ODZYSK CIEPŁA ODPADOWEGO ZA POMOCĄ SILNIKA STIRLINGA

Transkrypt

1 ODZYSK CIEPŁA ODPADOWEGO ZA POMOCĄ SILNIKA STIRLINGA Autorzy: Stanisław Szwaja, Dorian Skrobek ("Rynek Energii" - grudzień 2016) Słowa kluczowe: silnik Stirlinga, ciepło odpadowe, energia elektryczna Streszczenie. W artykule omówiono skrótowo rodzaje silnika zewnętrznego spalania zwanego powszechnie silnikiem Stirlinga. Następnie przedstawiono autorską koncepcję dwu-modułowego silnika w wersji alfa o konfiguracji cylindrów w układzie widlastym z kątem rozłożenia cylindrów 90º. Przedstawiono analizę termodynamiczną obiegu tego silnika oraz zamieszczono wyniki analizy oraz osiągów silnika. Na podstawie uzyskanych wyników wywnioskowano, że zaprezentowane rozwiązanie będzie można zastosować do konwersji ciepła odpadowego spalin silnika gazowego na energię elektryczną ze sprawnością na poziomie około 10% co jest wynikiem satysfakcjonującym, jeśli uwzględni się, że pozostałe ciepło odpadowe zostanie zutylizowane do obiegu grzewczego mikrobiogazowni rolniczej. 1. WSTĘP Koncepcja silnika zewnętrznego spalania, gdzie ciepło dostarczane jest do czynnika roboczego poprzez wymienniki ciepła znana jest od XIX wieku. Konstrukcję silnika później sklasyfikowaną jako wersja beta opatentował Robert Stirling w roku Od tego czasu nazwa silnik Stirlinga utrwaliła się i jest stosowana potocznie na wszystkie silniki tłokowe zewnętrznego spalania, stąd również i w tym artykule takie nazewnictwo będzie stosowane. Wersja beta silnika opatentowanego przez R. Stirlinga przedstawiona została na rys. 1. Zasada działania silnika opiera się na cyklicznej zmianie objętości stałej ilości gazu zamkniętej wewnątrz 1 lub 2 cylindrów. Gdyby zastosować 1-cylindrowy silnik tłokowy z tradycyjnym mechanizmem korbowo-tłokowym i cyklicznie podgrzewać z zewnątrz i schładzać jego wewnętrzną komorę, to wówczas w wyniku zmiany ciśnienia gazów uzyskano by ruch tłoka, który wprawiłby w ruch obrotowy wał korbowy. Ciśnienie gazu podlegającego ogrzewaniu zgodnie z równaniem stanu rośnie, i w przypadku gdy możliwa jest zmiana jego objętości, wywołuje jego ekspansję. Podczas schładzania następuje proces odwrotny. Takie cykliczne nagrzewanie i schładzanie jest procesem powolnym ze względu na względnie dużą bezwładność cieplną cylindra i jego głowicy. Dlatego postępując za takim tokiem rozumowania R. Stirling uznał, że znacznie łatwiej będzie przepompowywać gaz z przestrzeni zimnej do gorącej i odwrotnie. Do tego celu służy tłok wewnętrzny zwany wypornikiem (rys.1). Wypornik połączony jest z wałem korbowym poprzez dodatkowy korbowód, zamontowany na czopie przesuniętym względem czopa korbowodu łączącego tłok. Tego połączenia na rysunku nie pokazano.

2 Rys. 1. Wersja beta silnika Stirlinga [1] Rys. 2. Silnik gamma [1] Odmianą silnika beta jest silnik gamma, w którym zastosowano dwie przestrzenie robocze (oddzielnie dla wypornika i tłoka), które są ze sobą połączone kanałem (Rys. 2). Zamiast wypornika można zastosować dwa tłoki (Rys. 3) i wówczas uzyska się konfigurację silnika znaną pod nazwą alfa. Silnik w wersji alfa charakteryzuje się najwyższą sprawnością, a zatem także najwyższym wskaźnikiem uzyskiwanej mocy do jego masy. Rys. 3. Wersja alfa silnika Stirlinga [1] Trudność występująca w zakresie połączenia kinematycznego dwóch przeciwsobnie ustawionych tłoków została przezwyciężona konstrukcją alfa pokazaną na rysunku 4.

