Rys. 1. Obieg cieplny Diesla na wykresach T-s i p-v: Q 1 ciepło doprowadzone; Q 2 ciepło odprowadzone

Transkrypt

1 1. Wykorzystanie spalinowych silników tłokowych W zależności od techniki zapłonu spalinowe silniki tłokowe dzieli się na silniki z zapłonem samoczynnym (z obiegiem Diesla, CI compression ignition) i silniki z zapłonem iskrowym (z obiegiem Otto, SI spark ignition). Najpopularniejszym rodzajem silników tłokowych wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej są silniki z obiegiem Diesla: dwie izentropy, izobara i izochora. W obiegu Diesla ciepło jest doprowadzane przy stałym ciśnieniu (izobarycznie - przemiana 2-3), zaś odprowadzane przy stałej objętości (izochorycznie, przemiana 4-1). Sprężanie i rozprężanie odbywa się adiabatycznie (izentropowo, przemiany 1-2 i 3-4). Praca zewnętrzna jest wykonywana podczas przemiany izobarycznej 2-3 i adiabatycznej 3-4 W obiegu Otto ciepło jest doprowadzane i odprowadzane przy stałej objętości (izochorycznie - przemiany 2-3 i 4-1). Sprężanie i rozprężanie odbywa się adiabatycznie, tzn. bez wymiany ciepła z otoczeniem, przy stałej entropii. Praca jest wykonywana jedynie podczas przemiany rozprężania (linia 3-4). Rys. 1. Obieg cieplny Diesla na wykresach T-s i p-v: Q 1 ciepło doprowadzone; Q 2 ciepło odprowadzone Obieg cieplny Otto na wykresach p-v i T-s: Q ciepło doprowadzone; Q o ciepło odprowadzone Silniki tłokowe dzielą się jeszcze, w zależności od zastosowanego cyklu pracy, na silniki dwusuwowe i czterosuwowe oraz w zależności od prędkości obrotowej wału na: wysokoobrotowe ( min -1 ), średnioobrotowe ( min -1 ) i niskoobrotowe ( min -1 ). 2. Charakterystyka turbin oraz mikroturbin gazowych Turbiny gazowe (spalinowe) są silnikami cieplnymi wirnikowymi ze spalaniem zewnętrznym i mogą być opalane gazem ziemnym, olejem lub pracować w systemie dwupaliwowym. W najprostszym, otwartym układzie cieplnym z turbiną gazową jest realizowany obieg Braytona-Joule'a: dwie izobary i dwie izentropy. a) Rys. 2. Otwarty obieg cieplny z turbiną gazową: a) schemat ideowy; b) wykres entropowy: 1 sprężarka; 2 turbina gazowa; 3 doprowadzenie powietrza; 4 komora spalania; 5 prądnica; 6 doprowadzenie paliwa; q d ciepło doprowadzone do obiegu w przemianie izobarycznej 2-3; q o ciepło doprowadzone w przemianie 4-1 Na świecie są prowadzone prace na rozwojem nowego rodzaju turbin gazowych o mocach od 500 W do kilkuset kw - tzw. mikro-turbin. Mikro-turbiny, w przeciwieństwie do małych turbin gazowych (o mocy większej od 1 MW), charakteryzują się zintegrowanym układem sprężarka-turbina-prądnica-komora spalania-wymiennik regeneracyjny, pracą przy dużo większych prędkościach wału (powyżej min -1 ), niższą temperaturą na wlocie do turbiny (zwykle poniżej 985 C) i mniejszym stopniem sprężania (3,5 4). Sprawność mikro-turbin wynosi przeważnie ok. 30% i uzyskuje się ją dzięki znacznemu odzyskowi ciepła. 1

