Петрозаводск, Россия
В данной статье рассматривается проблема энергетического обеспечения лесозаготовительных пред-приятий. Обозначены соответствующие сложности: удаленность энергетических коммуникаций, высокая стои-мость работ по подключению к магистральным энергосетям при их наличии вблизи лесосеки. Большинство удаленных лесосечных снабжается электроэнергией посредством дизельных электростанций. Это влечет за собой рад проблем: высокая стоимость 1кВт∙час, затраты на доставку запасов топлива. В связи с этим, рассматриваетсявозможность применения двигателя Стирлинга для решения ряда задач в лесной отрасли. В первую очередь – энергетических (электрогенератор на базе двигателя Стирлинга), позволяющих более эффективно использовать имеющееся на лесосеках и деревоперерабатывающих предприятиях биотопливо. Рассмотрены возможные схемы применения двигателя Стирлинга. Когенерация – утилизация вторичного тепла от котлов отопления, системы охлаждения двигателей и отработанных газов сушильных камер. Прямая генерация – работа двигателя Стирлинга на различных видах биотоплива. Определен диапазон требуемых мощностей электростанции на базе двигателя Стирлинга для эксплуатации в условиях лесозаготовительных предприятий. Проанализированы основные кинематические схемы двигателя Стирлинга: α-тип; β-тип и γ-тип.Определен наиболее подходящий вариант для эксплуатации в условиях лесозаготовительных предприятий – α-тип.В качестве рабочего тела выбран воздух. Проанализированы основные сложности при разработке и проектировании двигателей Стирлинга. Отсутствие разработанной методики расчета и экспериментального опыта показало необходимость комплексного анализа конструктивных параметров и процессов тепломассопереноса для разработки двигателя наилучших характеристик. Определены задачи дальнейших исследований: комплексное многопараметрическое численное моделирование работы двигателей Стирлинга различных диапазонов мощностей и определение оптимальных конструктивных параметров для успешного внедрения в лесопромышленную отрасль электростанций на базе двигателя Стирлинга.
лесная промышленность, утилизация отходов, биотопливо, двигатель Стирлинга.
Введение. В настоящее время,заготовка древесины связана с освоением площадей, все более удаленных от основных объектов инфраструктуры. В связи с этим, в себестоимости заготовки растет транспортная составляющая [10]. Эта часть себестоимости связана не только с транспортировкой непосредственно леса. Значительная часть логистических затрат расходуется на доставку дизельного топлива, в том числе, для электрогенераторных установок, обеспечивающих жизнедеятельность отдаленных лесных участков [8]. Дизель-генератор часто является единственным доступным источником электрической энергии на лесозаготовительных объектах. Более того, в различных регионах России, особенно в арктической и субарктической зонах, существуют целые населенные пункты, единственным источником электроэнергии для которых является дизельная электростанция (ДЭС). Например, только в Иркутской области около 100 населенных пунктов снабжаются электроэнергией 6 часов в сутки от ДЭС. Стоимость такой электроэнергии в 13,5 раз выше, чем стоимость сетевой электроэнергии [9].
Подключение к сетевой энергосистеме лесозаготовительных предприятий не является решением вопроса, даже при относительной близости линий электропередач. Это связано с высокой стоимостью подключения (согласование и проектные работы) и мобильным характером инфраструктуры лесозаготовок. Поэтому, на сегодняшний день, ДЭС применяются повсеместно. Подобная схема электроснабжения имеет следующие недостатки: неэкологичность, шумность, необходимость транспортировки и правильного хранения запасов топлива, высокуюстоимость 1 кВт·час электроэнергии (для получения 1 кВт∙час сжигается 0,2 л. дизельного топлива [7]).
