Мала когенерація в приватному житловому секторі має великі перспективи з енергозбереження та економії енергоресурсів в масштабах всього суспільства. Застосування паропоршневих технологій в домашніх когенераційних установках має свої переваги і може стати основним напрямком у розвитку малої когенерації. У статті аналізується досвід розробок і впровадження у виробництво мікро-КДУ на парових двигунах в Росії і в світі на прикладах.

До огенерація - спільне виробництво теплової та електричної енергії - є найбільш економічним способом використання всієї енергії, що міститься в паливі. Як є «велика» когенерація в вигляді ТЕЦ в великих містах, так існує і «мала» когенерація в вигляді мікро-КДУ (когенераційні установки), що забезпечують приватні будинки електрикою і тепловою енергією для опалення та гарячого водопостачання. Відомі кілька основних типів мікро-КДУ, що розрізняються за способом перетворення газового палива в електричну енергію (КДУ для будинку на інших видах палива - пелетах, вугіллі, дровах і так далі - поки не створені). Це невеликі газопоршневі двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ), паливні комірки, двигуни Стірлінга і парові двигуни (останні два види можна об'єднати як двигуни зовнішнього згоряння). Незважаючи на те, що на сьогодні мікро-КДУ з паровим двигуном залишаються в статусі експериментальних розробок, потенційно вони мають безсумнівні переваги:

- можливість роботи практично на будь-якому згорає паливо, в тому числі на відходах і біопаливі;

- найбільш повне згорання палива (в порівнянні з ДВС) і, як наслідок, вкрай низькі викиди;

- низький шум (в порівнянні з ДВС);

- високий загальний ККД в режимі когенерації (тепло + електрика);

- низька вартість при масовому серійному виробництві.

З огляду на ці вагомі переваги, доведена до серійного виробництва паропоршневая мікро-КДУ може скласти гідну конкуренцію іншим типам КГУ і внести свій вклад в енергозбереження та економію ресурсів не тільки для окремого домогосподарства, а й усього суспільства.

Парові поршневі двигуни в когенерації

Застосування парових двигунів в когенераційних установках має давні традиції. Наприклад, в нашій країні в першій половині 20-го століття масово вироблялися так звані локомобілі для використання в районах з недостатнім забезпеченням електроенергією. Це були компактні енергоагрегатом на стаціонарному або колісному шасі, що мають в складі об'єднані в один блок паровий котел і паровий двигун, часто з електрогенератором. Як правило, вони працювали на вугіллі, дровах або сільськогосподарських відходах і застосовувалися для приводу механізмів або вироблення електроенергії. Крім того, залишкове тепло відпрацьованого пара використовувалося для опалення, гарячого водопостачання, сушки сільгосппродукції і т. Д. В СРСР таке поєднане виробництво і використання тепла і електрики називалося теплофікації, що по суті аналогічно сучасного поняття когенерації.

Для прикладу наведемо технічні дані типового малого локомобіля П-25 (рис. 1), серійно випускався Людиновського локомобільних заводом: потужність - 25 к.с., число обертів - 300 об / хв., Тиск пари - 12 атм., Температура пара 300 ° С, шасі - колісний причіп, вага - 4100 кг.

Рис. 1. Локомобіль П-25

Але з другої половини 20-го століття почалося масштабне освоєння нових родовищ нафти і вартість дизельного палива і бензину значно знизилася. Крім того, було освоєно масове виробництво дизельних і бензинових двигунів для приводів електрогенераторів і різних агрегатів, налагоджена доставка палива в найвіддаленіші райони країни. Виявилося, що в порівнянні з паровими двигунами ДВС менш материалоемки і мають більший ККД, паливо з нафти більш енергоємне і для нього простіше організувати логістику, ДВС легше автоматизувати і вбудувати в різну техніку. В результаті локомобілі економічно програли ДВС і їх виробництво було згорнуто.

З настанням 21 століття ситуація змінилася: з'явилися нові матеріали і технології обробки, автоматизація обладнання з застосуванням комп'ютерних технологій вийшла на новий рівень. Тепер з'явилися можливості розробити паровий двигун нового покоління, який зберіг би свої принципові переваги, а за основними технічними характеристиками вийшов би на рівень або наблизився до ДВС. Доказовим прикладом такого підходу став проект німецької компанії Spilling, яка розробила і виробляє парові поршневі машини, що працюють в режимі когенерації та видають від 100 до 1200 кВт електричної потужності.

