XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Возможность применения двигателя внешнего сгорания (двигателя Стирлинга) в нефтегазовой отрасли
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
аннотация
Обострение глобальных проблем, требующих срочного решения (истощение природных ресурсов, загрязнение окружающей среды и т. д.), привело в конце XX века к необходимости принятия ряда международных и российских законодательных актов в области экологии, природопользования и энергосбережения. Основные требования этих законов направлены на сокращение выбросов СО2, энергосбережение.
Проблемы загрязнения окружающей среды выдвинули ряд задач:
поиск новых технологий энергопреобразования; разработка новой техники на основе высокоэффективных термодинамических циклов; использование новых видов топлива, новых рабочих тел; создание таких экологически чистых энергосистем, которые бы обеспечивали удовлетворение нужд промышленности и населения при минимальных затратах материальных ресурсов.
-
введение
Одним из перспективных путей решения этих задач является разработка и широкое внедрение энергопреобразующих систем на основе двигателей (машин) Стирлинга. Принцип работы таких двигателей был предложен в 1816 году шотландцем Робертом Стирлингом. Это машины, работающие по замкнутому термодинамическому циклу, в котором циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема.
Двигатель Стирлинга является уникальной тепловой машиной, поскольку его теоретическая мощность равна максимальной мощности тепловых машин (цикла Карно). Он работает за счет теплового расширения газа, за которым следует сжатие газа при его охлаждении. Двигатель содержит некоторый постоянный объем рабочего газа, который перемещается между «холодной» частью (обычно имеющей температуру окружающей среды) и «горячей» частью, которая нагревается за счет сжигания различного топлива или за счет других источников теплоты. Нагрев производится снаружи, поэтому двигатель Стирлинга относят к двигателям внешнего сгорания.
-
основная часть
Конструктивно, двигатель Стирлинга представляют собой удачное сочетание в одном агрегате компрессора, детандера и теплообменных устройств: теплообменника нагрузки (нагревателя или конденсатора), регенератора и холодильника. В качестве рабочего тела используется, как правило, гелий, а также азот и воздух.
Двигатель характеризуется:
1. отсутствием клапанного механизма;
2. свободным от масла рабочим пространством;
3. высокими значениями среднего давления газа;
4. передачей тепла через стенки цилиндра или теплообменник.
Рис. 1. Схема двигателя Стирлинга
К преимуществам машин Стирлинга следует отнести ряд принципиальных свойств, присущих только этим машинам и создающих реальные предпосылки для их широкого использования практически во всех областях промышленности и техники, основными из которых являются:
* высокая степень экологической чистоты как самих рабочих тел машин Стирлинга, так и отработанных сред, возникающих при их эксплуатации;
* широкая универсальность самого термодинамического цикла, позволяющего при различном конструктивном исполнении создавать как преобразователи прямого цикла (двигатели), так и обратного цикла (холодильные и криогенные машины);
* наивысшая энергетическая эффективность (теоретический к.п.д. цикла идеальной машины Стирлинга равен к.п.д. цикла Карно);
* многотопливность двигателей - возможность применения в качестве источников теплоты не только сгорание традиционных энергоносителей (нефтепродукты, природный газ и т.д.), но и солнечной радиации, биогаза, древесины, торфа, угля и т.д.
СРАВНЕНИЕ с ДВИГАТЕЛЕМ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ДВС)
Преимущества двигателя Стирлинга перед дизельным генератором можно распределить по категориям, освещая основные моменты.
Конструкция, обслуживание и ремонт. Конструкция дизельного генератора сложная. Работы по техническому обслуживанию следует проводить квалифицированному персоналу с соответствующим оборудованием практически регулярно. ДС отличается тем, что не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Отсутствие многих склонных к износу узлов позволяет обеспечить небывалый для других двигателей запас работоспособности.
Экономичность. Для утилизации некоторых видов теплоты, особенно при небольшой разнице температур, ДС часто оказывается самым эффективным видом двигателя.
Экологичность. ДС не имеет выброса рабочего тела, а значит уровень его шума гораздо меньше, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания. Сам по себе ДС не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело.
Источник теплоты. Дизельный генератор работает на дизельном топливе, которое мало того, что является неэкологичным, сопутствует выбросу в атмосферу вредных веществ. ДС может работать от почти любого источника теплоты: например, между разными слоями воды в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя.
Но у двигателя Стирлинга, работающего по замкнутому циклу, имеются как свои преимущества, так и существенные недостатки.
Преимущества:
КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70% КПД от цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. Кроме того, крутящий момент двигателя почти не зависит от скорости вращения коленвала. В двигателях внутреннего сгорания напротив максимальный крутящий момент достигается в узком диапазоне частот вращения.
В конструкции двигателя отсутствует система высоковольтного зажигания, клапанная система и, соответственно, распредвал. Грамотно спроектированный и технологично изготовленный двигатель Стирлинга не требует регулировки и настройки в процессе всего срока эксплуатации.
