличить мощность МКД (практически без увеличения габаритов и массы) и исключить постоянно работающий насос можно путем использования схемы многозаходного двигателя (рис. 2).
Эта схема имеет два существенных отличия от приведенной на рис. 1:
■ каналы в роторе 1 выполнены наклонно, как в турбонасосе, что позволяет прокачивать теплоноситель без внешнего жидкостного насоса;
■ ротор 1 имеет не одну, а четыре (может быть и больше) зоны 5 сильного магнитного поля, что позволяет с того же ротора снимать вчетверо большую мощность; соответственно увеличивается число коммуникационныхтрубопроводов циркуляционного контура.
Первые оценки МКД внешнего сгорания были сделаны американским исследователем Д.Соломоном в 1989 г. [2]. Он рассмотрел две конструкции таких двигателей в соответствии со схемой на рис. 1 для мощного наземного транспорта и для электростанций средней мощности. Их технические характеристики приведены в табл. 1.
МКД имеют очень высокие характеристики, тем не менее они не
т
'"oouw.«^
нашли практического применения. Это связано с тем, что при воздушном охлаждении получить на входе в ротор температуру 25 °С можно при температуре окружающего воздуха 5...10°С (из-за неидеальности теплообмена в охлаждающем теплообменнике). При более высоких температурах такие характеристики, как мощность и КПД, значительно уменьшаются, что связано с ухудшением магнитных свойств материалов ротора при повышении температуры.
Так как практически единственный материал, используемый для роторов МКД внешнего сгорания, - это редкоземельный металл гадолиний ^С), его сплавы и
соединения, имеющие температуры магнитного фазового перехода 19.21 °С [3], то оптимальная температура теплоносителя на входе в ротор составляет 15.25 °С. Если температура ниже оптимальной, то это легко компенсируется уменьшением интенсивности теплообмена (ухудшить теплообмен намного легче, чем улучшить) или при помощи системы термостатирования, как это делается в двигателях внутреннего сгорания. При температурах выше оптимальной невозможно достигнуть высоких КПД и мощности МКД.
Следовательно, в настоящее время применение МКД внешнего сгорания в наземном транспорте и на электростанциях нецелесооб-
разно (исключение могут составить только районы Крайнего Севера или Антарктиды).
Совершенно иная ситуация возникает при использовании МКД на водном транспорте. В период навигации на реках Российской Федерации температура воды выше 25 °С поднимается только на южных участках некоторых судоходных рек. На подавляющем большинстве речных маршрутов температура воды ниже. Как известно, водяное охлаждение намного эффективнее воздушного, и при прочих равных условиях можно получить разность температур между забортной водой и теплоносителем на входе в ротор 1.3 °С.
Таблица 2
Эксплуатационно-технические характеристики серийных речных судов, находящихся в эксплуатации в Обь-Иртышском бассейне
Характеристика 1 2 3 4 5
Беломорский-23 СТ-314 Чернышевский РТ-722 РТ-771
Проект судна 1000/800 912М 646 1741А 1741А
Тип судна Сухогрузный Сухогрузный Пассажирский Буксир-толкач Буксир-толкач
Главный двигатель 8NVD36A 6 ЧНСП 18/22 6NVD48 6 ЧНСП 18/22-315 6NVD26A-3
Номинальная мощность главного двигателя, л.с./кВт 400/295 225/165 400/295 315/230 370/270
Расход топлива, кг/ч 132 77 145 110 120
Габариты главного двигателя, мм 4485x2462x1520 3400x1700x870 4870x2769x1305 3400x1700x870 3625x1732x990
Примечание. Суда имеют два главных двигателя, КПД которых составляет 45.55 %. Таблица 3 Характеристики магнитокалорических двигателей внешнего сгорания
Характеристики Суда (см. табл. 2)
1 2 3 4 5
Номинальная мощность, л.с./кВт 400/295 225/165 400/295 315/230 370/270
Размеры ротора, мм 1000x1000x80 550x550x80 1000*1000x80 800x800x80 900x900x80
Габариты двигателя без теплообменных аппаратов и коммуникаций, мм 1200x1200x500 750x750x500 1200x1200x500 1000x1000x500 1100х1100х500ё
Расход топлива судном с двумя МКД внешнего сгорания, кг/ч 90 52 98 75 80
Примечание. Номинальная частота вращения вала 180 мин-1, температура нагретого теплоносителя на входе в ротор 150 °С, а охлажденного 25 °С.
(Щ Фв щи 1
«Транспорт на альтернативном топливе» № 2 (20) март 2011 г.