Але найбільш актуальною сферою застосування подібного двигуна може стати мікро-КДУ для індивідуальних домогосподарств. Багато наукові колективи і промислові компанії по всьому світу ведуть розробки в області паропоршневих технологій і їх додатків до малої когенерації.

КГУ Lion Powerblock

Найбільш відомим прикладом використання парового двигуна в малій когенерації стала мікро-КДУ німецької фірми OTAG Vertribes під назвою Lion Powerblock (рис. 2). Установка була розроблена в 2000-х роках і випущена невеликою пілотної партією. На жаль, потім виробництво було припинено, але до сих пір в Європі можна знайти в продажу були в користуванні Lion Powerblock.

Рис. 2. КГУ lion-Powerblok

Конструктивно ця КГУ сильно відрізняється від традиційних підходів: в основі лежить двоциліндровий вільнопоршневий паровий двигун. Циліндри зорієнтовані опозитно в одну лінію і розгорнуті кришками назовні, через які надходить робоча пара. Усередині циліндрів зворотно-поступально рухається єдиний поршень. Поршень є блочну конструкцію разом з ротором лінійного електрогенератора. На корпусі циліндрів розташовані обмотки статора електрогенератора. В іншому установка більш традиційна: як джерело тепла використовується наддувних газовий пальник, в котлі застосовується сталевий змійовик, в якому вода нагрівається до пара з тиском 25-30 і температурою до 350 ° С.

КГУ Lion Powerblock працює наступним чином (рис. 3): в циліндри по черзі подається свіжий пар, поршень рухається разом з ротором, який, проходячи повз обмоток статора, збуджує в них електричний струм. Двигун - прямоточного типу, і поршень, доходячи до випускних вікон в циліндрі, відкриває вихід відпрацював пару в конденсаційний теплообмінник. В теплообміннику циркулює теплоносій з опалювальної системи будинку, нагріваючись від конденсується пара. Пар у вигляді конденсатной води знову подається в змійовик котла за допомогою водяного насоса.

Рис. 3. Схема КГУ lion-Powerblok: 1 - паровий двигун; 2 - паропровід; 3 - правий циліндр; 4 - испарительная трубка; 5 - пальник; 6 - електроживлення будинку;
7 - здвоєний поршень; 8 - теплообмінник; 9 - електрогенератор; 10 - лівий циліндр

Технічні дані КГУ Lion Powerblock: корпус - моноблок з габаритними розмірами 126 × 62 × 83 см. Паливо - природний газ, діапазони потужностей: електрична - від 0,2 до 3 кВт, теплова - від 2 до 16 кВт. Робоча частота: 40-75 Гц, або 2400-4500 рухів поршня в хвилину. Загальна вага - 160 кг. Робочий шум - 44 дБ. Вихідний струм перетвориться через інвертор і видається з напругою 230В частотою 50 Гц.

Деякий час тому повідомлялося, що готується до виробництва версія Lion Powerblock, що працює на пеллетах, але на сьогодні додаткової інформації немає.

Паровий двигун Cyclone

Американська компанія Cyclone Power Technologies розробляє багатообіцяючий проект - цілу лінійку парових двигунів під загальною назвою Cyclone, потужністю від одиниць до сотень кіловат. Компанія-розробник заявляє про багатьох областях застосування своїх двигунів: електрогенерація на спалюваному паливі, транспорт, військова техніка і навіть сонячні електростанції, але когенераційних установок серед них немає. Проте цей проект знаходиться на стадії випробувань прототипів і навіть, як заявляє Cyclone Power Technologies, виготовлення малих партій дослідних зразків для тестування замовниками. Якщо проект виявиться успішним, то при необхідності готовий невеликий двигун серії Cyclone (як і будь-який інший паровий двигун) можна буде адаптувати під мікро-КДУ без особливих технічних проблем.

