ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(93)/2013

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(93)/2013 Adrian Chmielewski 1, Tomasz Mydłowski 2, Stanisław Radkowski 3 ANALIZA BUDOWY SILNIKA STIRLINGA PRZY UŻYCIU INŻYNIERII ODWROTNEJ 1. Wstęp Wzrost wymagań dotyczących ochrony środowiska oraz promowanie przez Unię Europejską układów wykorzystujących ciepło tracone [1, 2, 3, 4, 5, 6] występujące m.in: w maszynach roboczych, pojazdach, spalarniach biomasy, elektrowniach, elektrociepłowniach, etc.) są podstawą rozwoju układów kogeneracyjnych, w których elementem kluczowym jest silnik Stirlinga. Do zalet układu kogeneracyjnego opartego o silnik Stirlinga zaliczyć należy: zerową emisję związków toksycznych emitowanych przez silnik Stirlinga (w silniku nie zachodzi proces spalania), wysoka teoretyczna sprawność cieplna, oraz częściowa odwracalność obiegu Stirlinga (możliwość pracy jako pompy ciepła). 2. Budowa układu kogeneracyjnego 2.1. Analiza zmian postaci energii (mocy) Układ kogeneracyjny składa się najczęściej z: silnika Stirlinga, prądnicy (odpowiednio sterowanej) sterownika kontrolującego oraz elementu, który zmagazynuje wytworzoną energię elektryczną czyli akumulatora elektrochemicznego. Wtórne źródło energii (akumulator elektrochemiczny) charakteryzuje praca odwracalna z wysoką sprawnością w warunkach nominalnych [7]. Aby wystąpiła kogeneracja energii musi nastąpić zmiana postaci energii (rysunek 1). Energia (moc) wchodząca do układu (to energia wynikająca z wartości opałowej zewnętrznego źródła np: paliwa, gazu propan-butan, węgla kamiennego, biomasy, etc.). W wyniku spalania - uzyskiwana jest energia (moc) termodynamiczna, która ogrzewa nagrzewnicę. Jest ona transformowana (powoduje ona wzrost ciśnienia i temperatury gazu roboczego) na energię (moc) mechaniczną (ruch posuwisto zwrotny tłoka). W wyniku połączenia pasowego między kołem pasowym zamocowanym na wale korbowym silnika Stirlinga i kołem pasowym zamocowanym na wale silnika/prądnicy prądu stałego energia (moc) mechaniczna transformowana jest na energię (moc) elektryczną (moment oraz prędkość kątowa transformowane są na prąd i napięcie). W dalszym kroku następuje konwersja mocy (energii) elektrycznej na moc (energię) elektrochemiczną ogniwa drugiego rodzaju. 1 inż. Adrian Chmielewski, student, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Politechnika Warszawska. 2 mgr inż. Tomasz Mydłowski, doktorant, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Politechnika Warszawska. 3 prof. dr hab. inż. Stanisław Radkowski, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Politechnika Warszawska. 39

2 Rys. 1 Schemat przedstawiający zmiany postaci energii w układzie kogeneracyjnym [2, 3, 4, 7] 2.1 Walidacja modelu bryłowego na maszynie pomiarowej Po wstępnie stworzonym modelu bryłowym silnika Stirlinga zweryfikowano na maszynie pomiarowej (z dokładnością do 0,01mm) wymiary modelu. Przyjęto bazę pomiarową oraz wyznaczono odchyłki prostopadłości, równoległości, pozycji. Wyniki pomiarów przedstawiono w postaci raportu- rysunek 3. Rys. 2. Weryfikacja modelu bryłowego na maszynie pomiarowej- Laboratorium Metrologii Wydziału SiMR oraz firmy SMART SOLUTION 40

3 Rys. 3. Raport otrzymanych tolerancji (modelu bryłowego oraz rzeczywistego) 2.2 Model układu kogeneracyjnego z silnikiem Stirlinga Model bryłowy 3D stanowiska kogeneracyjnego wykonanego w oparciu o inżynierię odwrotną oraz informacje zawarte w [8]. (po weryfikacji modelu bryłowego z rzeczywistym silnikiem) przedstawiono na rysunku 4. Do budowy modelu użyto programu Solidworks. Rys. 4. Model bryłowy stanowiska kogeneracyjnego z silnikiem Stirlinga 41

