Принципиальным элементом реализации программки сбережения энергии является обеспечение автономными источниками электроэнергии и тепла маленьких жилых образований и удаленных от централизованных сетей потребителей. Для решения этих задач как нельзя лучше подходят инноваторские установки для генерации электроэнергии и тепла на базе движков наружного сгорания. В качестве горючего может употребляться как классические виды горючего, так и попутный нефтяной газ, биогаз, получаемый из древесных стружек и пр.
В протяжении последних 10 лет отмечались увеличения цен на ископаемое горючее, особенное внимание к выбросам СО2, также растущее желание не зависеть от ископаемого горючего и на сто процентов обеспечивать себя энергией. Это стало следствием развития большущего рынка технологий, способных создавать энергию из биомассы.
Движки наружного сгорания были придуманы практически 200 лет тому вспять, в 1816 году. Вкупе с паровым движком, двух- и четырехтактным бензиновым двигателем, движки наружного сгорания числятся одними из главных типов движков. Они были разработаны с целью сотворения движков, которые могли быть более неопасными и производительными, чем паровой двигатель. В самом начале XIX-го века отсутствие подходящих материалов приводило к бессчетным случаям со смертельным финалом в связи со взрывами паровых движков, находящихся под давлением.
Значимый рынок для движков наружного сгорания сформировался во 2-ой половине XIX-го века, а именно, в связи с более маленькими сферами внедрения, где их можно было неопасно эксплуатировать без необходимости в услугах обученных операторов.
После изобретения бензинового двигателя в конце XIX-го века рынок для движков наружного сгорания пропал. Цена производства бензинового двигателя в сопоставлении со ценой производства наружного сгорания ниже. Основной недочет движков внутреннего сгорания состоит в том, что для их работы нужно незапятнанное, ископаемое горючее, увеличивающее выбросы СО2, горючее. Но, до недавнешнего времени цена ископаемого горючего была низкой, а выбросам СО2 не уделялось подабающего внимания.
Механизм работы мотора наружного сгорания
В отличие от обширно известного процесса внутреннего сгорания, при котором горючее сжигается снутри мотора, двигатель наружного сгорания, приводится в действие наружным источником тепла. Либо, поточнее говоря, она приводится в действие разностями температур, создаваемыми наружными источниками нагревания и остывания.
Этими наружными источниками нагревания и остывания могут служить переработанные газы биомассы и охлаждающая вода соответственно. Процесс приводит к вращению генератора, монтированного на движке, средством чего делается энергия.
Все движки внутреннего сгорания приводятся в действие разностями температур. Бензиновые, дизельные движки и движки наружного сгорания основаны на той особенности, что для сжатия прохладного воздуха нужно меньше усилий, чем для сжатия жаркого воздуха.
Бензиновые и дизельные движки всасывают прохладный воздух и сжимают этот воздух, до того как он подогревается в процессе внутреннего сгорания, который происходит снутри цилиндра. После подогревания воздуха над поршнем поршень перемещается вниз, средством чего воздух расширяется. Потому что воздух жаркий, сила, действующая на шток поршня, велика. Когда поршень доходит до низа, клапаны открываются и жаркие выхлопы заменяются новым, свежайшим, прохладным воздухом. При движении поршня ввысь прохладный воздух сжимается, при этом сила, действующая на шток поршня, меньше, чем при его движении вниз.
двигатель наружного сгорания работает в согласовании с незначительно другим принципом. В нем нет клапанов, он герметически запаян, а воздух подогревается и охлаждается с помощью теплообменных аппаратов жаркого и прохладного контура. Интегрированный насос, приводимый в действие движением поршня, обеспечивает движение воздуха туда и назад меж этими 2-мя теплообменными аппаратами. Во время остывания воздуха в теплообменном аппарате прохладного контура поршень сжимает воздух.
После сжатия воздух потом подогревается в теплообменном аппарате жаркого контура, до того как поршень начинает двигаться в оборотном направлении и использовать расширение жаркого воздуха для приведения в действие мотора.
Энергосберегающие технологии: Теплоэнергетическая установка FX-38 на базе мотора наружного сгорания с сжиганием газообразного горючего
Механизм работы
Предлагаемая инноваторская разработка базирована на использовании высокоэффективного четырехцилиндрового мотора наружного сгорания. Это — термический двигатель. Тепло может поставляться от наружного источника тепла либо выполняться методом сжигания широкого диапазона видов горючего снутри камеры сгорания.
Тепло поддерживается при неизменной температуре в одном отделении мотора, где оно преобразуется в водород, находящийся под давлением. Расширяясь, водород толкает поршень. В отделении мотора с низкой температурой водород охлаждается с помощью аккумов тепла и охладителей воды. При расширении и сжатии водород вызывает возвратно-поступательное движение поршня, которое преобразуется во вращательное движение с помощью наклонной шайбы, которая приводит в действие стандартный, емкостный электронный генератор. В процессе остывания водорода также делается тепло, которое можно использовать для комбинированного производства электроэнергии и тепла во вспомогательных процессах.
Общее описание
Теплоэнергетическая установка FX-38 представляет собой единый модуль «двигатель-генератор», который включает двигатель наружного сгорания, систему сгорания, работающую на пропане, природном газе, попутном нефтяном газе, других видах горючего со средней и низкой энергоемкостью (биогаз), индуктивный генератор, систему контроля мотора, защищенный от атмосферных воздействий корпус со интегрированной системой вентиляции и другое вспомогательное оборудование для параллельной работы с сетью высочайшего напряжения.
Номинальная мощность по электричеству при работе на природном газе либо биогазе при частоте 50 Гц составляет 38 кВт. Не считая того, установка производит 65 кВт-ч извлекаемого тепла с поставляемой по специальному заказу системой комбинированного производства тепла и электроэнергии.
Установка FX-38 может быть вооружена разными опциями системы остывания для обеспечения гибкости схемы установки. Продукт разработан для обычного подключения к электронным контактам, системам подачи горючего и наружным трубам системы остывания, если оборудованы такими.
