ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(98)/2014 Miłosz Meus 1 KONCEPCJA SYSTEMU DO DIAGNOSTYKI REGENERATORA SILNIKA STIRLINGA Z WYKORZYSTANIEM METODY GRAFÓW WIĄZAŃ 1. Wprowadzenie W ostatnich latach w Europie można zaobserwować rozwój proekologicznej polityki energetycznej. U podłoża takiego stanu rzeczy leży wiele różnorakich przyczyn. Wśród nich wyróżnić można między innymi malejące zasoby energii pierwotnej, realne niebezpieczeństwo przekroczenia bariery ekologicznej wywołane nadmierną emisją gazów cieplarnianych do atmosfery (w tym przede wszystkim CO 2 ), postępującą degradacją wód i gleby, a także niską sprawność systemów przesyłowych energii cieplnej i wymagania wysokiej jakości energii elektrycznej dla przemysłu. W efekcie promuje się stosowanie układów kogeneracyjnych, które w trakcie tego samego procesu technologicznego wytwarzają w skojarzeniu energię elektryczną i cieplną. Jednakże obecnie, układy te wykorzystują przede wszystkim silniki spalinowe, które przyczyniają się do pogłębiania skażenia środowiska poprzez emisję szkodliwych substancji zawartych w spalinach. Dlatego też, ze względu na aspekty ekologiczne i ekonomiczne, w układach kogeneracyjnych zaczęto wprowadzać silnik Stirlinga. Istotną zaletą silnika Stirlinga w porównaniu z silnikiem spalinowym jest brak wybuchowego procesu spalania przy przetwarzaniu ciepła na energię mechaniczną. Silnik Stirlinga można uznać za silnik przyszłości z dwóch powodów. Po pierwsze do silnika Stirlinga ciepło doprowadzane jest z zewnątrz, co pozwala na zasilanie go energią pierwotną praktycznie z dowolnego źródła. Po drugie szeroko rozumiany problem szkodliwości produktów spalania w przypadku silnika Stirlinga może być znacząco zmniejszony, gdyż można zastosować spalanie ciągłe, nieprzerywane, w łatwo kontrolowanych warunkach [1]. W związku z tym silnik Stirlinga doskonale nadaje się do napędzania generatorów w układach kogeneracyjnych, a dzięki zewnętrznemu spalaniu ułatwiona jest kontrola procesu spalania, co z kolei powoduje, że cały ten proces jest znacznie czystszy i wydajniejszy. Najważniejszym elementem silnika Stirlinga jest regenerator, gdyż ma decydujący wpływ na osiągnięcie dużej sprawności silnika [1]. Ponadto poprawne działanie regeneratora ma duże znaczenie dla realizacji zadań wykonywanych przez inne podzespoły. W związku z tym warto jest zadbać o ten element, zarówno poprzez optymalną konstrukcję, jak i odpowiedni system diagnostyki technicznej. W dalszej części jest przedstawiona koncepcja systemu do diagnostyki regeneratora silnika Stirlinga z wykorzystaniem metody Grafów Wiązań (GW). 2. Silnik Stirlinga Silnika Stirlinga składa się z dwóch tłoków (zimnego i ciepłego), regeneracyjnego wymiennika ciepła, a także wymienników ciepła pomiędzy czynnikiem roboczym, 1 Mgr inż. Miłosz Meus, asystent Katedry Mechatroniki i Edukacji Techniczno-Informatycznej Uniwersytetu Warmińsko-Mazurski w Olsztynie 165
a zewnętrznymi źródłami. Czynnikiem roboczym w tych silnikach może być hel, wodór lub też powietrze. Cykl pracy silnika Stirlinga sprowadza się do czterech następujących faz: chłodzenia, sprężania, ogrzewania i 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. Ideę działania silnika Stirlinga przedstawia rysunek 1. Rys. 1. Zasada działania silnika Stirlinga (H nagrzewnica; R regenerator, K chłodnica) [2] Ważnym elementem silnika Stirlinga jest regenerator, który przejmuje ciepło od czynnika roboczego w czasie jego przepływu z przestrzeni ogrzewanej do chłodzonej. Właśnie dzięki możliwości akumulowania i odzyskiwania energii cieplnej w czasie cyklu roboczego, można w silniku Stirlinga osiągnąć dużą sprawność [3]. 