2 Rys. 3. Zespół prądotwórczy z mikro-turbiną gazową: a) schemat ideowy, b) realizacja; 1 zasysanie i sprężanie powietrza, 2 podgrzewanie powietrza w wymienniku regeneracyjnym, 3 spalanie gazu, 4 rozprężanie spalin w mikroturbinie, 5 oddawanie ciepła przez spaliny w wymienniku regeneracyjnym, 6 wylot (wydmuch) spalin 3. Silniki Stirlinga Alternatywnym rozwiązaniem dla silników tłokowych ze spalaniem wewnętrznym jest silnik tłokowy ze spalaniem zewnętrznym, w którym energia jest dostarczana do czynnika roboczego ze źródła zewnętrznego (niekoniecznie z komory spalania, może to być np. skoncentrowane promieniowanie słoneczne). Takim rozwiązaniem jest silnik Stirlinga, opatentowany w 1816 roku przez duchownego szkockiego, Roberta Stirlinga. Silnik Stirlinga ma dwa tłoki w tym samym cylindrze jeden po gorącej stronie, drugi po stronie zimnej, rozdzielone przez krótkookresowy magazyn ciepła zwany regeneratorem. Inaczej niż w silniku ze spalaniem wewnętrznym gaz, którym może być po prostu powietrze, ale częściej jest to azot, hel lub wodór, jest na stałe zawarty w cylindrze. Magazynem może być sito ceramiczne z innego porowatego materiału o odpowiedniej masie, zapewniające odpowiedni gradient temperatury między jego jedną a drugą stroną. Porowatość materiału ma zapewnić możliwość przepływu gazu w obu kierunkach. Gaz przepływając przez regenerator pobiera lub oddaje ciepło, zależnie od kierunku przepływu. Przestrzeń po jednej (lewej) stronie regeneratora jest ogrzewana przez zewnętrzne źródło ciepła (komora spalania, skoncentrowane promienie słoneczne), zaś przestrzeń po drugiej (prawej) stronie regeneratora jest chłodzona (przez radiatory lub aktywnie, co może być też wykorzystane w kogeneracji). Jest to zatem maszyna cieplna pracująca między dwoma źródłami ciepła górnym (gorącym) i dolnym (zimnym chłodnicą). Oczywiste jest więc, że jego sprawność jest ograniczona przez sprawność cyklu Carnota. Cykl realizowany w silniku Stirlinga (cykl Stirlinga) składa się z 4 stanów i 4 przejść między nimi (rys. 4): Stan 1 gaz zimny (w zasadzie cały gaz jest zimny - pomijalna objętość znajduje się w porach regeneratora), maksymalna objętość, minimalne ciśnienie. Przejście 1-2 tłok gorący pozostaje nieruchomy, podczas gdy tłok zimny przesuwa się w lewo sprężając gaz. Gaz przekazuje ciepło do chłodnicy. Idealny proces jest procesem izotermicznym, temperatura gazu pozostaje stała T C. Stan 2 sprężony gaz przekazuje ciepło do chłodnicy, minimalna objętość. 2

3 Rys. 4. Stany i przejścia między nimi w cyklu Stirlinga Przejście 2-3 oba tłoki poruszają się jednocześnie w lewo z tą samą prędkością. Objętość gazu pozostaje stała. Gaz przepływa przez regenerator do przestrzeni gorącej pobierając ciepło, rośnie jego temperatura i ciśnienie. Stan 3 gaz gorący, minimalna objętość, maksymalne ciśnienie. Przejście 3-4 gaz w przestrzeni gorącej absorbuje energię ze źródła ciepła rozprężając się izotermicznie (T H = const.) i przesuwając tłok zimny w lewo. Wykonywana jest praca mechaniczna. Stan 4 gaz gorący, maksymalna objętość. Przejście 4-1 oba tłoki poruszają się jednocześnie w prawo. Objętość gazu pozostaje stała. Gaz przepływa przez regenerator do przestrzeni zimnej oddając ciepło, spada jego temperatura i ciśnienie. Rys. 5. Obieg Stirlinga we współrzędnych p-v: 1-2 izotermiczne sprężanie gazu, 2-3 przemiana izochoryczna, 3-4 izotermiczne rozprężanie gazu, 4-1 przemiana izochoryczna, Q 1 ciepło doprowadzone; Q 2 ciepło odprowadzone 3