В ДВС сгорание топливо-воздушной смеси в цилиндре двигателя является, по сути, взрывом со скоростью распространения взрывной волны 5-7 км/сек. Этот процесс дает чудовищные пиковые нагрузки на шатуны, коленчатый вал и подшипники. Стирлинги лишены этого недостатка.
Двигатель не будет "капризничать" из-за потери искры, засорившегося карбюратора или низкого заряда аккумулятора, поскольку не имеет этих агрегатов. Понятие "двигатель заглох" не имеет смысла для Стирлингов. Стирлинг может остановиться, если нагрузка превышает расчетную. Повторно запуск осуществляется однократным проворотом маховика коленчатого вала.
Простота конструкции позволяет длительно эксплуатировать Стирлинг в автономном режиме.
Двигатель Стирлинга может использовать любой источник тепловой энергии, начиная с дров и заканчивая ядерным топливом!
Сгорание топлива происходит вне внутреннего объема двигателя (в отличии от ДВС), что позволяет обеспечить равномерное горение топлива и полное его дожигание (т.е. отбор максимума содержащейся в топливе энергии и минимизация выброса токсичных компонентов).
Недостатки:
Материалоёмкость — основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.
Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела — водород, гелий.
Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплобменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.
Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.
Такие энергетические установки экологически чисты, так как концентрация вредных веществ в продуктах сгорания почти на два порядка ниже, чем у дизельных электростанций. Поэтому стирлинг-генераторы можно устанавливать в непосредственной близости от потребителя, что позволит избавиться от потерь на передачу электроэнергии.
Автономные энергетические установки с двигателями Стирлинга (стирлинг-генераторы) могут найти широкое применение в нефтегазовой промышленности при освоении новых месторождений, особенно в условиях Крайнего Севера и шельфа арктических морей, где нужна серьезная энерговооруженность разведочных, буровых, сварочных и других работ.
В этих условиях в качестве топлива можно будет использовать неочищенный природный газ, попутный нефтяной газ, добываемый совместно с нефтью, и газовый конденсат. Столь широкий спектр топлив делает стирлинг-генераторы универсальными источниками энергии. Таким образом, исчезает проблема с обеспечением энергией буровых скважин, вахтовых поселков, узлов связи и других автономных систем.
-
заключение, выводы
В настоящее время только в Российской Федерации ежегодно пропадает до 50 млрд. м3 попутного газа, который выходит вместе с нефтью. Собирать его сложно и дорого, использовать в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания нельзя из-за постоянно меняющегося фракционного состава, и чтобы газ не загрязнял атмосферу, он попросту сжигается. Однако этот газ может быть приемлемым моторным топливом для энергетических установок с двигателями Стирлинга.
Двигатель Стирлинга можно использовать во всех областях, где требуется преобразование тепловой энергии в механическую.
В мировых обзорах по энергопреобразующей технике двигатель Стирлинга рассматривается как наиболее перспективный в XXI веке. Низкий уровень шума, малая токсичность отработанных газов, возможность работы на различных топливах, большой ресурс, хорошие характеристики крутящего момента - все это делает двигатели Стирлинга более конкурентоспособными в сравнении с ДВС.
Да на сегодня изготовление двигателя Стирлинга нуждается в больших средствах, чем изготовление обычных двигателей внутреннего сгорания, но, несмотря на этот факт, эксплуатация данного двигателя является значительно экономичной в сравнении с ДВС.
Можно с уверенностью сказать, что производство двигателей Стирлинга является экономически целесообразным с учетом практически неограниченного спроса на экологически чистое и высокоэффективное энергетическое оборудование как в России, так и за рубежом.
-
сПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.Двигатели Стирлинга: Сборник статей / Перевод с англ. ;
под ред. д. т.н., проф. . – М.: «Мир», 1975.
2.Двигатель Стирлинга [Электронный ресурс].-Режим доступа https://ru. wikipedia. org/wiki/%D0%94%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%A1%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%B0
3.Касьянов В. А. Физика 10 класс. Углубленный уровень: учебник – М.: Дрофа, 2014.- 447с.
4.Ландау, Л. Д., Лифшиц, физика. Часть 1. — Издание 3-е, дополненное. — М.: Наука, 1976. — 584 с. — («Теоретическая физика», том V).
9. Михайлова, В. С. Сравнительный анализ применения двигателя Стирлинга и дизельного генератора для системы электротеплоснабжения объектов в Арктических районах России / В. С. Михайлова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 8 (112). — С. 261-265.
8. Сборник статей по солнечной Энергетике [Электронный ресурс]//solareview. blogspot. ru: информационно-справочный портал: статья Двигатель Стирлинга 2010. Режим доступа http://solareview. blogspot. ru/2010/06/blog-post_19.html
9. Физика. Справочные материалы.-М.: Просвещение,1985.-310с.
10. Физика. Энциклопедия для детей Аванта+. Том 16: биография физики; путешествие в глубь материи; механическая картина мира.-М.: Аванта+, 2003.-445с.