2.1. Regenerator Regenerator w silniku Stirlinga jest specjalnym, bezprzeponowym wymiennikiem ciepła, w którym w strumieniu przepływającego płynu są umieszczone elementy akumulujące energię cieplną [4]. Regenerator pracuje w sposób cykliczny i obejmujący dwa okresy. W pierwszym okresie temperatura gazu, który przepływa przez regenerator, jest wyższa niż temperatura wypełnienia akumulacyjnego. Ciepło, od przepływającego gazu, jest przekazywane do wypełnienia akumulacyjnego. Natomiast w drugim okresie przez regenerator przepływa gaz o temperaturze niższej niż temperatura wypełnienia. Wtedy energia zakumulowana w wypełnieniu jest przekazywana do przepływającego gazu. Dzięki takiemu działaniu regenerator w istotny sposób zwiększa energetyczną efektywność silnika. Z kolei zwiększenie efektywności silnika oznacza oszczędności w zużyciu energii, która jest konieczna do napędu silnika. Z tego właśnie względu regenerator energii cieplnej gazu roboczego w silniku Stirlinga nazywany jest ekonomizatorem, ponieważ ma bezpośredni wpływ na współczynnik efektywności ekonomicznej silnika [1]. W konstrukcji regeneratora bardzo ważne jest osiągnięcie małego oporu przepływu gazu oraz szybkiej wymiany ciepła. Można to uzyskać 166
dobierając, w zależności od rodzaju gazu roboczego, odpowiednio porowaty wkład regeneratora. Regenerator, jak już wspomniano, ma decydujący wpływ na osiągnięcie dużej sprawności silnika, co potwierdza wzór na sprawność cieplną obiegu porównawczego Rallisa przy założeniu, iż sprężanie i rozprężanie odbywa się izotermicznie dla obiegu z częściową regeneracją oddawanego ciepła [1]: t 1 q q dop odp q ( q ch grz (1 r r q ) ch ) (1) Jak wynika ze wzoru (1) sprawność regeneratora jest współczynnikiem istotnym szczególnie przy wyznaczaniu ciepła traconego w regeneratorze wg zależności q 1 ), a także przy wyznaczaniu ciepła doprowadzonego do regeneratora w celu ch ( r pokrycia w nim strat ciepła wg zależności q q ). ( grz r ch Nieefektywność regeneratora nakłada dodatkowe obciążenie termiczne na nagrzewnicę i chłodnicę straty regeneratora [1]. 3. Metoda Grafów Wiązań Technika modelowania układów fizycznych oparta na Grafach Wiązań (GW) i Równaniach Stanu (RS) jest metodą, której podstawy zostały określone w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Ideą przewodnią tej metody było stworzenie jednolitego sposobu modelowania procesów energetycznych o różnej naturze fizycznej. Metoda GW posiada sporo zalet, do których zalicza się między innymi: jednakowe podejście do modelowania elementów systemu o różnej naturze fizycznej, możliwość modelowania procesów chemicznych i ekonomicznych, łatwość rozwijania lub upraszczania modelu, możliwość budowy modelu z gotowych powtarzalnych elementów, praktyczna eliminacja błędów w układaniu równań stanu, między innymi dzięki analizie przyczynowości, będącej ważnym elementem tej metody. Metoda GW może być stosowana do badań symulacyjnych dynamiki złożonych obiektów energetycznych. Ważnym zastosowaniem modeli matematycznych w postaci równań stanu jest ich użycie w numerycznych metodach optymalizacji dynamicznej. 2.1. Model regeneratora W przypadku wymiany ciepła, jako grafy reprezentujące elementy akumulujące energię i elementy rozpraszające (dyssypacyjne) należy stosować grafy o pojedynczym węźle, gdyż to jest zgodne z elementarną teorią grafów wiązań [4]. Profesor Cichy uważa również, że w modelach wymiany ciepła należy zrezygnować ze stosowania analizy przyczynowości, gdyż: w problemach wymiany ciepła istnieje tylko jeden sposób akumulacji energii, co wynika z pierwszej zasady termodynamiki, a więc nie może być konfliktu związanego z przyczynowością całkową i różniczkową, elementy reprezentujące źródła energii w modelach cieplnych mogą mieć oba parametry energetyczne w postaci niezależnych funkcji czasu, co wyklucza określenie rodzaju przyczynowości źródła, a więc uniemożliwia przeprowadzenie analizy przyczynowości. 167
Przy tworzeniu modelu regeneratora należy podzielić go na N segmentów. Każdy z segmentów składa się z dwóch symetrycznie umieszczonych kanałów oraz z płyty, która stanowi wypełnienie. Rys. 2. Schemat połowy segmentu regeneratora do budowy modelu GW i oznaczenia temperatur [4] Ponieważ segment jest symetryczny, to możliwe jest rozpatrywanie tylko i wyłącznie jego połowy. Natomiast oś symetrii można traktować, jako idealną przegrodę izolacyjną (Rys. 2). Tak utworzony schemat jest idealny do budowy modelu GW, a także oznaczenia temperatur. Przy tworzeniu tego modelu istotne jest założenie stałej temperatury w elemencie akumulacyjnym. W modelu można wyodrębnić dwa niezależne akumulatory energii oraz jedno źródło energii. W oparciu o te założenia na rysunku 3 przedstawiono model GW dla połowy segmentu regeneratora. Rys. 3. Model GW połowy segmentu regeneratora [4] Na podstawie rysunku 3 można określić strumienie energii. Bilans energetyczny dla tego modelu można zapisać w następującej postaci: E E E E (2) ap SM p aw gdzie: E energia akumulowana w płynie, ap E SM energia doprowadzona ze źródła, E energia odprowadzona z płynem, p E aw energia akumulowana w wypełnieniu. 168