4 4. Przykłady rozwiązań rozproszonych źródeł energii z silnikami tłokowymi i turbinami gazowymi Spalinowy zespół prądotwórczy, czyli generator prądu przemiennego napędzany silnikiem tłokowym z wewnętrznym spalaniem, znajduje zastosowanie w dwóch przypadkach (pomijając generatory zainstalowane na środkach transportowych lądowych, wodnych i powietrznych): jako podstawowe źródło mocy elektrycznej (generacja rozproszona lub w przypadku konieczności zasilania odbiorników znajdujących się aktualnie z dala od sieci elektrycznej energetyki zawodowej, lub w warunkach uniemożliwiających z innych względów korzystanie z takiej sieci), jako rezerwowe źródło mocy elektrycznej przeznaczone do natychmiastowego uruchomienia (lub nawet tylko przejścia z pracy jałowej w stan obciążenia) i zasilania urządzeń, bądź obiektów wymagających bezwzględnej ciągłości zasilania, a więc w przypadku przerwy w normalnym zasilaniu z sieci elektrycznej. Do podstawowych zalet spalinowych zespołów prądotwórczych umożliwiających tak szerokie ich zastosowania należą: Możliwość szybkiego rozruchu i obciążenia. Możliwość pełnej automatyzacji rozruchu. Stosunkowo małe gabaryty i mały ciężar jednostkowy (kg/kw). Wysoka sprawność nawet przy niewielkich mocach. Bardzo małe zapotrzebowanie wody (ubytki w układzie chłodzenia mogą być uzupełniane nawet z niewielkich zapasów). Zasilanie paliwem płynnym lub gazowym o dużej wartości opałowej, a więc stosunkowo łatwym w transporcie i magazynowaniu (gaz może być w stanie ciekłym). Cechy ujemne zespołów prądotwórczych z silnikami tłokowymi to: Znaczne koszty inwestycji. Hałas podczas pracy. Kosztowne remonty. Tablica 1. Dane techniczne agregatów prądotwórczych firmy SDMO, wykorzystujących silniki Perkins'a Jednostka PS PS S Moc kv A Napięcie V 400/ /230 Częstotliwość Hz Silnik - dane ogólne Prędkość obrotowa 1/min Masa netto kg Masa brutto kg Silnik - bilans mocy Moc silnika kw Ciepło promieniowania kw Ciepło odbierane przez czynnik chłodniczy kw Ciepło tracone w spalinach kw Silnik - układ paliwowy Zużycie paliwa (100% obciążenia) l/h Maksymalny wydatek pompy paliwowej l/h Rys. 6. Widok agregatu prądotwórczego PS 1250 firmy SDMO Maksymalne ciśnienie ssania m 2 2 Wydatek powietrza zasysanego l/s Silnik - układ wydechowy Wydatek spalin l/s Temperatura spalin C Silnik - układ chłodzenia Pojemność układu chłodniczego silnika l Zakres pracy termostatu C Maksymalna temperatura chłodziwa C Wydatek cieczy chłodzącej l/s 15,7 15,7 Widok i przekrój turbiny gazowej Taurus 60 (moc elektryczna 5,4 MW) Pojemność chłodnicy l

5 Tablica 2. Turbiny gazowe firmy Mitsubishi Typ turbiny MF-111A MF-111B Paliwo Gaz ziemny Olej opałowy Gaz ziemny Olej opałowy Moc generatora, kw Jednostkowe zużycie ciepła, kcal/(kw h) Strumień spalin, kg/s 48,5 48,53 56,36 56,42 Temperatura spalin na wylocie, C Tablica 3. Przykłady mikro-turbin gazowych Producent, model Capstone C30 Capstone C60 Elliott TA 100R Moc generatora, kw Jednostkowe zużycie ciepła, kj/(kw h) Sprawność, % Temperatura spalin na wylocie, C Emisja NO x, ppm <9 <9 <24 Emisja CO 2, ppm <40 <40 <41 Prędkość obrotowa, min Wymiary, m 1,90 0,71 1,34 2,11 0,76 1,96 2,11 0,85 3,05 Masa, kg Poziom hałasu, db Widok instalacji składającej się z mikroturbin firmy Capstone 5