Рассмотрим характеристики МКД внешнего сгорания на конкретных примерах (табл. 2). Для судов, приведенных в табл. 2, в соответствии со схемой (см. рис. 2) рассчитаны характеристики МКД внешнего сгорания (табл. 3). Следует отметить, что характеристики приводятся по средним расчетным значениям. Реальные характеристики МКД внешнего сгорания могут отличаться на 10...20 %.
Как видно из табл. 2 и 3, МКД внешнего сгорания имеют целый ряд преимуществ в сравнении с дизельными. Они имеют меньшие габаритные характеристики, более высокий КПД (70.80 %), что сказывается на расходе топлива, а также меньшую трудоемкость их изготовления. МКД внешнего сгорания содержат в сотни раз меньше деталей и узлов, их ремонтные и регламентные работы сводятся к замене подшипников, проверке на герметичность циркуляционного контура и устранению течей.
Таким образом, применение МКД внешнего сгорания на речных судах позволяет уменьшить как первоначальные затраты, так и эксплуатационные расходы. Наибольший экономический эффект может быть достигнут при использовании в качестве топлива природного газа, который стоит значительно дешевле дизельного топлива.
Основной узел МКД внешнего сгорания - ротор - выполняется в виде обода с системой каналов для эффективного теплообмена с теплоносителем. Для уменьшения перетечек теплоносителя внутри двигателя точность изготовления ротора должна быть достаточно высокой: осевые и радиальные биения не должны превышать нескольких микрометров. Соответствующие требования предъявляются к подшипникам и некоторым корпусным деталям.
Уплотнения между ротором и коллекторами выполняются бесконтактными щелевыми для исключения трения и износа как ротора, так и коллекторов.
Слабое место МКД внешнего сгорания - теплообменники нагрева, в которых теплоноситель нагревается открытым пламенем от горелок. Для того, чтобы ресурс этих теплообменников мог достичь сотен тысяч часов, их необходимо изготавливать из нержавеющих жаропрочных сталей, а теплообменники, контактирующие с морской водой, - из титановых сплавов.
К теплоносителю циркуляционного контура предъявляется целый ряд специфических требований: высокая температура кипения (более 220 °С), низкая температура замерзания (менее -80 °С), низкие вязкость в широком диапазоне температур и химическая активность к конструкционным материалам двигателя, длительная стабильность свойств. Большое влияние на характеристики двигателя имеют теплопроводность и теплоемкость теплоносителя. В качестве теплоносителя может использоваться целый ряд жидкостей, таких как гликолевый эфир, борсодержащие полиэфиры и кремнеорганические жидкости.
С точки зрения эксплуатации МКД внешнего сгорания имеют ряд особенностей. Первая связана с внешним сгоранием топлива, отличающимся по технологии от процессов внутреннего сгорания. С другой стороны, процессы внешнего сгорания хорошо отработаны и автоматизированы в различных областях техники, например, в котельных и на электростанциях. Внешнее сгорание топлива, несмотря на ряд преимуществ, имеет и недостаток, связанный с инерционностью тепловых процессов, что приводит к замедленной реакции
мощности на изменение подачи топлива в сравнении с дизельными двигателями. При движении судна этот недостаток практически незаметен, но при маневрировании следует учитывать инерционность двигателя и использовать редукторы или вариаторы.
Вторая особенность МКД внешнего сгорания - сравнительно низкая частота вращения выходного вала. Эта особенность скорее положительная, чем отрицательная, хотя и требует применения других редукторов, чем для дизельных двигателей.
Третья особенность уже отмечалась - это значительное сокращение ремонтных и регламентных работ.
Магнитокалорические двигатели внешнего сгорания экономически выгодны как по первоначальным, так и по эксплуатационным затратам, экологически безопасны, допускают использование различных видов топлива. В настоящее время магнитокалорические двигатели внешнего сгорания имеют только одну область рационального применения - на судах типа «река» и «река-море» на территории Российской Федерации.
Литература
1. Steyert W.A. Stirling-cycle rotation magnetic refrigerators and heat engines for use near room temperature // J. Appl. Phys. - 1978. - № 49 (3).
- Р. 1216-1226.
2. Solomon D. Thermomagnetic mechanical heat engines // J. Appl. Phys. - 1989. - № 65 (9). - Р. 36873693.
3. Карагусов В.И., Карагусова Е.Е. Создание баз данных теплофи-зических свойств редкоземельных материалов // Вестник Международной академии холода. - 2000.
- № 3. - С. 32-33.