3 Regenerator w tym przypadku nie jest konieczny, ale jego zamontowanie na kanale łączącym obydwa cylindry znacząco poprawi sprawność termiczną silnika. Rys. 4. Silnik alfa z dwoma tłokami na jednym czopie wału korbowego 2. WADY I ZALETY SILNIKA STIRLINGA Podstawową zaletą silnika Stirlinga jest jego relatywnie do innych maszyn cieplnych wysoka sprawność termiczna. Sprawność ta teoretycznie może niewiele ustępować sprawności silnika idealnego pracującego na obiegu Carnota. Podstawową wadą silnika Stirlinga jest jego duża masa. Masa ta wynika głównie z gabarytowo dużych wymienników ciepła, dla których w celu uzyskania wysokiej sprawności silnika różnica temperatury strony wtórnej do pierwotnej powinna być jak najmniejsza. Stąd silnik Stirlinga nie zyskał tak bardzo na popularności jak jego brat - silnik wewnętrznego spalania zwany potocznie silnikiem spalinowym. Obecnie silnik Stirlinga znajduje zastosowanie głównie w układach kogeneracyjnych, w których na pierwszym planie jest wytwarzanie ciepła, natomiast produkcja energii elektrycznej jest czynnością drugorzędną. Zatem silnik można przykładowo zastosować w gazowych kotłach grzewczych dla domowego użytku. Przy mocy cieplnej kotła na poziomie kw można poza ciepłem równolegle wyprodukować moc elektryczną około 1 kw za pomocą silnika Stirlinga sprzęgniętego z prądnicą [2]. 3. ANALIZA TERMODYNAMICZNA SILNIKA STIRLINGA Do obliczeń przyjęto wymiary silnika podane w tabeli 1.

4 Tabela 1 Główne wymiary silnika L.p. Nazwa Wartość 1 Średnica cylindra D (mm) 77 2 Ramię wykorbienia r (mm) 35 3 Skok tłoka S (mm) 70 4 Długości korbowodów l (mm) Pojemność regeneratora V reg (cm 3 ) Maksymalna pojemność 1473 robocza V max (cm 3 ) 7 Minimalna pojemność robocza V min (cm 3 ) 553 Idealny obieg silnika Stirlinga charakteryzuje się dwiema izotermami (4-1 i 2-3 ) oraz dwiema izochorami (1-2 i 3-4). Jedyną różnicą względem obiegu Carnota jest zastąpienie przemian izentropowych przemianami izochorycznymi [3]. Stąd pole ciepła oddawanego do dolnego źródła pomiędzy osią entropii s i punktami jest większe co przy zachowaniu tego samego pola pracy użytecznej jak dla obiegu Carnota powoduje zmniejszenie sprawności obiegu (Rys. 5). Sprawność tę można znacząco poprawić poprzez stosowanie układu regeneracji ciepła z pola i przeniesienie go w miejsce Rys. 5. Obieg Carnota ( ) i obieg silnika Stirlinga ( ) w układzie T-s Ciepło doprowadzone do obiegu można wyznaczyć według zależności (1-3). Przyjęto, że czynnikiem roboczym będzie powietrze. Temperaturę górnego źródła przyjęto na poziomie 250ºC, a dolnego źródła 80ºC. q dopr q q (1) 1 2' 2' 3' q1 2' cv ( T2' T1) (2)

5 q2' 3' R T2' ln( V3' / V2' ) (3) Ciepło odprowadzone z obiegu do dolnego źródła wyznaczono według zależności (4-6). q odpr q q (4) 3' q3' 4 cv ( T3' T4) (5) q4 1 R T1 ln( V4 / V1 ) (6) Z bilansu energii jednostkowa praca użyteczna obiegu wynosi (W.7): W j q q (7) dopr odpr Stąd sprawność termiczną obiegu można obliczyć według definicji (W.8). W j ob (8) qdopr Do wyznaczenia pracy pojedynczego cyklu, założono, że obieg silnik został napełniony powietrzem atmosferycznym dla warunków maksymalnej objętości obiegu, ciśnienia atmosferycznego i temperatury 20ºC. Prędkość obrotowa silnika wynosi około 700 obr/min. Na tej podstawie obliczono moc silnika (9). Moc elektryczna jest generowana przez prądnicę synchroniczną obcowzbudną, którą był alternator samochodowy 100A/14,4V. P W n / 60 (9) r Tabela 2 Wielkości termodynamiczne silnika Wielkość Ciepło doprowadzone q 1-2 Ciepło doprowadzone q 2-3 Ciepło odprowadzone q 3-4 Ciepło odprowadzone q 4-1 Wartość Praca jednostkowa W j 1385 Sprawność obiegu ob 0,18 Praca pojedyńczego cyklu W r (J) 82,8 Prędkość obrotowa n (obr/min) 700 Liczba moli powietrza N m (mol) 0,06 Moc silnika (1 moduł) (kw) 0,97 Moc 2 modułów (kw) 1,95

