ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(98)/2014

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(98)/2014 Miłosz Meus 1 KONCEPCJA SYSTEMU DO ODZYSKU ENERGII Z CIEPŁA ODPADOWEGO KOTŁA GRZEWCZEGO 1. Wprowadzenie W dzisiejszych czasach zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego małych obiektów stanowi poważny problem. W tym celu rozwijane są nowatorskie rozwiązania oparte głównie o technologię związaną ze skojarzoną produkcją energii cieplnej i elektrycznej z wykorzystaniem źródła małej mocy i odnawialnych źródeł energii (OZE). W procesie spalania biopaliw w kotłach grzewczych powstaje ciepło odpadowe (spaliny), które w efekcie końcowym oznacza mniejszą sprawność kotła. Celowe wydaje się zagospodarowanie energii niesionej przez te spaliny, co w efekcie końcowym podniesie efektywność energetyczną kotła. Ze względu na aspekty ekologiczne i ekonomiczne, a także ze względu na to, iż w przypadku małych obiektów do przetworzenia ciepła w energię mechaniczną, a następnie energię elektryczną i energię cieplną najbardziej predysponowany jest silnik z zewnętrznym spalaniem. W dalszej części artykułu przedstawiono koncepcję systemu do odzysku energii z ciepła odpadowego kotła grzewczego. Jako główny element takiego systemu proponuje się zastosowanie silnika Stirlinga LTD (Low Temperature Difference). W efekcie działania takiego systemu wytworzona zostanie energia elektryczna i cieplna. Tak otrzymana energia elektryczna i cieplna może zostać wykorzystana na własne cele, bądź też w przypadku energii elektrycznej nadwyżki sprzedane do sieci. Taki system będzie charakteryzował niski poziom hałasu, zmniejszona emisji CO 2 (aspekty ekologiczne), możliwość wytwarzania energii elektrycznej przy braku zapotrzebowania na ciepło, oszczędność paliwa w porównaniu z systemami rozdzielonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, a także wzrost bezpieczeństwa energetycznego (dodatkowe źródło zasilania). 2. Silnik Stirlinga Silnik Stirlinga, silnik cieplny, dokonuje przemiany energii cieplnej w energię mechaniczną. Typowy silnika Stirlinga składa się z następujących elementów: dwóch tłoków (zimnego oraz ciepłego), regeneracyjnego wymiennika ciepła, wymienników ciepła pomiędzy czynnikiem roboczym, a zewnętrznymi źródłami. Silnik Stirlinga silnik zewnętrznego spalania może korzystać z dowolnego źródła ciepła (odnawialnego, odpadowego lub też geotermalnego). W bardzo poglądowy sposób przedstawia odwracalność procesów termodynamicznych. Tłok roboczy i wypierający (tłoczący) są zamontowane w układzie 90. Czynnikiem roboczym 1 Mgr inż. Miłosz Meus, asystent Katedry Mechatroniki i Edukacji Techniczno-Informatycznej Uniwersytetu Warmińsko-Mazurski w Olsztynie 173

2 w takim silniku może być hel, wodór lub też powietrze. Cykl pracy silnika Stirlinga sprowadza się do czterech następujących faz: chłodzenia, sprężania, ogrzewania, rozprężania. Fazy te są realizowane poprzez przemieszczanie czynnika roboczego (gazu) pomiędzy ciepłą oraz zimną częścią silnika. Silnik Stirlinga pracuje w układzie stałego połączenia z zewnętrznym źródłem ciepła, które doprowadza to ciepło do czynnika roboczego poprzez nagrzewanie zewnętrznej ścianki nagrzewnicy [1]. Ideę działania silnika Stirlinga przedstawia rysunek 1. Rys. 1. Zasada działania silnika Stirlinga (H nagrzewnica; R regenerator, K chłodnica) [2] Silnik Stirlinga posiada kilka istotnych zalet, do których można zaliczyć: brak wybuchowego procesu spalania przy przetwarzaniu ciepła na energię mechaniczną, zasilanie energią pierwotną praktycznie z dowolnego źródła (ciepło doprowadzane z zewnątrz) [3]. Obecnie na świecie, szczególnie w krajach rozwijających się, uwaga jest skupiona na silnikach Stirlinga LTD (Low Temperature Difference), MTD (Medium Temperature Difference) i HTD (High Temperature Difference). W przypadku silników Stirlinga typu LTD temperatura na nagrzewnicy waha się w zakresie C. 3. Kotły grzewcze Obecnie w warunkach krajowych rynek systemów grzewczych jest zdominowany przez tradycyjne kotły grzewcze na paliwa konwencjonalne. Jednakże w ostatnich dekadach coraz bardziej pogłębia się problem ciągle rosnących cen paliw konwencjonalnych. Alternatywą dla powyższego stanu rzeczy, w wybranym zakresie małych i średnich mocy, jest więc wytwarzanie energii cieplnej ze źródeł odnawialnych. W związku z tym nastąpił zauważalny rozwój systemów wykorzystujących energię spalania biopaliw do celów grzewczych. Systemy grzewcze oparte na kotłach do spalania biopaliw stałych można podzielić na systemy do spalania biopaliwa w postaci 174