Рис. 4. Паровий двигун Cyclone

Всі двигуни Cyclone (рис. 4) мають загальну конструкцію - це багатоциліндровий прямоточний паровий двигун з зіркоподібним розташуванням циліндрів на загальному валу. Всі складові елементи - сам двигун, пальники з наддувом, камери згоряння з водяними трубками, конденсаційні камери і водяний насос - зібрані в єдиний інтегрований блок. На відміну від звичайного парового котла, в Cyclone вода в трубках нагрівається до суперкритичного стану, впорскується в циліндри і вже в них закипає, перетворюючись на пару. Впорскування відбувається за допомогою клапанів, керованих регульованим кулачковим механізмом, що приводиться від колінчастого вала. Ще одна відмінність Cyclone від інших парових двигунів - в конденсаційних камерах. У них немає теплообмінників, а відпрацьована пара, що вийшов з циліндрів, циркулює всередині камер і конденсується на їх стінках складної форми. Ці стінки для охолодження обдуваются зовнішнім повітрям за допомогою вентилятора. Далі конденсатна вода подається живильним насосом для повторного використання в двигуні. Ще одна інновація Cyclone - розвинена термічна регенерація: це нагрів як зовнішнього повітря, що забирається для горіння палива, так і води, що подається живильним насосом в водяні трубки камери згоряння - все за рахунок тепла, що виробляється двигуном в процесі роботи. Повітря нагрівається, проходячи через конденсаційні камери і повз вихлопних труб спеціальної форми. Вода підігрівається, циркулюючи по змеевикам, загорнутим навколо кожного циліндра.

Інформації про технічні дані Cyclone мало і вона сильно відрізняється в залежності від версії двигуна. Наведемо найбільш повні дані, опубліковані на електронному ресурсі (Cyclone Waste Heat Engine Specification / Cyclone Power Technologies, Inc. // URL: https://web.archive.org/web/ https://web.archive.org/web/ /http://www.cyclonepower.com/PDF/WHE_Spec_Sheet.pdf) для однієї з версій під назвою Cyclone Waste Heat Engine (WHE-25): кількість циліндрів - 6; робочий об'єм (загальний) - 0,406 л; кількість обертів - від 50 до 3000 об / хв .; робочий тиск - від 1,7 до 14 бар; потужність - 11,8 кВт при 3000 об / хв., тиск 14 бар і температурі 315 ° С.

На даний момент підтверджених звісток про серійне виробництво двигунів Cyclone поки немає.

Розробки «Промтеплоенергетікі»

У Росії також проводяться розробки по застосуванню парових поршневих машин в малій когенерації. У Москві науковою групою (далі НГ) «Промтеплоенергетіка» ведуться як теоретичні, так і експериментальні дослідження в цій області, розробляються і тестуються дослідні зразки парових двигунів. Базова ідея, що лежить в основі цих розробок, - паровий двигун для мікро-КДУ необхідно робити на основі існуючих серійних двигунів внутрішнього згоряння. Так, наприклад, ще в 2004 р групою був створений і випробуваний паровий двигун на базі ДВС УД-2М. Початково це був одноциліндровий бензиновий 4-тактний двигун з робочим об'ємом 600 см3. Після конверсії в парову машину до двигуна був приєднаний асинхронний електрогенератор. На випробуваннях була отримана електрична потужність 2.18 кВт при тиску насиченої пари 8,2 кг / см2 на оборотах 1400 об / хв. ( «Удосконалення систем енергопостачання в газифікованих регіонах Росії на базі поршневих технологій»: Дис. Канд. Техн. Наук: 05.14.01 / Дубінін Володимир Сергійович, НДУ «МЕІ». - М., 2013. - 242 с.). Також велися роботи по конверсії в парові машини автомобільних двигунів ВАЗ-2103 і ЗМЗ-402.

Рис. 5. Паровий мотор з газодинамічними пристроєм: 1 - сопло; 2 -випускное вікно; 3 - двигун

Одне з відмінних нововведень, які застосовуються НГ в своїх парових двигунах - газодинамічне пристрій для впуску пари в циліндр (рис. 5), запатентований як винахід. Пристрій являє собою звужується сопло в кришці циліндра, через яке надходить свіжий пар в двигун. Випуск відпрацьованої пари відбувається через випускні вікна в стінках циліндра, утворюючи прямоточну схему роботи двигуна. Тиск свіжої пари завжди більше тиску всередині циліндра, що забезпечує постійну подачу пара до поршня і безперервний рух поршня разом з шатуном і коленвалом. Запропонований пристрій дозволяє відмовитися від складних органів паророзподілу, таких як золотники і клапани, а значить, спростити і здешевити сам двигун і знизити втрати потужності на роботу органів паророзподілу.