Po rozpisaniu równania i odpowiednich przekształceniach można zapisać równania stanu w postaci: X f1( X, U ) (3) Y f ( X, U ) 2 Aby bardziej rozbudować stworzony model należy uwzględnić zmiany gęstości gazu w każdym i-ty segmencie. W tym celu należy w każdy i-ty segment powiązać z gęstością, która odpowiada parametrom gazu, tj. temperatura i ciśnienie, na wyjściu z poprzedzającego go segmentu ( i 1 ). Natomiast każdy i-ty segment można podzielić na M elementów. W każdym elemencie przyjmuje się, że płyn jest nieściśliwy. Liczba zmiennych stanu wynosi 2 N M przy założeniu, że gradient temperatury w kierunku prostopadłym do przepływu jest równy 0 [4]. Ponadto, aby zwiększyć dokładność odwzorowania, to połowę wypełnienia można podzielić na k części. Przy takich założeniach liczba zmiennych stanu wyniesie M N (1+k) części [4]. Przy takich założeniach liczba zmiennych stanu wyniesie M N (1+k). Dla tak określonych założeń schemat podziału regeneratora przedstawia rysunek 4. i, j-1 i, j i, j+1 Przepływ gazu 1 Wypełnienie stałe oś symetrii wypełnienia 2 k 2 1 Przepływ gazu Rys. 4. Schemat podziału regeneratora [4] 4. Koncepcja systemu diagnostycznego Jednym z podstawowych zadań diagnostyki technicznej jest określenie stanu maszyny. Obecnie maszyny, a także urządzenia są układami, które składają się z wielu podzespołów [5]. Bardzo często poprawne działanie jednego z podzespołów ma kluczowe znaczenie dla działania całego urządzenia. Dlatego też znajomość stanu maszyny pozwala na podjęcie wszelkich niezbędnych działań, które mają na celu poprawę bezpieczeństwa eksploatacji, a także zmniejszenie kosztów użytkowania maszyny oraz kosztów remontowych [6]. Aby móc te cele osiągnąć bardzo ważne jest stałe nadzorowanie działania maszyny i ostrzeganie użytkownika o nieprawidłowościach w jej działaniu. Wykonywanie tego typu działań ma szczególne znaczenie w przypadku maszyn o ruchu ciągłym. Silnik Stirlinga jest maszyną, która pracuje w trybie ciągłym w ustalonych warunkach. Jak już wspomniano wcześniej najważniejszym elementem silnika Stirlinga jest regenerator, gdyż ma decydujący wpływ na osiągnięcie dużej sprawności silnika 169
(wzór 1). Aby usprawnić proces regeneracji i zapewnić większe bezpieczeństwo pracy proponuje się zastosować na regeneratorze, system diagnostyczny. Stan regeneratora zależy od wielu czynników, do których zaliczyć można zarówno czynniki eksploatacyjne, jak i również związane z otoczeniem. Wszystkie te czynniki są źródłem informacji, na podstawie których możliwa jest analiza i określenie aktualnego stanu regeneratora. System diagnostyczny dla regeneratora (Rys. 5) powinien składać się z trzech podstawowych układów, do których zaliczyć można: układ akwizycji sygnałów, układ przetwarzania i analizy sygnałów, układ wizualizacji. Układ akwizycji sygnałów Układ przetwarzania i analizy sygnałów Układ wizualizacji UAR Model GW Regenerator Układ termowizyjny Tłok gorący Silnik Stirlinga Rys. 5. Schemat koncepcyjny systemu diagnostycznego oceny stanu technicznego regeneratora. Tłok zimny Zadaniem pierwszego układu jest akwizycja sygnałów z rzeczywistego obiektu technicznego (regeneratora), a także przygotowanie danych w odpowiedniej postaci. Sygnały zbierane przez ten układ pochodzą z różnego rodzaju czujników (temperatury, ciśnienia), przepływomierzy, a także z danych uzyskanych przez układ termowizyjny (straty ciepła). Wszystkie te dane następnie poddawane są analizie przez układ przetwarzania i analizy sygnałów, który jest sprzężony z układem do modelowania z wykorzystaniem Grafów Wiązań. Ostatnim układem jest układ wizualizacji wyników, który będzie miał możliwość sygnalizacji stanu awaryjnego, czyli takiego stanu kiedy wypełnienie akumulacyjne regeneratora należy wymienić, aby utrzymać sprawność silnika na właściwym poziomie nie ponosić większych strat 5. Podsumowanie Wstępnie system ten będzie miał charakter typowo badawczy, którego celem będzie opracowanie kompletnego modelu pracy (zachowania) regeneratora. Dzięki temu będzie możliwe pomierzenie parametrów pracy regeneratora, wyjaśnienie od czego zależy zachowanie rzeczywistego układu oraz w jaki sposób opracowany model odwzorowuje rzeczywistość. W efekcie będzie można dokonać doboru optymalnej konstrukcji regeneratora, odpowiedniego materiału i struktury wypełniania akumulacyjnego. Na etapie koncepcji należy zastanowić się nad wstępnym rozwiązaniem wielu problemów, 170