Частота50 ГцМощность38 кВтЭлектронный КПД28%Температурная мощность65 кВт-чОбщий КПД75%
Дополнительные детали и функции
Установка FX-48 может применяться в нескольких вариантах последующим образом:
Эксплуатационные свойства установки
Выходная мощность складывается из электронной мощности и термический мощности. Для работы при частоте 50 Гц установка работает с термическим коэффициентом 12230 кДж/кВт-ч (низшая теплота сгорания) и рассчитана на электронную мощность 38 кВт. Показатель вырабатываемой электроэнергии 38 кВт включает паразитные утраты, связанные с радиатором системы остывания, водяным насосом, вентилятором подачи воздуха в камеру сжигания, масляным насосом, контрольной системой и системой вентиляции блока.
В режиме производства электроэнергии и тепла при частоте 50 Гц установка производит 65 кВт-ч извлекаемого тепла. Продукт оборудован системой труб, готовой для подключения к поставляемому заказчиком теплообменнику типа жидкость/жидкость. Жгучая сторона теплообменника представляет собой схему замкнутого цикла с охладителем кожуха мотора и интегрированным радиатором системы, если таковые находятся. Прохладная сторона теплообменника создана для схем теплоприемника заказчика.
Техническое сервис
Установка создана для непрерывной работы и отбора мощности. Базисная проверка эксплуатационных черт проводится заказчиком с интервалом в 1000 часов и включает проверку системы водяного остывания и уровня масла. Через 10000 часов эксплуатации делается сервис фронтальной части установки, включающее подмену поршневого кольца, сальника штока, ремня привода и разных сальников. Специальные главные составляющие проверяются на износ. Скорость работы мотора составляет 1500 об/мин для работы на частоте 50 Гц.
Бесперебойность
Бесперебойность работы установки составляет выше 95%, исходя из интервалов эксплуатации, и учитывается при графике технического обслуживания.
Уровень звукового давления
Уровень звукового давления блока без встроенного радиатора составляет 64 дБА на расстоянии 7 метров. Уровень звукового давления блока с интегрированным радиатором с вентиляторами остывания составляет 66 дБА на расстоянии 7 метров.
Выбросы
При работе на природном газе выбросы мотора меньше либо равны 0,0574 г/Нм3 NOx, 15,5 г/Нм3 летучих органических соединений и 0,345 г/Нм3 СО.
Газообразное горючее
двигатель рассчитан на работу на разных типах газообразного горючего со значениями низшей теплоты сгорания от 13,2 до 90,6 МДж/Нм3, попутный нефтяной газ, природный газ, угольный метан, газ вторичной переработки, пропан и биогаз полигонов ТБО. Для охвата данного спектра устройство может быть заказано со последующими конфигурациями топливной системы:
Тип горючегоСпектр теплоты сгоранияГазообразный пропанприм. 90,6 МДж/Нм3Высочайшая энергоемкостьприм. 35,4 МДж/Нм3Средняя энергоемкость14,8-23,2 МДж/Нм3Низкая энергоемкость13,8-23,2 МДж/Нм3
Система сгорания просит регулируемого давления подачи газа в 124-152 мбар для всех типов горючего.
Окружающая среда
Установка в стандартном выполнении работает при температуре среды от -20 до +50°С.
Описание установки
Теплоэнергетическая установка FX-38 стопроцентно готова для выработки электроэнергии в заводской поставке. Интегрированный электронный пульт устанавливается на блок для ублажения требований интерфейса и контроля. Устойчивый к атмосферным воздействиям цифровой экран, интегрированный в электронный пульт, обеспечивает оператору интерфейс пуска, остановки и перезапуска при помощи кнопок. Электронный пульт также служит главным местом подключения оконечного электронного устройства заказчика, также с оконечными устройствами проводной связи.
Установка способна достигать выходной мощности полной нагрузки приблизительно через 3-5 минут с момента пуска зависимо от изначальной температуры системы. Последовательность пуска и установки приводится в действие нажатием кнопки.
После команды запуска установка подключается к высоковольтной сети методом закрытия внутреннего контактора на сеть. двигатель немедля поворачивается, очищая камеру сжигания до открытия топливных клапанов. После открытия топливного клапана энергия подается на запальное устройство, поджигая горючее в камере сжигания. Наличие сжигания определяется по увеличению температуры рабочего газа, что приводит в действие функцию управления разгоном до точки рабочей температуры. После чего пламя остается самоподдерживающимся и неизменным.
После команды остановки установки поначалу запирается топливный клапан для прекращения процесса сжигания. По прошествии за ранее установленного времени, в течение которого механизм охлаждается, раскроется контактор, отключая установку от сети. В случае если таковые установлены, вентиляторы радиатора могут работать некое время для уменьшении температуры охлаждающей воды.
В установке употребляется двигатель наружного сгорания с неизменной длиной хода, присоединенный к стандартному индукционному генератору. Устройство работает наряду с высоковольтной сетью либо наряду с системой рассредотачивания энергии. Индукционный генератор не делает собственного собственного возбуждения: он получает возбуждение от присоединенного источника электросети. Если напряжение в электросети исчезает, установка отключается.
Описание узлов установки
Конструкция установки обеспечивает ее обычный установка и подключение. Имеются наружные соединения для топливных труб, оконечных устройств электроэнергии, интерфейсов коммуникаций и, если это предвидено, наружного радиатора и система труб теплообменника жидкость/жидкость. Установку можно заказать в комплекте со интегрированным либо удаленно монтированным радиатором и/либо системой труб теплообменника жидкость/жидкость для остывания мотора. Также предоставляются инструменты для неопасного отключения и логические схемы управления, специально разработанные для хотимого режима работы.
Кожух имеет две эксплуатационные панели на каждой стороне отделения двигатель/генератор и внешнюю однопетельную дверь для доступа к электронному отделению.
Установка FX-38 без встроенного радиатора
Установка FX-38 со интегрированным радиатором
Вес установки: около 1770 кг.