Одним из путей решения данной проблемы является разработка и внедрение линейки генераторов различной мощности на базе двигателя Стирлинга. Двигатели Стирлинга известны с начала 19 века [15], их разработка и совершенствование основывались на базовых принципах термодинамики и огромном объеме экспериментальных исследований, которые выполнялись фирмами «Филипс», «Форм моторс», «Юнайтед Стирлинг» и «МАН» [14]. Наиболее совершенными моделями были двигатели GPU-3 иP-40 фирм «Филипс» и «Юнайтед Стирлинг». Однако, данные двигатели не смогли выдержать темпы развития, обладающих отлично разработанной теоретической базой двигателей внутреннего сгорания. На сегодняшний момент, КПД двигателей Стирлинга ниже, чем КПД дизельных двигателей той же мощности. В тоже время, в разрезе рассматриваемой проблемы, следует учитывать, что топливом для двигателя Стирлинга моет служить древесная биомасса, в избытке имеющееся на каждой лесосеке [12]. Технологические возможности и схемы заготовки с дальнейшим сжиганием щепы для привода двигателей внешнего сгорания рассмотрены в ряде публикаций Анисимова и Онучина [5]. Данные работы ограничиваются теоретическими выкладками, обосновывающими целесообразность использования двигателе Стирлинга, и не имеют реального воплощения.
Данный вид топлива отлично подойдет в качестве источника энергии для электростанции на базе двигателя Стирлинга (СЭС).
По нашему мнению, внедрение СЭС на лесозаготовительных предприятиях позволит повысить экономическую и экологическую эффективность отрасли. В сравнении с ДЭС, СЭС будут иметь следующие достоинства: экологичность, низкая шумность, отсутствие необходимости доставки дорогостоящего топлива.
В настоящее время на рынке не представлены СЭС, или серийные двигатели, удовлетворяющие условиям эксплуатации лесозаготовительных предприятий. Серийное производство промышленных двигателей Стирлинга пока не освоено ни в одной стране мира. Хотя они серийно производились в XIX веке, до повсеместного внедрения ДВС [16].Существуют экспериментальные образцы, а также двигатели для специфических нужд. Например, силовая установка для подводных лодок [2]. Двигатели Стирлинга специального назначения производятся серийно для военно-промышленного комплекса и космической отрасли. Для разработки не применимы в других отраслях в виду дороговизны и специфических условий работы.
Практически все опубликованные работы по двигателям Стирлинга носят исключительно теоретический характер и в очень редких случаях дело доходит до действующего лабораторного образца.
Что касается лесопромышленного комплекса, то все работы в данном направлении сходятся на том, что внедрение энергетических установок на базе двигателей Стирлинга, работающих на биотопливе – актуальное направление прикладных исследований. Но, к сожалению, на сегодняшний момент никаких практических наработок в данном направлении нет.
В связи с этим, необходима разработка СЭС работающего на древесном биотопливе практически с нуля. Для этого потребуются значительные ресурсы, и перед тем как начинать работу необходимо оценить потенциал данной идеи, возможность более широкого использования СЭС на всех стадиях лесозаготовительной и деревоперерабатывающей отрасли. Для оценки сравнительной эффективности СЭС нужно определиться с рядом вопросов: принципиальная схема установки, тип двигателя Стирлинга, диапазон рабочих мощностей, рабочее тело, приемлемым КПД.
Методы и материалы.Наиболее эффективной схемой применения СЭС установки является когенерация [6]. Когда тепловая энергия от основного двигателя, или другого источника вторичного тепла, используется как дополнительный источник нагрева рабочего тела в двигателе Стирлинга. В условиях лесозаготовительных предприятий таким источником могут быть: котлы системы отопления, отработанные газы сушильных агрегатов и непосредственно ДЭС. Основным же источником тепла будет являться твердое биотопливо, имеющееся в доступе в достаточных количествах: опилки, щепа, торф, кора и др. отходы лесозаготовки. В определенных случаях возможен вариант чистой когенерации (например, предприятия деревообработки). Средние температуры данных источников тепла приведем в таблице 1[3,1,11]. Исходя из вышесказанного, сформируем перечень возможных схем применения СЭС в условиях лесозаготовительных предприятий:
Когенерационные схемы:
- ДЭС – СЭС;
- котел отопительный – СЭС;
- газы сушильных камер – СЭС.