6 4. ZASTOSOWANIE SILNIKA STIRLINGA DO ODZYSKU CIEPŁA ODPADOWEGO Proponowany układ alfa silnika Stirlinga z dwoma cylindrami umieszczonymi względem siebie pod kątem 90º wykorzystano jako źródło do odzysku ciepła odpadowego spalin silnika gazowego pracującego w mikrobiogazowni rolniczej (rys. 6). Górnym źródłem ciepła są spaliny silnika gazowego o parametrach: - temperatura spalin: 550ºC - wydatek spalin: około 60 dm 3 /s natomiast dolnym źródłem ciepła jest woda z obiegu grzewczego zbiornika-fermentora o pojemności 51 m 3. W fermentorze należy utrzymywać temperaturę na poziomie około 36-39ºC (fermentacja mezofilna). Woda obiegu grzewczego ma temperaturę około 65ºC, temperatura głowicy silnika jest wyższa i jest na poziomie około 80ºC. Rys. 6. Koncepcja wykorzystania silnika Stirlinga w instalacji energetycznej mikrobiogazowni rolniczej Na rysunkach 7 i 8 przedstawiono kilka szczegółów technicznych silnika zastosowanego w instalacji. Jest to silnik 4-cylindrowy z cylindrami w układzie V90. Jedna para cylindrów pracuje w temperaturze dolnego źródła, a druga para w temperaturze górnego źródła, czyli jest omywana spalinami silnika gazowego. Pomiędzy cylindrami występują dwa regeneratory. Z punktu widzenia zasady działania jest to połączenie ze sobą dwóch prostych silników Stirlinga, potraktowanych jako odrębne moduły, które łączy ze sobą jeden wał korbowy. Jak podano w tabeli moc mechaniczna na wale silnika dwumodułowego jest na poziomie około 2 kw.

7 Rys. 7. Schemat poglądowy dwumodułowego silnika Stirlinga Rys. 8. Szczegóły techniczne budowy i rozwiązania przeniesienia napędu

8 5. WNIOSKI Sprawność silnika zależy od temperatury górnego i dolnego źródła. Aczkolwiek spaliny silników gazowych mogą mieć temperaturę przekraczającą 600ºC, to ze względu na rodzaj uszczelnienia (uszczelnienie teflonowe) cylindrów, nie zaleca się w proponowanym układzie stosować temperatury wyższej aniżeli ºC. Za pomocą zaproponowanego rozwiązania z silnikiem Stirlinga jest możliwe odzyskanie do około 10% energii zawartej w gazach spalinowych. Jest to wartość w małych układach kogeneracyjnych na tyle atrakcyjna, że należy rozpatrzyć analizę kosztów produkcji takiego silnika. W przeciwieństwie do dużych instalacji gazowych silników spalinowych stosowanie silnika Stirlinga w układach kogeneracyjnych małej mocy jest zasadne dla instalacji wytwarzania ciepła, w których wytwarzanie energii elektrycznej jest działaniem dodatkowym powstającym w skutek działania kogeneracji. Artykuł powstał w ramach realizacji projektu nr pt. Utylizacja osadu pofermentacyjnego z biogazowni na potrzeby produkcji energii elektrycznej współfinansowany przez Narodowe Centrum badań i Rozwoju, nr umowy PBS2/A4/9/2013.

9 LITERATURA [1] [2] Janowski T., Nalewaj K., Holuk M.: Układ kogeneracyjny z silnikiem Stirlinga, Przegląd Elektrotechniczny, ISSN , r. 90, 2/2014 [3] Żmudzki S.: Silniki Stirlinga. Warszawa, WNT 1993 WASTE HEAT RECUPERATION WITH AID OF THE STIRLING ENGINE Keywords: Stirling engine, waste heat recovery, power generation Summary. Several versions of the external combustion piston engine, commonly known as the Stirling engine, have been presented in the paper. Furthermore, the own original conception of double-module engine in alpha version with 4 cylinders in V configuration of 90 deg has been proposed. Next, thermodynamic analysis of the engine working cycle, its results and engine performance have been included. The engine works on compressed air, but tests with several gases as argon, CO 2 and hydrogen are foreseen. The preliminary tests of the functional model showed that power output of this 4 cylinder V90 engine can reach nearly 2 kw at heat source temperature of 550 C and cooling temperature of 80 C. Additionally, impact of the regenerator s charge will be tested. On the basis of these results, it was concluded, that the proposed engine can be applied as the effective device for waste heat recovery from exhaust gases generated by a gas fueled internal combustion engine with efficiency of approximately 10%. This is considered as satisfactory achievement, if someone takes into account that the heat from the engine cooling system can be utilized by a heating system in the micro biomass-to-biogas power plant. Stanisław Szwaja, dr hab. inż., prof. PCz, zatrudniony na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechniki Częstochowskiej, szwaja@imc.pcz.czest.pl Dorian Skrobek, mgr inż., doktorant na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechniki Częstochowskiej, doriantps@op.pl