двигатель является 4-цилиндровым (260 см3/цилиндр) движком наружного сгорания, всасывающим тепло непрерывного сжигания газового горючего в камере внутреннего сгорания, и включает последующие интегрированные составляющие:
Свойства генератора приводятся ниже:
Интерфейс оператора – цифровой экран обеспечивает управление установкой. Оператор может запустить и приостановить установку с цифрового монитора, поглядеть время работы, рабочие данные и предупреждения/сбои. При установке опционального модуля измерения мощности оператор может созидать многие электронные характеристики, такие как вырабатываемая мощность, киловатт-часы, киловатт-амперы и коэффициент мощности.
Панель цифрового интерфейса
Функция диагностики оборудования и сбора данных встроена в систему контроля установки. Диагностическая информация упрощает удаленный сбор данных, отчет по данным и устранение дефектов устройства. Эти функции включают сбор системных данных, таких как информация о рабочем состоянии, все механические рабочие характеристики, такие как температура и давление цилиндров, также, если подключен опциональный измеритель мощности, – электронные характеристики значений вырабатываемой мощности. Данные могут быть переданы через стандартный порт соединения RS-232 и показаны на компьютере либо ноутбуке с помощью программного обеспечения для сбора данных. Для нескольких установок либо в случаях, когда расстояние передачи сигнала превосходит способности RS-232, для получения данных употребляется опциональный порт RS-485 с внедрением протокола MODBUS RTU.
Для переноса жарких выхлопных газов от системы сгорания употребляются трубы из нержавеющей стали. К выхлопной трубе в месте выхода из кожуха прикреплена равновесная выхлопная заслонка с защитным колпаком от дождика и снега.
Для остывания могут применяться разные прикладные технологии и конфигураций:
Интегрированный радиатор – предоставляет собой радиатор, рассчитанный на температуру среды до +50°C. Все трубы подключаются в промышленных критериях. Это обычная разработка в случае, если не употребляется утилизация отходящего тепла.
Наружный радиатор – предназначен для установки заказчиком, рассчитан на температуру среды до +50°C. Недлинные несущие ножки поставляются с радиатором для монтажа на контактном столике. По мере надобности установки в помещении можно использовать данный вариант заместо предоставления системы вентиляции, требуемой для подачи охлаждающего воздуха во интегрированный радиатор.
Наружняя охлаждающая система – предоставляет систему труб снаружи кожуха для поставляемой заказчиком системы остывания. Ей может выступать теплообменник либо удаленно монтированный радиатор.
Хладагент состоит из 50% воды и 50% этиленгликоля по объему: можно поменять консистенцией пропиленгликоля и воды, по мере надобности.
Установка FX-38 употребляет водород в качестве рабочего тела для приведения в движение поршней движков из-за больших возможностей водорода к передаче тепла. В обычном режиме работы потребляется предсказуемое количество водорода из-за обычных утечек, вызванных проницаемостью материала. Для учета этого темпа употребления место установки просит наличия 1-го либо нескольких наборов баллонов с водородом, отрегулированных и подсоединенных к блоку. Снутри установки интегрированный водородный компрессор наращивает давление в баллоне до более высочайшего давления в движке и вводит малые порции по запросу встроенного программного обеспечения. Интегрированная система не просит технического обслуживания, а баллоны подлежат подмене зависимо от работы мотора.
Для подачи горючего поставляется труба со стандартной трубной резьбой 1 дюйм для всех стандартных типов горючего, кроме низкоэнергетических вариантов, для которых употребляется стандартная трубная резьба 1 1/2 дюйма. Требования к давлению горючего для всех видов газообразного горючего составляют от 124 до 152 мбар.
Инновации в сбережении энергии: Теплоэнергетическая установка на базе мотора наружного сгорания со сжиганием биогаза
Одним из видов горючего, использующегося в движках наружного сгорания, служит биогаз. Инноваторская теплоэнергетическая установка на базе мотора наружного сгорания конвертирует биогаз в энергию и тепло. Установка состоит из последующих компонент:
Установка употребляет в качестве горючего биомассу. Внутренняя часть машины заполняется гелием, и в нее нагнетается давление 40 бар. Под давлением находятся и жгучая, и прохладная сторона мотора, включая механизм и генератор. Это сводит к минимуму разность давлений меж жаркой и прохладной сторонами машины. Более того не употребляется смазочное масло.
Жгучая сторона мотора греется до уровня около 700°С, а прохладная сторона охлаждается с помощью охлаждающей воды до уровня 40-80°С. Это делает разность температур около 600°С.
Для получения действенной передачи тепла в двигатель температура источника тепла должна быть существенно выше 700°С. двигатель имеет четыре цилиндра и производит электронную мощность 35 кВт.
Древесные стружки подаются в газификатор с восходящим движением воздуха через винтообразной сборочный поток (А). Снутри газификатора с восходящим движением воздуха (В) находится слой древесных стружек шириной 2 метра. В таком слое в нижней части газификатора (С) происходит контролируемый процесс сжигания с низким содержанием кислорода. В процессе этого процесса испаряются летучие частички древесных стружек над зоной сжигания, которые выходят в высшей части газификатора как газ, приобретенный из древесной породы. Процесс газификации с восходящим движением воздуха прост и надежен, он поставляет горючий газ конкретно в специально разработанную камеру сжигания, в какой смонтирована машина наружного сгорания. Устройства для чистки либо кондиционирования газа не требуются. Газ, приобретенный из древесной породы, отводится (D) в камеру повторяющегося сжигания (Е), где он смешивается с за ранее нагретым воздухом и сжигается. Уровень температуры снутри камеры сжигания составляет 1200°С. Теплообменный аппарат мотора наружного сгорания (F) смонтирован снутри камеры сжигания, что обеспечивает нагрев машины. Сразу двигатель наружного сгорания охлаждается с помощью охлаждающей воды (G). В заключение отработанный газ просачивается в теплообменный аппарат (Н). Часть отработанного газа отчаливает назад в газификатор с восходящим движением воздуха (I), а часть отработанного газа охлаждается с помощью охлаждающей воды (J). Оставшаяся часть отработанного воздуха выходит через трубу (К) при температуре 130°С.