Схемы прямой генерации (по видам источника тепла):
- отходы лесозаготовки;
- щепа;
- кора;
- опилки.
Далее, определим требуемый диапазон мощностей для обеспечения производственной площадки лесозаготовительного предприятия. Для оценки будем опираться на зимний период. Основные группы потребителей следующие: жилые помещения (бытовки), освещение площадки, строения инженерного обеспечения. Ориентировочные потребляемые мощности и количество указаны в таблице 2.
Далее, необходимо определиться с типом двигателя Стирлинга. На сегодняшний момент существуют 3 основные схемы двигателя Стирлинга [15]: α-тип; β-тип; γ-тип.
Также, есть множество различных схем двигателей Стирлинга комбинирующих базовые типы и применяющих другие принципы (например, гибридные схемы [13]).Схемы двигателей представлены на рисунке 1.
Принцип действия Стирлинга любого типа одинаков и подробно изложен в литературе [9]. Критерии сравнительного анализа данных схем можно представить следующие: возможность полной балансировки, удельная мощность, конструктивная сложность, реально достижимый КПД [17]. Результаты анализа представлены в таблице 3.
Таблица 1
Средние температуры горения источников тепла
|
№ |
Тип источника |
Температура, С° |
Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|
Основные источники тепла |
|
||
|
1 |
Опилки нормальной влажности (сосна, береза) |
400 |
8,37 |
|
2 |
Щепа |
450 |
10,93 |
|
3 |
Кора |
450 |
5,69 |
|
4 |
Отходы лесозаготовки |
350 |
8,12 |
|
Вторичные источники тепла |
|
||
|
6 |
Отработанные газы сушильных камер |
70 |
- |
|
7 |
Котлы системы отопления |
800 |
- |
|
8 |
Система охлаждения ДЭС |
130 |
- |
Таблица 2
Объекты энергопотребления лесозаготовительного предприятия
|
|
Группа потребителей |
Количество |
Потребляемая мощность, кВт |
Суммарная потребляемая мощность, кВт |
||
|
Минимум |
Максимум |
Минимум |
Максимум |
|||
|
1 |
Бытовка 6х2,5 |
4 |
25 |
2 |
8 |
50 |
|
2 |
Прожектор освещения |
2 |
12 |
0,1 |
0,2 |
1,2 |
|
3 |
Инженерный модуль |
1 |
3 |
3 |
||
|
ИТОГО: |
11,2 |
54,2 |
||||
а. б. в.
Рисунок 1 – Основные схемы двигателя Стирлинга
а – α-тип; б – β-тип; в – γ-тип.
Таблица 3
Анализ различных схем двигателя Стирлинга
|
№ |
Тип двигателя |
Полная балансировка |
Удельная мощность |
Конструктивная сложность |
КПД |
|
1 |
α-тип |
нет |
средняя |
низкая |
высокий |
|
2 |
β-тип |
да |
высокая |
высокая |
средний |
|
3 |
γ-тип |
нет |
низкая |
высокая |
низкий |
Рабочее тело, используемое в двигателях Стирлинга, может быть реализовано с применением различных газов: воздух, кислород, гелий, водород [3]. При этом, наиболее эффективным будет применение гелия и водорода [8]. Основную сложность при применении гелия и водорода составляет высокаядиффузия этих газов через металлы и уплотнения. В целом, вопрос герметизации рабочего тела является одной из фундаментальных проблем повышения эффективности двигателей Стирлинга.
Результаты и обсуждение. Оптимальная схемой для реализации СЭС в условиях лесозаготовительных предприятий является схема прямой генерации, адаптированная для использования отходов лесозаготовки.