4 Model bryłowy silnika Stirlinga przedstawiono na rysunku 5 i 6. Natomiast na rysunku 7 przedstawiono rendering modelu. Najważniejszymi elementami silnika Stirlinga są: regenerator, wymiennik ciepła wraz z chłodnicą oraz nagrzewnica. Wymiennik ciepła odpowiedzialny jest za ochłodzenie gazu roboczego podczas konwekcji cieplnej pomiędzy cylindrem gorącym a cylindrem zimnym. Regenerator (a konkretniej jego wsad) odpowiedzialny jest za oddawanie ciepła podczas ogrzewania izochorycznego oraz akumulowanie ciepła podczas rozprężania izochorycznego według teoretycznego obiegu Stirlinga. Rys. 5. Model bryłowy silnika Stirlinga wykonany przy użyciu inżynierii odwrotnej Rys. 6 Widok z tyłu modelu bryłowego silnika Stirlinga 42

5 Rys. 7. Rendering modelu bryłowego 3D silnika Stirlinga typu Alfa Nagrzewnica jest elementem, który umożliwia poprzez konwekcję cieplną wzrost temperatury gazu roboczego wewnątrz przestrzeni rozprężania. Zazwyczaj musi istnieć zewnętrzne źródło ciepła [1, 2, 3, 4] (palenisko gazowe, piec, silnik spalinowy, elektrownia np: węglowa czy też spalarnia biomasy, etc.), które wytworzy odpowiednią temperaturę. W konsekwencji wzrost temperatury wywoła wzrost szybkości ruchu cząsteczek, wzrośnie ciśnienie. Gaz będzie zwiększał swoją objetość, działając siłą F = pa na wieczko tłoka gorącego. Tłok się przesunie i wykona pracę na przemieszczeniu x. Wprawi w ruch masę bezwładną zamontowaną na końcu wału (z momentem bezwładności J), która uzyska prędkość kątową ω. Przesunięcie pomiędzy gorącym a zimnym tłokiem powoduje, że w GMP (górnym martwym położeniu) tłok się nie zatrzyma i nie pozostanie w nim (ponieważ tłok zimny nie osiągnie jeszcze GMP) a jakakolwiek zadziałająca na korbowód siła będzie transponowana na prędkość obrotową wału korbowego. Tym samym zachowana będzie ciagła zmiana położenia tłoka i w konsekwencji zrealizowany będzie obieg Rallisa. Nagrzewnica wykonana jest w postaci cienkich rurek żaroodpornych oraz żarowytrzymałych, które przekazują z zewnętrznego źródła ciepło do gazu roboczego powodujac wzrost jego temperatury. Do dodatkowych wymagań zaliczyć należy wysoką konwekcję cieplną, odporność na drgania. Model nagrzewnicy przedstawiono na rysunku 8. 43

6 Rys. 8. Model bryłowy 3D nagrzewnicy w silniku Stirlinga Model bryłowy 3D wymiennika ciepła przedstawiony został na rysunku 9. Zbudowany jest z pakietu cienkich rurek o średnicach 1-5 mm rozłożonych na obwodzie. Jego zadaniem jest chłodzenie gazu roboczego podczas konwekcji cieplnej pomiędzy gorącym a zimnym cylindrem. Wymiennik ciepła można zaliczyć do układu chłodzenia. Rys. 9. Model bryłowy 3D wymiennika ciepła Na rysunku 10 przedstawiony został widok rozstrzelony modelu silnika Stirlinga. Składa się on z pokryw bocznych przedniej oraz tylnej (na której umieszczony jest wymiennik ciepła). Pod lewą pokrywą boczną na wale umieszczane jest koło zamachowe. Na rysunku 11 pokazano widok rozstrzelony mechanizmu tłokowo-korbowego. Odpowiednio widoczne są na nim: wieczka tłoków cylindra gorącego (dłuższego) oraz zimnego (krótszego) wraz ze sworzniami oraz pierścieniami osadczymi), korbowody wraz z łożyskami oraz wał. 44

7 Rys. 10. Widok rozstrzelony modelu bryłowego 3D Silnika Stirlinga Rys. 11. Widok rozstrzelony mechanizmu tłokowo-korbowego 45