двигатель наружного сгорания производит электроэнергию из тепла. Оставшееся тепло отработанного газа употребляется для подготовительного нагревания воздуха в камере сжигания, также для нагревания теплофикационной воды в экономайзере. Тепло также делается в машине и подается на решетку обогревателя.
Единственными отходами установки являются охлажденный отработанный газ с низкими уровнями содержания CO и NOx и зола, выходящая из нижней части газификатора.
Работа установки базирована на движке мощностью 35 кВт и может изменяться в спектре от 35 кВт до 140 кВт.
Факты и числа
Теплоэнергетическая установка с газификатором с восходящим движением воздуха, работающая на биомассеКоличество движков1234Электронная мощность (кВт)3570105140Термическая мощность (кВт-ч)140280420560Потребление горючего (кг/час)*70140210280Годичное создание энергии ** (МВт-ч)2805608401120Годичное создание тепла ** (ГВт-ч)1,122,243,364,48Годичное потребление горючего *** (тонн/год)560112016802240Сэкономленное дизельное горючее ** (тонн/год)138275413551Предотвращенные выбросы СО2 ** (тонн/год)43587013051740Сэкономленный природный газ ** (тонн/год)147294442589Предотвращенные выбросы СО2 ** (тонн/год)33567010051341Количество снабжаемых домашних хозяйств ****70140210280* Исходя из использования древесных стружек с 42% влажностью** Исходя из 8000 часов работы в год*** Исходя из использования древесных стружек с 42% влажностью 8000 часов работы в год**** Средние домашние хозяйства 100 м2
Спецификация
ГорючееДревесные стружкиСодержание водыдо 55%Электронная мощность35 кВтСобственное потребление2 кВтСоздание термический энергии145 кВтРасход воды при 45°С/80°С3,5 м3/часРасход горючего200 кВтпри 40% влажности70 кг/часЭлектронный КПД, незапятнанный18%КПД станции90%Интервалы технического обслуживания8000 часовУровень выбросовМаленький вследствие наружного сжигания:Обычные измеряемые значения:CO и NOx HC Система подходит для использования в качестве системы с основной нагрузкой для годичных термических нагрузок в спектре 1 – 10 ГВт-ч.
Установка может сочетаться или с обычно применяемым водонагревателем на горючем из древесных стружек либо на водонагревателе на газовом горючем для критических нагрузок.
Области внедрения и достоинства теплоэнергетических установок на базе мотора наружного сгорания
Установки совершенно подходит для мелкомасштабного производства электроэнергии и тепла:
ctirling.ru
 | Статья состоит из словарного определения термина. Пожалуйста, доработайте статью, приведя ее в соответствие с правилами. Подробности могут быть на странице обсуждения. В Википедии статьи, состоящие только из словарного определения, не приветствуются, их следует попытаться улучшить или выставить к удалению. Кроме того, статью можно перенести в Викисловарь. Информация о самом слове, его значении, этимологии и употреблении, будет весьма ценным дополнением для Викисловаря. |
Дви́гатели вне́шнего сгора́ния — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела.
К этому классу относятся паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга, газовые турбины внешнего сгорания, а также другие типы двигателей. Двигатели внешнего сгорания были изобретены почти 200 лет тому назад, в 1816 году. Вместе с паровым двигателем, двух- и четырехтактным двигателем внутреннего сгорания, двигатели внешнего сгорания считаются одними из основных типов двигателей.
Они были разработаны с целью создания двигателей, которые были бы более безопасными и производительными, чем паровой двигатель. В самом начале 19-го века отсутствие подходящих материалов приводило к многочисленным случаям со смертельным исходом в связи со взрывами паровых двигателей, находящихся под давлением.Значительный рынок для двигателей внешнего сгорания сформировался во второй половине 19-го века, в частности, в связи с более мелкими сферами применения, где их можно было безопасно эксплуатировать без необходимости в услугах квалифицированных операторов.
После изобретения двигателя внутреннего сгорания в конце 19-го века рынок для двигателей внешнего сгорания исчез. Стоимость производства двигателя внутреннего сгорания в сравнении со стоимостью производства внешнего сгорания ниже. Основной недостаток двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что для их работы необходимо чистое, ископаемое топливо, увеличивающее выбросы СО2, топливо. Однако, до недавнего времени стоимость ископаемого топлива была низкой, а выбросам СО2 не уделялось должного внимания. Принцип работы двигателя внешнего сгорания
В отличие от широко известного процесса внутреннего сгорания, при котором топливо сжигается внутри двигателя, двигатель внешнего сгорания, приводится в действие внешним источником тепла. Или, точнее говоря, она приводится в действие разностями температур, создаваемыми внешними источниками нагревания и охлаждения.
Этими внешними источниками нагревания и охлаждения могут служить отработанные газы биомассы и охлаждающая вода соответственно. Процесс приводит к вращению генератора, монтированного на двигателе, посредством чего производится энергия.
Все двигатели внутреннего сгорания приводятся в действие разностями температур. Бензиновые, дизельные двигатели и двигатели внешнего сгорания основаны на той особенности, что для сжатия холодного воздуха необходимо меньше усилий, чем для сжатия горячего воздуха.
Бензиновые и дизельные двигатели всасывают холодный воздух и сжимают этот воздух, прежде чем он подогревается в процессе внутреннего сгорания, который происходит внутри цилиндра. После подогревания воздуха над поршнем поршень перемещается вниз, посредством чего воздух расширяется. Так как воздух горячий, сила, действующая на шток поршня, велика. Когда поршень доходит до низа, клапаны открываются и горячие выхлопы заменяются новым, свежим, холодным воздухом. При движении поршня вверх холодный воздух сжимается, причем сила, действующая на шток поршня, меньше, чем при его движении вниз.
Двигатель внешнего сгорания работает в соответствии с немного другим принципом. В нем нет клапанов, он герметически запаян, а воздух подогревается и охлаждается при помощи теплообменных аппаратов горячего и холодного контура. Встроенный насос, приводимый в действие движением поршня, обеспечивает движение воздуха туда и обратно между этими двумя теплообменными аппаратами. Во время охлаждения воздуха в теплообменном аппарате холодного контура поршень сжимает воздух.