При эксплуатации СЭС в условиях лесоперерабатывающих предприятиях подойдет когенерационная схема, в которой для привода СЭС используется тепло отопительных котлов, работающих на щепе, коре и опилках. Использование тепла газов сушильных камер не представляется перспективным в виду недостаточно высокой температуры этих газов.
Согласно таблице 2.2, определим требуемый диапазон мощностей СЭС от 12 до 60 кВт.
Исходя из анализа различных схем двигателя Стирлинга, наиболее перспективной для дальнейшей проработки является α-тип. Низкая конструктивная сложность и возможность значительного разнесения горячего и холодного цилиндров позволят получить высокие эксплуатационные показатели в условиях лесозаготовительных предприятий при обеспечении приемлемого ресурса и надежности.
Применение в качестве рабочего тела любых газов, кроме атмосферного воздуха, влечет за собой как фундаментальные проблемы (утечки рабочего тела), так и необходимость доставки запасов газа к месту эксплуатации СЭС, что по затратам может сравниться с доставкой топлива для ДЭС.
Выводы. Двигатель Стирлинга, как привод генератора электростанции,эксплуатирующийся в условиях лесозаготовительных предприятий, является перспективным направлением прикладных исследований. Внедрение СЭС, работающей на отходах лесозаготовки, вместо ДЭС решит несколько вопросов: подвоз топлива, шумовое загрязнение, загрязнения продуктами горения дизельного топлива, а главное, утилизация отходов лесозаготовки. В целом, это позволит снизить издержки лесозаготовительного производства [4].
В процессе разработки данного вопроса нами были определены основные исходные данные для дальнейших исследований по разработке СЭС:
- схема прямой генерации;
- температура источника тепла: 350 С° (отходы лесозаготовки);
- диапазон мощностей: от 12 до 60 кВт;
- тип двигателя Стирлинга: α-тип;
- рабочее тело: воздух;
Для успешного решения поставленной задачи, необходимо разработать методику разработки и проектирования двигателей Стирлинга, адаптированных под соответствующее топливо и обеспечивающих требуемую мощность генератора. Так как при масштабировании двигателей Стирлинга кардинально меняются процессы тепломассопереноса [14], то необходимо исследовать несколько диапазонов мощности для определения оптимальных конструктивных параметров двигателей Стирлинга. Для определения границ данных диапазонов необходимо выполнить последовательную, многопараметрическую оптимизацию конструкции с постепенным повышением мощности. Решение данной задачи сопряжено с огромной сложностью изготовления большого количества экспериментальных образцов. На сегодняшний день, этупроблему можно решить, только применяя методы численного моделирования газодинамики и тепловых процессов с кинематической и динамической параметризацией механической части исследуемых конструкций.
1. Агапов, Д. С. Результаты экспериментального исследования влияния температуры охлаждающей жидкости на экономические и энергетические показатели дизельного двигателя / Технико-технологические проблемы сервиса. - 2016.- № 4.- С. 6-10.
2. Замуков, В. В. Выборвоздухонезависимойэнергоустановкинеатомныхподводныхлодок / В. В. Замуков, Д. В. Сидоренко // Судостроение.- 2012.- № 4.- С. 29-33.
3. Кудрявцева, Л.А. Изучение особенностей горения древесных опилок / Современные проблемы науки и образования. - 2009. -№ 6 (часть 3) - С. 85-90.
4. Михайлова В. С. Сравнительный анализ применения двигателя Стирлинга и дизельного генератора для системы электро- теплоснабжения объектов в Арктических районах России // Молодой ученый. - 2016. - №8. - С. 261-265. - URL https://moluch.ru/archive/112/28503/ (дата обращения: 13.01.2019).
5. Онучин, Е. М. Разработка схемно-конструктивных решений элементов двигателя внешнего сгорания с устройством для приготовления, подачи и сжигания древесного топлива / Е. М. Онучин, П. Н. Анисимов // Труды Поволжского государственного технологического университета. Серия: технологическая. - 2014.- № 2.- С. 190-169.