8 Podsumowanie: Przedstawiona została budowa silnika Stirlinga typu Alfa w układzie kogeneracyjnym. Stworzony został model bryłowy (zweryfikowany na maszynie pomiarowej) silnika Stirlinga pracującego w konfiguracji Alfa oraz stanowisko do kogeneracji energii (odzysku ciepła traconego). Opisano zasadę działania silnika Stirlinga typu Alfa. Zwrócono uwagę na rolę regeneratora, nagrzewnicy oraz wymiennika ciepła a także chłodnicy. Zobrazowane zostały modele bryłowe wymiennika ciepła nagrzewnicy oraz regeneratora. Stworzone zostały widoki rozstrzelone całego silnika Stirlinga oraz układu tłokowo korbowego. Dodatkowo przeanalizowano zmiany postaci energii od źródła (wejście) aż do elementu magazynującego energię (np: akumulator elektrochemiczny). Przedstawiono podstawową budowę układu kogeneracyjnego (który składa się z: silnika Stirlinga, prądnicy (odpowiednio sterowanej) sterownika kontrolującego oraz akumulatora elektrochemicznego). Literatura: [1] Żmudzki Stefan,,Silniki Stirlinga'', WNT. [2] Szargut J.,,Egzergia. Poradnik obliczania i stosowania'', WPŚ, Gliwice [3] Szargut J.,,Egzergia'', WNT, Warszawa [4] Szargut J.,,Termodynamika Techniczna'', wyd. PWN, Warszawa [5] General Electric,,Development and demonstration of a Stirling-Rankine heat activated heat pump'', Philadelphia [6] William. R Martini,,Stirling engine. Design Manual'', U.S. Department of Energy- University of Washington, Washington [7] Szumanowski A.,,Akumulacja energii w pojazdach'', WKiŁ, Warszawa [8] aktualizacja Streszczenie W niniejszym artykule autorzy przedstawili budowę silnika Stirlinga typu Alfa w zastosowaniu do układu kogeneracyjnego. W tym celu stworzony został model bryłowy (zweryfikowany na maszynie pomiarowej) silnika Stirlinga pracującego w konfiguracji Alfa oraz model stanowiska do kogeneracji energii (odzysku ciepła traconego). Opisano zasadę działania silnika Stirlinga typu Alfa. Zwrócono uwagę na rolę regeneratora, nagrzewnicy oraz wymiennika ciepła a także chłodnicy. Zobrazowano modele bryłowe wymiennika ciepła nagrzewnicy oraz regeneratora. Przedstawiono widoki rozstrzelone całego silnika Stirlinga oraz układu tłokowo korbowego. Dodatkowo przeanalizowano zmiany postaci energii od źródła (wejście) aż do elementu magazynującego energię (np: akumulator elektrochemiczny). Przedstawiono podstawową budowę układu kogeneracyjnego (który składa się z: silnika Stirlinga, prądnicy (odpowiednio sterowanej) sterownika kontrolującego oraz akumulatora elektrochemicznego). Słowa kluczowe: Inżynieria odwrotna, Alfa, Stirling, model bryłowy 3D, układ kogeneracyjny 46

9 ANALYSIS OF THE CONSTRUCTION STIRLING ENGINE OF ALPHA TYPE WITH USING REVERSE ENGINEERING Abstract The present article shows the construction of the Stirling engine of the Alpha type used in a cogeneration system. In order to do this a solid model (verified on a measuring machine) was made of a Stirling engine working in Alpha configuration and a model of a system to cogenerate energy (wasted heat recovery). The principle of action of a type Alpha Stirling engine is described. Attention was drawn to the role of the regenerator, heater and the heat exchanger as well as the cooler. Solid models of the heater's heat exchanger and regenerator are shown. Exploded views of the whole Stirling engine as well as the piston/crankshaft system are shown. Additionally there is an analysis of the change of form of energy from the source (point of entry) to the energy storage element (for instance the electrochemical battery). The basic construction of the cogeneration system is shown (which consists of a Stirling engine, an appropriately controlled alternator, controller and electrochemical battery). Keywords: Reverse Engineering, Alpha, Stirling, 3D Solid model, cogeneration system. 47