Котельный агрегат с когенерационной установкой на базе свободнопоршневого двигателя и синхронного линейного генератора
Практически все современные котлы являются энергозависимыми, при этом при отключении электроэнергии система отключается. В связи с этим необходимо создание автономной системы энергообеспечения для котлов. Одним из удобных способов получения электрический энергии из тепловой является линейный двигатель Стирлинга. Попытки создания агрегатов с когенерационной установкой предпринимались многими компаниями, в том числе Siemens, Протерм Vissmann, Buderus, Vaillant, Junkers, и др. В этой работе предлагается решение с линейным двигателем Стирлинга с линейным генератором переменного тока.
Актуальность данного исследования вызвана возрастающей необходимостью экономии энергоресурсов. Целью исследования является анализ работы двигателя Стирлинга и возможность его встраивания в котельный агрегат.
Задачи исследования:
1) Обзор производителей и производимых ими устройств.
2) Выявление недостатков этих установок.
3) Конструктивное решение котла с когенерационной установкой.
4) Описание принципа работы агрегата.
5) Перспективы использования.
Недостатками когенерационных установок являются завышенный шум и - большие габариты. В предлагаемой нами установке эти недостатки устранены (рисунок 1). Для снижения габаритов мы предлагаем использовать линейный генератор [2], а для снижения шумности и в качестве силового агрегата- свободнопоршневой двигатель Стирлинга.
Свободнопоршневой двигатель Стирлинга включает в себя три основные элемента: корпуса 1, рабочего поршня 2, вытеснительного поршня 3. Вытеснительный 3 и рабочий 2 поршни располагаются в цилиндре 1, разделяя его объём на 3 области - буферная область, полость сжатия и полость расширения.
Свободнопоршневой двигатель Стирлинга работает по такому же принципу как и двигатель Стирлинга с приводным механизмом.
Рисунок 1 Схема свободнопоршневого давления начинает движение рабочий двигателя Стирлинга.
Под действием давления газа на рабочих полостях происходит перемещение поршней, а движение в обратном направлении происходит благодаря силам упругости механической пружины.
При включении нагревателя происходит повышение температуры и давления газа в полости расширения. Вследствие этого начинается движение вытеснителя, а затем перетекание рабочего тела из холодной полости в горячую.
Под действием разницы давлений газа в рабочих полостях, вытеснитель продолжает движение, переталкивая рабочее тело в горячую полость. Вследствие того, что вытеснительный поршень намного легче рабочего поршня, он первым начинает движение в обратную сторону. Рабочее тело начинает перетекать из горячей полости в холодную, его давление падает и уменьшается по отношению к силе, проявляемой механической пружиной, это вызывает перемещение рабочего поршня в обратном направлении. Газ при этом начинает перетекать из холодной полости в горячую и цикл повторяется.
Рисунок 2 Модернизированный котёл на базе RS-A-100: 1- газовый клапан HONEYWELL; 2- блок управления двигателем Стирлинга и котлом; 3- выход дымовых газов; 4- выход воды; 5 -вход воды.
Шток двигателя Стирлинга соединен со штоком линейного генератора рассчитанным на мощность 2,5 кВт. Общий вид котла изображен на рисунке 2. Он включает в себя корпус с топкой, экранирующие панели, газоход, и водотрубный теплообменник, выполненный из труб в виде змеевика, соединенный отводами. Стенки корпуса котла расположены с зазором относительно панелей. Трубы теплообменника расположены в двух параллельных рядах по высоте, в шахматном порядке в топке над горелками.
Отводы теплообменника выведены за пределы топки и расположены между экранирующими панелями, передней и задней стенками котла. В нижней, расположенной под горелками, экранирующей панели выполнены отверстия для подвода снизу атмосферного воздуха к горелкам. В верхней части котла располагается двигатель Стирлинга с линейным генератором.
Такая конструкция должна позволить получать одновременно тепловую и электрическую энергию в зимний период. При этом максимально выдаваемая электрическая мощность составит 2,5 кВт. В заключение следует отметить, что доля автономных систем энергообеспечения из года в год возрастает в среднем на 5% [2]/