После сжатия воздух затем подогревается в теплообменном аппарате горячего контура, прежде чем поршень начинает двигаться в обратном направлении и использовать расширение горячего воздуха для приведения в действие двигателя.
veter.academic.ru
 | Статья состоит из словарного определения термина. Пожалуйста, доработайте статью, приведя ее в соответствие с правилами. Подробности могут быть на странице обсуждения. В Википедии статьи, состоящие только из словарного определения, не приветствуются, их следует попытаться улучшить или выставить к удалению. Кроме того, статью можно перенести в Викисловарь. Информация о самом слове, его значении, этимологии и употреблении, будет весьма ценным дополнением для Викисловаря. |
Дви́гатели вне́шнего сгора́ния — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела.
К этому классу относятся паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга, газовые турбины внешнего сгорания, а также другие типы двигателей. Двигатели внешнего сгорания были изобретены почти 200 лет тому назад, в 1816 году. Вместе с паровым двигателем, двух- и четырехтактным двигателем внутреннего сгорания, двигатели внешнего сгорания считаются одними из основных типов двигателей.
Они были разработаны с целью создания двигателей, которые были бы более безопасными и производительными, чем паровой двигатель. В самом начале 19-го века отсутствие подходящих материалов приводило к многочисленным случаям со смертельным исходом в связи со взрывами паровых двигателей, находящихся под давлением.Значительный рынок для двигателей внешнего сгорания сформировался во второй половине 19-го века, в частности, в связи с более мелкими сферами применения, где их можно было безопасно эксплуатировать без необходимости в услугах квалифицированных операторов.
После изобретения двигателя внутреннего сгорания в конце 19-го века рынок для двигателей внешнего сгорания исчез. Стоимость производства двигателя внутреннего сгорания в сравнении со стоимостью производства внешнего сгорания ниже. Основной недостаток двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что для их работы необходимо чистое, ископаемое топливо, увеличивающее выбросы СО2, топливо. Однако, до недавнего времени стоимость ископаемого топлива была низкой, а выбросам СО2 не уделялось должного внимания. Принцип работы двигателя внешнего сгорания
В отличие от широко известного процесса внутреннего сгорания, при котором топливо сжигается внутри двигателя, двигатель внешнего сгорания, приводится в действие внешним источником тепла. Или, точнее говоря, она приводится в действие разностями температур, создаваемыми внешними источниками нагревания и охлаждения.
Этими внешними источниками нагревания и охлаждения могут служить отработанные газы биомассы и охлаждающая вода соответственно. Процесс приводит к вращению генератора, монтированного на двигателе, посредством чего производится энергия.
Все двигатели внутреннего сгорания приводятся в действие разностями температур. Бензиновые, дизельные двигатели и двигатели внешнего сгорания основаны на той особенности, что для сжатия холодного воздуха необходимо меньше усилий, чем для сжатия горячего воздуха.
Бензиновые и дизельные двигатели всасывают холодный воздух и сжимают этот воздух, прежде чем он подогревается в процессе внутреннего сгорания, который происходит внутри цилиндра. После подогревания воздуха над поршнем поршень перемещается вниз, посредством чего воздух расширяется. Так как воздух горячий, сила, действующая на шток поршня, велика. Когда поршень доходит до низа, клапаны открываются и горячие выхлопы заменяются новым, свежим, холодным воздухом. При движении поршня вверх холодный воздух сжимается, причем сила, действующая на шток поршня, меньше, чем при его движении вниз.
Двигатель внешнего сгорания работает в соответствии с немного другим принципом. В нем нет клапанов, он герметически запаян, а воздух подогревается и охлаждается при помощи теплообменных аппаратов горячего и холодного контура. Встроенный насос, приводимый в действие движением поршня, обеспечивает движение воздуха туда и обратно между этими двумя теплообменными аппаратами. Во время охлаждения воздуха в теплообменном аппарате холодного контура поршень сжимает воздух.
После сжатия воздух затем подогревается в теплообменном аппарате горячего контура, прежде чем поршень начинает двигаться в обратном направлении и использовать расширение горячего воздуха для приведения в действие двигателя.
muller.academic.ru
Двигатель имеет примерно такие же размеры и массу, как и обычный бензиновый двигатель. К особенностям предлагаемого двигателя следует отнести:
Высокий к. п. д. Возможность получения высокого к. п. д., а следовательно, и большой экономичности является важной особенностью двигателя. Это связано с полным использованием перепада температуры и давления в цикле. Однако для реализации этих возможностей необходимо преодолеть значительные конструктивные и технологические трудности, и трудности, связанные с подбором материалов для изготовления деталей двигателя.Различные тепловые источники. Внешний подвод теплоты, используемый в двигателе, позволяет применять различные тепловые источники без каких-либо существенных изменений конструкции двигателя. Практически все ископаемые топлива от твердых до газообразных могут быть непосредственно использованы в двигателе. Для этого двигатель оборудуют камерой сгорания с рекуперативным теплообменником для подогрева воздушного заряда теплотой отработавших газов.В городах с высокой интенсивностью движения для применения на транспортных средствах большие перспективы имеет двигатель с тепловым аккумулятором.Преимущество двигателя заключается также в том, что он может работать не только на разнообразных топливах, но дает возможность применять различные виды источников теплоты. Это означает, что работа двигателя не зависит от наличия атмосферы. Он может одинаково хорошо работать в замкнутом пространстве, как на подводных лодках, так и на спутниках.Минимальное влияние на окружающую среду (токсичность, шум, вибрации). Очевидно, что о токсичности двигателя (в обычном смысле этого понятия) можно говорить только при использовании теплоты сгорания топлива.