3 rozdrobnionej, takiej jak pelety lub zrębki oraz na systemy do spalania biopaliw stałych w postaci nierozdrobnionej, tzw. polana. Każdy z tych systemów posiada swoją specyfikę, jeżeli chodzi o wymagania, zasadę działania oraz uzbrojenie kotła i instalacji. Systemy grzewcze oparte na kotłach do spalania biopaliw stałych wyposażone są w kotły stalowe, wodne, niskotemperaturowe, palniki zintegrowane z korpusami kotłów, z wentylatorami regulowanymi falownikiem i z pełną automatyzacją. Systemy te są nowoczesnymi urządzeniami, które powstawały ewolucyjnie przez rozwój kolejnych elementów projektowanych w oparciu o gromadzone doświadczenia w zakresie spalania biopaliw stałych. Na nowoczesność tych urządzeń składa się automatyka i sterowanie, wysoka sprawność i efektywność, a także optymalizacja procesu spalania. Najbardziej rozbudowane systemy zawierają sterowniki swobodnie programowalne, realizujące wszystkie funkcje związane z automatyką, sterowaniem i komunikacją z otoczeniem. Optymalizacja realizowana jest przez indywidualne sterowanie pracą wentylatorów oraz ustalanie proporcji powietrza pierwotnego, wtórnego i wtórnego korygującego, w zależności od mocy chwilowej, temperatury i składu spalin. Kotły na biopaliwa charakteryzują się wysoką sprawnością oraz niską emisyjnością substancji szkodliwych i pyłów. 4. Koncepcja systemu do odzysku energii z ciepła odpadowego kotła grzewczego Jak już wspomniano w procesie spalania biopaliw w kotłach grzewczych powstaje ciepło odpadowe (spaliny) o temperaturze dochodzącej do 160 C przy nominalnej mocy cieplnej w przypadku kotłów z automatycznym podawaniem firmy Kostrzewa [4]. Niewykorzystanie energii niesionej przez te spaliny oznacza w efekcie końcowym mniejszą sprawność kotła. Warto więc wykorzystać tą traconą energię. Atmosfera Wymiennik ciepła En. Cieplna Sterownik PLC Spaliny Kocioł grzewczy na biopaliwo stałe Komin Tłok gorący Regenerator Tłok zimny Silnik Stirlinga Silnik elektryczny En. Elektryczna Prądnica Enkoder inkrementalny m Rys. 2. Schemat koncepcyjny systemu do odzysku energii z ciepła odpadowego kotła grzewczego 175

4 W przypadku małych obiektów do przetworzenia ciepła w energię mechaniczną, a następnie energię elektryczną i energię cieplną najbardziej predysponowany jest silnik z zewnętrznym spalaniem. Najlepszym wyborem jest silnik Stirlinga LTD, gdyż może wykorzystywać dowolne źródło ciepła, nawet o relatywnie niskiej temperaturze. Ponadto zaletą wykorzystania takiego silnika są nieduże wymiary. Aby zwiększyć efektywność energetyczną kotła poprzez wykorzystanie energii niesionej przez spaliny proponuje się umieszczenie modułu przy takim źródle ciepła, który składa się z silnika Stirlinga wraz ze sprzężonymi z jego wałem silnikiem elektrycznym i prądnicą, czujnikiem temperatury i enkoderem inkrementalnym zamontowanym na wale oraz sterownikiem PLC (Programmable Logic Controller) (Rys. 2). Sterownik PLC po otrzymaniu sygnału od czujnika temperatury o pojawieniu się spalin o określonej temperaturze wysyła sygnał do uruchomienia silnika elektrycznego, który jest sprzężony z wałem silnika Stirlinga, aby ułatwić rozruch silnika Stirlinga. Jednocześnie sprzężona z wałem silnika Stirlinga prądnica wytwarza energię elektryczną. Ponadto z wałem silnika Stirlinga związany jest jeszcze enkoder inkrementalny. Udostępnia on informację o położeniu kątowym wału silnika Stirlinga do sterownika PLC. Po osiągnięciu wymaganej prędkości obrotowej przez silnik Stirlinga sterownik PLC odcina zasilanie zewnętrzne od silnika elektrycznego. Od tej chwili moment obrotowy z wału silnika Stirlinga jest przekazywany tylko do prądnicy, która zamienia energię mechaniczną na energię elektryczną. Ten sposób wykorzystania energii niesionej przez spaliny powstałe w procesie spalania biopaliw stałych w kotle grzewczym umożliwia pozyskanie dodatkowej energii elektrycznej nie wymagając spalania dodatkowej ilości biopaliwa przez kocioł. Ponadto energię tych spalin w połączeniu z ciepłem traconym na regeneratorze i chłodnicy silnika Stirlinga dodatkowo można wykorzystać w wymienniku ciepła do uzyskania energii cieplnej. 5. Podsumowanie Zagospodarowanie nisko temperaturowego źródła ciepła w postaci spalin, które powstają w procesie spalania biopaliw stałych w kotle grzewczym jest istotnym zagadnieniem, zgodnym z aktualnymi tendencjami zrównoważonego rozwoju w zakresie energetyki szczególnie w przypadku małych obiektów. Najlepszym wyborem w takim przypadku wydaje się wykorzystanie silnika Stirlinga LTD, który charakteryzuje się wysoką niezawodnością oraz niską ceną na jednostkę wyprodukowanej energii. Ponadto nie wymaga on stałego dozoru, pracuje w sposób ciągły w czasie. Nie posiada zaworów, ciśnienie wewnątrz komory silnika utrzymuje się niemal na stałym poziomie, pracuje cicho. Startuje wolniej, ale pracuje lepiej w zimnych warunkach niż silniki tradycyjne. Jak już wspomniano zaproponowany system będzie charakteryzowała możliwość wytwarzania energii elektrycznej przy braku zapotrzebowania na ciepło, oszczędność paliwa w porównaniu z systemami rozdzielonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, a także wzrost bezpieczeństwa energetycznego (dodatkowe źródło zasilania). Literatura: [1] Żmudzki S.: Silniki Stirlinga, Warszawa, WNT 1993, [2] Strona internetowa Animated Engines {Dostępny r.: 176