6. Распутин, А.Л. Использование двигателя Стирлинга для выработки электроэнергии на вторичных тепловых энергоресурсах / А. Л. Распутин, О. А. Степанов // Энерго- и ресурсосбережение в теплоэнергетике и социальной сфере: материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов, ученых.- 2016.- № 1.- С. 239-242.
7. Расход дизельного генератора // http://machineries.ru/ URL: http://machineries.ru/a_19.html (дата обращения: 06.12.2018).
8. Соколов, А. П. Функциональная логистика лесозаготовительного предприятия / А. П. Соколов, Ю. Ю. Герасимов; М-во образования и науки Рос. Федерации, Федер. гос. бюджет. образоват. учреждение высш. проф. образования Петрозав. гос. ун-т. - Петрозаводск: Издательство ПетрГУ, 2013. - 84 с. : ил., табл. ; 24 см. - Библиогр.: с. 71-84 (190 назв.). - ISBN 978-5-8021-2061-3.
9. Суходолов, А.П. Дизельные электростанции иркутской области и проблемы электроснабжения удаленных населенных пунктов / А. П. Суходолов, В. Ф. Федоров, Д. Ю. Хорохонов // Известия Иркутской государственной экономической академии. 2004. № 3. С. 25-27.
10. Сюнёв, В. С. Сравнение технологий лесосечных работ в лесозаготовительных компаниях республики Карелия / В. С. Сюнёв, А. П. Соколов - Йоэнсуу: Изд-во НИИ леса Финляндии, 2008.- 126 с.
11. Цывин, М. М. Использование древесной коры / М. М. Цывин.- Москва: Лесная промышленность, 1973.- 96 с.
12. Энергетическое использование древесной биомассы: заготовка, транспортировка, переработка и сжигание: учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки "Лесное дело", "Технологические машины и оборудование" и "Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств" / М-во образования и науки Рос. Федерации, Федер. гос. бюджет. образоват. учреждение высш. проф. образования Петрозав. гос. ун-т ; [авт.-сост.: В. С. Сюнев [и др.]. - Петрозаводск: Издательство ПетрГУ, 2014. - 123 с. : цв. ил., табл. ; 24 см. - Библиогр.: с. 115-123 (117 назв.). - ISBN 978-5-8021-2233-4.
13. Açıkkalp, E. Solar driven stirling engine - chemical heat pump - absorption refrigerator hybrid system as en-vironmental friendly energy system / E. Açıkkalp, S. Y. Kandemir, M. H. Ahmadi // Journal of Environmental Man-agement, 232, 455-461. doihttps://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.11.055.
14. Ahmed, F. Numerical modeling and optimization of beta-type Stirling engine / F. Ahmed, H. Hulin, A. M. Khan // Applied Thermal Engineering, , 385-400. doihttps://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.12.003.
15. Kuban, L. A 3D-CFD study of a Γ-type stirling engine / L. Kuban, J. Stempka, A. Tyliszczak // Energy, 142-159. doihttps://doi.org/10.1016/j.energy.2018.12.009
16. Mendoza Castellanos, L. S. Experimental analysis and numerical validation of the solar Dish/Stirling system connected to the electric grid. / L. S. Mendoza Castellanos, A. L. Galindo Noguera, G. E. Carrillo Caballero, A. L. De Souza, V. R. Melian Cobas, E. E. Silva Lora, O. J. Venturini // Renewable Energy, 135, 259-265. doihttps://doi.org/10.1016/j.renene.2018.11.095
17. Zare, S. Passivity based-control technique incorporating genetic algorithm for design of a free piston stirling engine / S. Zare, A. R. Tavakolpour-Saleh, T. Binazadeh // Renewable Energy Focus, 28, 66-77. doihttps://doi.org/10.1016/j.ref.2018.11.003.