Источниками выделения токсичных веществ являются продукты сгорания топлива и испарения его из системы питания. Двигатель работает по замкнутому циклу, поэтому в его картере нет продуктов сгорания и вследствие этого из картера не выделяются токсичные вещества.Испарение топлива в атмосферу в двигателе значительно меньше, чем у карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, так как топливная система закрытого типа. Практически единственный источник токсичных веществ - продукты сгорания, выходящие в атмосферу из камеры сгорания.Основными токсичными веществами, содержащимися в продуктах сгорания такого топлива, являются окись углерода СО, несгоревшие углеводороды СхНу, окислы азота NOх, альдегиды, сажа, окислы серы (при использовании сернистых топлив), соединения свинца (для этилированных бензинов).Оценим токсичность двигателя по выделению окиси углерода, углеводородов, окислов азота, а также по дымности. На эти выделения имеются или вводятся законодательные ограничения. Токсичные продукты неполного сгорания (СО и СхНу) являются следствием недостатка кислорода при сгорании (при малых общих или местных коэффициентах избытка воздуха).Сажа в отработавших газах появляется в тех случаях, когда происходит термическое разложение углеводородного топлива (крекинг) при высоких температурах и недостатке кислорода. Камеры сгорания двигателя подобны камерам сгорания газотурбинных и паровых двигателей. Процесс сгорания в них является стационарным. В таких условиях можно обеспечить достаточно хорошее качество смесеобразования. Воздух, поступающий в камеру сгорания, подогревается в специальном подогревателе отработавшими газами. Очевидно, что выделение токсичных веществ с отработавшими газами в двигателе зависит от коэффициента избытка воздуха при сгорании и температуры воздуха на входе в камеру сгорания.С увеличением коэффициента избытка воздуха при сгорании уменьшается концентрация СО, СхНу и NOх. Рассмотрение массы токсичных компонентов, выделяющихся при сгорании единицы количества топлива, приводит к такому же выводу. Необходимо отметить очень малые концентрации СО, СхНу. Концентрация NOх уменьшается с ростом коэффициента избытка воздуха из-за более существенного влияния снижения температуры по сравнению с влиянием увеличения количества свободного кислорода в продуктах сгорания. Так как при увеличении коэффициента избытка воздуха КПД двигателя несколько падает, то рациональное значение коэффициента избытка воздуха при сгорании составляет примерно 1,5-1,8.С повышением температуры воздуха, поступающего в камеру сгорания, при постоянном коэффициенте избытка воздуха содержание продуктов неполного сгорания (СО и СхНу) уменьшается, а концентрация NOх возрастает. КПД двигателя также увеличивается с возрастанием температуры воздуха на входе в камеру сгорания. Уменьшение концентрации СО и СхНу объясняется улучшением условий сгорания в более горячем воздухе. Увеличение концентрации NOх вызвано повышением максимальной температуры сгорания при неизменном коэффициенте избытка воздуха. Температура воздуха на входе в камеру сгорания в двигателе достигает 600-800° С.Необходимо отметить, что отработавшие газы двигателя не имеют запаха и практически не содержат сажи.Приведенные выше материалы показывают, что наибольшее влияние на токсичность отработавших газов двигателя оказывают окислы азота. Выделение их может быть уменьшено воздействием на условиях сгорания топлива в камере (уменьшением максимальной температуры и концентрации кислорода). Для понижения температуры в зоне сгорания подбирают соответствующие параметры камеры сгорания или применяют рециркуляцию отработавших газов (как и в двигателях внутреннего сгорания).Увеличение количества перепускаемых отработавших газов более 33% количества поступающего свежего воздуха нецелесообразно, так как при этом существенно возрастает концентрация СО, а концентрация NOх уменьшается менее значительно.Для оценки уровня токсичности двигателя в таблице приведены удельные выделения токсичных веществ в этом двигателе, в дизеле, газовой турбине и карбюраторном двигателе.| Тип двигателя | NOх | СО | СхНу |
| Двигатель ДНС | 0,1-0,2 | 0,05-0,2 | 0,0015-0,009 |
| Турбина газовая (с регенератором) | 0,7-2,0 | 2,0-3,6 | 0,0120-0,072 |
| Дизель | 0,4-2,0 | 0.2-5,0 | 0,6-12 |
| Карбюраторный двигатель | 0,6-2,0 | 40-100 | 15-120 |
Из приведенной таблицы следует, что даже без принятия специальных мер токсичность отработавших газов двигателя значительно ниже токсичности тепловых двигателей других типов.
Низкий уровень шума и вибрации. Основными источниками шума в двигателях внутреннего сгорания являются турбокомпрессор, процесс сгорания, процессы впуска и выпуска, механизм газораспределения, кривошипно-шатунный и вспомогательные механизмы (из-за наличия зазоров в зубчатых зацеплениях, периодически перекрывающихся зазоров в подвижных соединениях и т. п.). Генерацию шума вспомогательными механизмами в двигателях внутреннего, и внешнего сгорания можно принять одинаковой, другие источники шума в двигателе отсутствуют, поэтому уровень шума, производимого работающим двигателем, значительно меньше, чем у двигателя внутреннего сгорания. Внешнее сгорание в двигателе происходит непрерывно и не имеет взрывного характера, благодаря чему при сгорании и выпуске шум почти не генерируется.Кроме того, давление в цилиндрах двигателя изменяется плавно, практически по синусоидальному закону. Уровень шума этого двигателя в среднем на 20-30 дБ ниже, чем дизеля такой же мощности.Расход смазочного масла. В двигателях внутреннего сгорания попадание масла в цилиндр, с одной стороны, ведет к выгоранию масла, а с другой, к его старению вследствие соприкосновения с горячими газами и деталями двигателя.В предлагаемом двигателе масло практически не может попасть в рабочие полости и, кроме того, нигде не соприкасается ни с горячими газами, ни с нагретыми деталями, поэтому не происходит ни выгорания, ни осмоления масла. Вследствие этого в двигателе отпадает необходимость в периодическом добавлении масла. В принципе двигатель может проработать в течение всего моторесурса с первоначально заправленным маслом (если оно с течением времени не изменяет своих качеств под воздействием окружающей среды), которое очищается только от абразивных частиц. Для двигателей большой и средней мощности это является важнейшим экономическим преимуществом (стоимость смазочного масла в 10 раз выше стоимости топлива). Для двигателей малой мощности это значительно уменьшает трудоемкость обслуживания.