НГ продовжує вести роботи над створенням паропоршневой КГУ і планує провести випробування одного зі своїх парових двигунів, використовуючи пар, що виробляється діючої місцевої котельні.

Когенераційна установка «КРОПАТ»

Автором статті з 2013 р ведеться розробка газової когенераційної установки з паровим двигуном, призначеної для забезпечення індивідуальних будинків електроенергією і теплом для опалення та ГВП. Цей проект отримав назву «КРОПАТ», і до теперішнього часу (вересень 2017 г.) зібраний прототип КГУ і випробуваний в тестовому режимі (Карпачова А. М. ТЕЦ на вашій кухні // Техника - молодежи. - 2017. - №10. - С. 14-15).

Рис. 6. Прототип КГУ «КРОПАТ»

По конструкції прототип КГУ «КРОПАТ» (рис. 6) являє собою єдиний агрегат, зібраний на алюмінієвому каркасі розміром 140 × 70 × 190 см (Ш × Г × В). До складу КДУ входять: прямоточний паровий котел, паровий двигун, асинхронний електрогенератор, конденсаційний блок, водяний бак, пітаюшій насос, парова і водяна арматура і система управління. Паровий котел складається з сталевого корпусу, газового пальника і змійовика з мідних трубок. Паровий двигун є переробкою двотактного одноциліндрового бензинового двигуна об'ємом 250 куб. см. Подача пара здійснюється через золотник в кришці циліндра, а випуск - через випускні вікна в стінках циліндра, утворюючи прямоточну схему роботи двигуна. Електрогенератор зроблений з трифазного асинхронного електродвигуна шляхом підключення блоків конденсаторів паралельно висновків кожної фази. Конденсаційний блок складається з трьох теплообмінників «пар-вода», кожен з яких укладено в окремий корпус. Водяний живильний насос - електричний, забезпечує високий тиск для подачі конденсатной води з бака в котел. У систему управління входять: мікрокомп'ютер «Ардуіно» з дисплеєм, датчики тиску і температури пари, датчики рівня води в баку, реле підключення електричного навантаження.

Схема прототипу КГУ «КРОПАТ» приведена на (рис. 7). Знімання тепла з теплообмінників «пар-вода» відбувається за допомогою води, що циркулює через них і зовнішній повітряний теплообмінник. Цей теплообмінник розсіює тепло в атмосферу за допомогою вентилятора, що проганяє через нього зовнішнє повітря.

Рис. 7. Принципова схема прототипу КГУ «КРОПАТ»

Демонстрація роботи (офіційний веб-сайт проекту «КРОПАТ». 2017 // URL: https://www.kropat.ru/video) і випробування прототипу проводилися на зрідженому газі, що надходить з побутового газового балону. Після запуску і виходу на робочий режим, система управління підключила електричне навантаження у вигляді шести лампочок розжарювання по 100 Вт. Випробування велися на насиченому парі з тиском 12 атм і температурою 190 ° С. Виміряні дані по електричним параметрам показали потужність, що досягає 300 Вт при оборотах двигуна 450 об / хв. Прототип показав стійку безперебійну роботу протягом 2 ч до закінчення з балона залишився газу.

Після успішно проведених випробувань розпочато наступний етап - доопрацювання прототипу до заданих проектом робочих параметрів КДУ: від 1,5 до 2,5 кВт по електричної потужності і від 10 до 25 кВт з теплової потужності.

Можна зробити висновок, що паропоршневие технології є перспективним напрямком у справі створення практичного та економічного КГУ для приватного використання. Приклади досліджень і впровадження у виробництво демонструють, що фахівці і компанії з різних країн бачать великі можливості в цьому напрямку і вкладають чимало сил і коштів в розвиток сучасних технологій застосування пара в малій когенерації. Практика показує, що на шляху до мікро-КДУ на паровому двигуні залишається чимало труднощів як технічного, так і економічного характеру. Але залишається безсумнівним, що при спільних зусиллях всіх зацікавлених сторін з наукових, промислових і державних сфер всі ці перешкоди можна подолати і споживач отримає недорогий і ефективний домашній джерело тепла і електрики.

Стаття з журналу "Аква-Терм" №6 / 2017

Опубліковано: 19 червня 2018 р

Повернутися назад