5 [3] Piętak A., Radkowski S., Boruta G., Wierzbicki S., Duda K., Mikulski M., Nitkiewicz Sz.: Studium możliwości wykorzystania silników o obiegu Stirlinga do kogeneracyjnych agregatów zasilanych biopaliwami, T.33. Gdańsk 2013 WMMP IMP PAN Gdańsk, [4] Strona internetowa firmy Kostrzewa {Dostępny r.: Streszczenie Rozwój nowatorskich rozwiązań opartych głównie o technologię związaną ze skojarzoną produkcją energii cieplnej i elektrycznej z wykorzystaniem źródła małej mocy i odnawialnych źródeł energii (OZE) jest istotnym zagadnieniem, zgodnym z aktualnymi tendencjami zrównoważonego rozwoju w zakresie energetyki szczególnie w przypadku małych obiektów. Przykładem niskotemperaturowego źródła ciepła, które można zagospodarować w przypadku małych obiektów, są spaliny wytwarzanie w procesie spalania biopaliw w kotłach grzewczych. Dzięki temu możliwe jest podniesie sprawności takiego kotła. W przypadku małych obiektów do przetworzenia ciepła w energię mechaniczną, a następnie energię elektryczną i energię cieplną najbardziej predysponowany jest silnik z zewnętrznym spalaniem. W artykule przedstawiono koncepcję systemu do odzysku energii z ciepła odpadowego kotła grzewczego. Jako główny element takiego systemu proponuje się zastosowanie silnika Stirlinga LTD. W tym systemie wytworzona zostanie energia elektryczna i cieplna. Otrzymaną energia elektryczną i cieplną może wykorzystać na własne cele, bądź też w przypadku energii elektrycznej nadwyżki sprzedane do sieci. W efekcie tego można osiągnąć wzrost bezpieczeństwa energetycznego (dodatkowe źródło zasilania). Słowa kluczowe: ciepło odpadowe, kocioł grzewczy, silnik Stirlinga. THE CONCEPTION OF THE SYSTEM FOR THE ENERGY RECOVERY FROM OFF-HEAT OF THE HOT WATER BOILER Abstract The development of innovative solutions based mainly on technology with associated production of heat and electricity using low-power sources and renewable energy sources (RES) is an important issue, in accordance with current trends in sustainable development in the field of energy, especially in the case of small objects. An example of low temperature heat source that can be disposed of in the case of small objects, are in the process of production of biofuels in hot water boiler. This makes it possible to raise the efficiency of the boiler. In the case of small objects to be processed in mechanical energy and then electricity and thermal energy the most predisposed is an engine with external combustion. 177

6 The article gives the concept of the system for the energy recovery from off-heat of the hot water boiler. As the main element of such a system, it is proposed to apply the LTD Stirling engine. In this system will be generated electricity and heat. Electric energy obtained and heat may use for their own purposes, or in the case of excess electricity sold to the grid. As a result, it is possible to achieve an increase in the security of energy supply (additional power source). Keywords: off-heat, hot water boiler, LTD Stirling engine. 178