Попадание масла в рабочие полости двигателя крайне нежелательное и чрезвычайно вредное явление, так как изменяются свойства рабочего тела и, как следствие, эффективный КПД двигателя. Поэтому в двигателе применяются не смазываемые поршневые кольца, а смазочный материал требуется только для смазки механизма привода и вспомогательных агрегатов. В качестве поршневых уплотнений в двигателе применяются неразрезные кольца из фторопласта или композиционных материалов на основе последнего.Надежный и быстрый пуск двигателя при низкой температуре. Предлагаемый двигатель, имеющий большое давление рабочего тела во внутренних полостях и достаточно высокую температуру трубок нагревателя, легко пускается при любой температуре окружающей среды. Его пуск зависит исключительно от надежности, с которой может быть воспламенено топливо в камере сгорания. Свеча зажигания, которая объединена с форсункой в одно целое, практически гарантирует пуск двигателя при любых параметрах окружающей среды.Нечувствительность к пыли окружающего пространства. Так как предлагаемый двигатель - двигатель внешнего сгорания, то пыль, попадающая в воздушный заряд камеры сгорания из окружающего пространства, не поступает в цилиндры и картер (в двигателе вентиляция картера не требуется). Вследствие этого в двигателе отсутствует дополнительный абразивный износ движущихся деталей механизма привода. Кроме того, из-за малой скорости движения воздушного заряда и отработавших газов в рекуперативном теплообменнике камеры сгорания (подогревателе воздушного заряда) и в ее распыливающем устройстве коррозия этих деталей незначительна.Работа с кратковременными перегрузками. Моторесурс двигателей определяется скоростью наступления предела ползучести материала деталей нагревателя, работающих при высокой температуре. С повышением давления рабочего тела во внутренних полостях двигателя скорость наступления предела ползучести возрастает. Тем не менее, кратковременные перегрузки, связанные с повышением давления рабочего тела во внутренних полостях, незначительно уменьшают долговечность двигателя, так как температура деталей нагревателя остается неизменной.В общем случае любой двигатель может гарантированно выдерживать кратковременную 50-80%-ную перегрузку без заметного снижения долговечности.Теплоотдача в охлаждающую среду. Вследствие наличия в двигателе замкнутой системы циркуляции рабочего тела теплоотвод практически полностью осуществляется через охладитель, при этом теплоотвод должен происходить при возможно более низких температурах. Поэтому количество теплоты, отводимое в охлаждающую воду, в двигателе приблизительно в 2 раза больше, чем в двигателях внутреннего сгорания, при их одинаковых эффективных КПД. Следовательно, размеры радиатора системы охлаждения двигателей на транспортных средствах получаются больше, чем у двигателей внутреннего сгорания того же назначения.В судовых двигателях эта особенность не является серьезным недостатком.ВНЕШНИЙ ВИД ОПЫТНОЙ МОДЕЛИ ДВИГАТЕЛЯ
Число цилиндров шт. 2Мощность кВт/л.с. 3.5/4.7Количество оборотов об/мин 1000КПД % 61Коэффициент хода поршня 4Максимальное давление газа в цикле атм. 226Рабочий объем цилиндров см3 100Диаметр двигателя мм 89Длина двигателя мм 453Содержание СО г/км 0.05-0.2Содержание СхНу г/см 0.0015-0.009Содержание NOх г/км 0.1-0.2Масса двигателя кг 7Рабочее тело Углекислый газИсточник теплоты Тепловой аккумулятор и многотопливная камера сгорания
"Двигатель с внешним подводом теплоты". Патент № 2105156 от 23 июня 1995г., РФ."Двигатель с внешним подводом теплоты". Патент № 2149275 от 31 мая 1999г., РФ.
dvpt.livejournal.com
Изобретение относится к области энергомашиностроения. Поршневой двигатель с внешней камерой сгорания, содержащий внешнюю камеру сгорания с форсункой и свечой зажигания, газораспределительный клапан, перепускной клапан и клапан впуска воздуха, силовой поршень и поршень компрессора с шатунно-кривошипными механизмами, соединительный вал, маховик и вал отбора мощности, при этом процесс преобразования химической энергии топлива в механическую энергию разделен на процесс сгорания топлива во внешней камере сгорания и на процесс расширения продуктов сгорания в цилиндре поршневой расширительной машины, согласно изобретению двигатель снабжен пневмоаккумулятором, воздух в который поступает из надпоршневой полости компрессора, и который пополняет воздухом внешнюю камеру сгорания в процессе горения. Изобретение обеспечивает увеличение удельной мощности и многотопливность двигателя. 1 ил.
Область техники
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ближайший аналог заявленного изобретения - двигатель внешнего сгорания, двигатель Стирлинга (Большой политехнический словарь ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ, Научное издательство «Большая Российская энциклопедия, М.: 1998, с.505, 506). Двигатель внешнего сгорания - двигатель с внешним подводом и регенерацией тепловой энергии, преобразуемой в полезную механическую работу. Современный двигатель Стирлинга работает по замкнутому регенеративному циклу, состоящему из последовательно чередующихся двух изотермических и двух изохорических процессов. В отличие от двигателя Стирлинга в предлагаемом поршневом двигателе с внешней камерой сгорания процесс сгорания топлива осуществляется во внешней камере сгорания с последующей подачей продуктов сгорания в цилиндры двухтактной поршневой расширительной машины, где энергия расширяющихся продуктов сгорания преобразуется в механическую энергию вращения вала.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сущность изобретения поясняется описанием принципа действия поршневого двигателя с внешней камерой сгорания.
В состав двигателя входят (см. чертеж): 1 - камера сгорания, 2 - форсунка, 3 - свеча зажигания, 4 - газорапределительный клапан, 5 - силовой поршень, 6 - кривошипно-шатунный механизм силового поршня, 7 - соединительный вал, 8 - кривошипно-шатунный механизм поршня компрессора, 9 - поршень компрессора, 10 - перепускной клапан, 11 - пневмоаккумулятор, 12 - маховик, 13 - клапан впуска воздуха, 14 - выпускной канал, 15 - вал отбора мощности.