jakie się pojawiają. Jednym z takich problemów jest kwestia próbkowania sygnałów, a konkretniej określenie, ile danych jest potrzebnych do wykonania analiz, a także kiedy te dane należy pobierać. Celowym wydaje się uzależnienie pobierania sygnałów od częstotliwości pracy silnika Stirlinga. Proponuje się umieścić czujniki pomiarowe przed wlotem gazu do regeneratora, a także na jego wylocie. Celem takiego działania jest jak najmniejsza ingerencja w sam regenerator. Ponadto należy uwzględnić problem bezwładności czujników pomiarowych i wpływ tego zjawiska na wykonywane pomiary. Układ akwizycji sygnałów musi być tak dobrany, aby jego dynamika była większa niż dynamika pracy samego silnika Stirlinga. Zastosowanie kamery termowizyjnej z systemem detekcji obrazu pozwoli dokonać oceny rozkładu temperatury w całym regeneratorze, a także pozwoli na przesłanie niezbędnych danych o stratach ciepła na regeneratorze. Ostatecznie konieczne będzie przeanalizowanie celowości budowy układu automatycznej regulacji z algorytmem sterowania parametrami silnika, aby utrzymywać optymalną sprawność silnika Stirlinga. Wykorzystanie metody Grafów Wiązań pozwoli zweryfikować koncepcję modelu pracy regeneratora i ograniczy możliwość popełnienia błędów obliczeniowych. Literatura: [1] 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, [2] Strona internetowa Animated Engines {Dostępny - 01.02.2013r.: http://www.animatedengines.com/index.html}, [3] Żmudzki S.: Silniki Stirlinga, Warszawa, WNT 1993, [4] Cichy M.: Modelowanie systemów energetycznych, Gdańsk 2001, WPG, [5] Żółtowski B.: Podstawy diagnostyki maszyn, Bydgoszcz 1996, WATR, [6] Cholewa A., Psiuk K.: Diagnostyczne systemy monitorowania stanu maszyn, PM, Warszawa 2005, s. 48-53. Streszczenie W kontekście ekologii i ekonomii, silnik Stirlinga w porównaniu z silnikiem spalinowym posiada znacznie więcej zalet. Zaliczyć do nich można brak wybuchowego procesu spalania, możliwość zasilania go energią pierwotną praktycznie z dowolnego źródła, zmniejszony problem szkodliwości produktów spalania. Z tych właśnie względów, jako główny element układu kogeneracyjnego zaczęto wprowadzać silnik Stirlinga. Sprawność silnika Stirlinga zależy głównie od regeneratora. Dlatego też warto jest zadbać o ten element, zarówno poprzez optymalną konstrukcję, jak i odpowiedni system diagnostyczny, który umożliwi utrzymanie sprawności na wysokim poziomie. W związku z tym w artykule została przedstawiona koncepcja systemu do diagnostyki regeneratora silnika Stirlinga z wykorzystaniem metody Grafów Wiązań (GW). Słowa kluczowe: diagnostyka, metoda Grafów Wiązań, regenerator, silnik Stirlinga. 171
THE CONCEPTION OF THE SYSTEM TO DIAGNOSIS THE STIRLING ENGINE REGENERATOR BY TAKING ADVANTAGE OF THE BOND GRAPH METHOD Abstract In the context of the ecology and economy, the Stirling engine compared to the internal combustion engine has much more advantages. These advantages include lack of explosive combustion process, the ability to power Stirling engine by the primary energy virtually from any source, reduced the problem of harmful combustion products. For these reasons, the Stirling engine began to be introduced, as the main element of the cogeneration system. The efficiency of the Stirling engine depends mainly on the regenerator. In this connection, it is worthwhile to take care about this element, through both optimally placed design and the appropriate diagnostic system, which will make it possible to maintain a high level of efficiency. Therefore, in this article was presented the conception of the system to diagnosis the Stirling engine regenerator by taking advantage of the Bond Graph method. Keywords: diagnostics, Bond Graph method, regenerator, Stirling engine. 172