При пуске двигателя в камеру сгорания 1 форсункой 2 подается топливо и воспламеняется свечой зажигания 3. Продукты сгорания из камеры сгорания 1 через газораспределительный клапан 4 (клапан находится в правом крайнем положении) поступают в надпоршневую полость силового поршня 5. Здесь расширяющиеся продукты сгорания воздействуют на силовой поршень 5, и он начинает движение вниз. Поступательное движение поршня 5 кривошипно-шатунным механизмом 6 преобразуется во вращательное движение соединительного вала 7, которое передается кривошипно-шатунному механизму компрессора 8 таким образом, что поршень компрессора 9 движется вверх. Сжимаемый в надпоршневой полости поршня компрессора 9 воздух через открытый перепускной клапан 10 поступает в камеру сгорания 1 и пневмоаккумулятор 11, пополняя расход кислорода воздуха в камере сгорания 1 в процессе горения топлива и заряжая пневмоаккумулятор 11. После того как силовой поршень 5 окажется в нижней мертвой точке, а поршень компрессора 9 в верхней мертвой точке, кинетическая энергия маховика 12 меняет направление движения обоих поршней. Перепускной клапан 10 закрывается, а клапан впуска воздуха 13 открывается, и воздух из атмосферы поступает в надпоршневую полость поршня компрессора 9. Одновременно газораспределительный клапан 4 переводится в левое крайнее положение и отработавшие продукты сгорания по выпускному каналу 14 выбрасываются в атмосферу. В течение этого такта процесс сгорания в камере сгорания 1 поддерживается поступающим из пневмоаккумулятора 11 воздухом. В конце такта газораспределительный клапан 4 снова переводится в левое положение, перепускной клапан 10 и клапан впуска воздуха 13 приходят в исходные положения, и начинается очередной рабочий такт. Площадь силового поршня 5 больше площади поршня компрессора 9, и поэтому давление воздуха на входе в камеру сгорания 1 больше, чем давление продуктов сгорания на ее выходе, чем и обеспечивается работоспособность двигателя. Энергия на валу отбора мощности 15 определяется разностью среднего давления продуктов сгорания в надпоршневой полости силового поршня 5 и среднего давления воздуха в надпоршневой полости поршня компрессора 9.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поршневой двигатель с внешней камерой сгорания, содержащий внешнюю камеру сгорания с форсункой и свечой зажигания, газораспределительный клапан, перепускной клапан и клапан впуска воздуха, силовой поршень и поршень компрессора с кривошипно-шатунными механизмами, соединительный вал, маховик и вал отбора мощности, при этом процесс преобразования химической энергии топлива в механическую энергию разделен на процесс сгорания топлива во внешней камере сгорания и на процесс расширения продуктов сгорания в цилиндре поршневой расширительной машины, отличающийся тем, что двигатель снабжен пневмоаккумулятором, воздух в который поступает из надпоршневой полости компрессора и который пополняет воздухом внешнюю камеру сгорания в процессе горения топлива.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Поршневой двигатель с внешней камерой сгорания предназначен для использования в качестве механического привода общего назначения, в том числе и как силовой агрегат транспортных средств всех назначений. Здесь рассматривался принцип действия двигателя с одним цилиндром силового поршня и одним цилиндром компрессора. Относительно устойчивый момент силы на валу отбора мощности обеспечивается в двигателе с двумя силовыми цилиндрами. При трех силовых цилиндрах и более возможно изменение направления вращения вала отбора мощности путем изменения порядка срабатывания газораспределительных клапанов в цилиндрах. Что касается равномерности подачи воздуха в камеру сгорания, то она обеспечивается оптимальным соотношением числа цилиндров компрессора и емкостью пневмоаккумулятора. Это соотношение имеет обратную зависимость. Чем больше емкость пневмоаккумулятора, тем меньше число цилиндров компрессора и наоборот. Двухтактность двигателя увеличивает его удельную мощность вдвое по сравнению с четырехтактным двигателем. Разделения процессов сгорания топлива и расширения продуктов сгорания обеспечивает многотопливность - можно применять любое моторное топливо как жидкое, так и газообразное, без переналадки топливной аппаратуры. Сгорание топлива происходит при стехиометрическом соотношении топливо-окислитель до конечных продуктов сгорания, не оставляя кислорода для образования оксидов азота. Кроме того, двигатель имеет благоприятную тяговую характеристику при использовании его в качестве силового агрегата автомобиля. Чем больше нагрузка на двигатель, тем, до определенных пределов, выше давление продуктов сгорания, и тем больше момент силы на валу. Требования к материалам и технологии не выходят за пределы современных требований.
ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
Чертеж. Принципиальная схема поршневого двигателя с внешней камерой сгорания.
1 - камера сгорания, 2 - форсунка, 3 - свеча зажигания, 4 - газораспределительный клапан, 5 - силовой поршень, 6 - кривошипно-шатунный механизм силового поршня, 7 - соединительный вал, 8 - кривошипно-шатунный механизм поршня компрессора, 9 - поршень компрессора, 10 - перепускной клапан, 11 - пневмоаккумулятор, 12 - маховик, 13 - клапан впуска воздуха, 14 - выпускной канал, 15 - вал отбора мощности.
Поршневой двигатель с внешней камерой сгорания, содержащий внешнюю камеру сгорания с форсункой и свечой зажигания, газораспределительный клапан, перепускной клапан и клапан впуска воздуха, силовой поршень и поршень компрессора с шатунно-кривошипными механизмами, соединительный вал, маховик и вал отбора мощности, при этом процесс преобразования химической энергии топлива в механическую энергию разделен на процесс сгорания топлива во внешней камере сгорания и на процесс расширения продуктов сгорания в цилиндре поршневой расширительной машины, отличающийся тем, что двигатель снабжен пневмоаккумулятором, воздух в который поступает из надпоршневой полости компрессора, и который пополняет воздухом внешнюю камеру сгорания в процессе горения.
www.findpatent.ru
