ABC ogrzewania. Układy skojarzone

zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfa zobacz pdfa 

Teoretyczny obieg Stirlinga, składa się naprzemiennie z dwóch przemian izochorycznych oraz dwóch przemian izotermicznych. Różnica w stosunku do obiegu Carnota polega więc na tym, że przemiany izentropowe (sprężania i rozprężania czynnika) z obiegu Carnota zastąpiono przemianami izochorycznymi. Podczas jednej z przemian izotermicznych do czynnika roboczego jest doprowadzane ciepło z górnego źródła, zaś podczas drugiej odprowadzane jest ciepło od czynnika roboczego do otoczenia. Natomiast podczas przemian izochorycznych wzajemnie wymieniane jest ciepło tzw. regeneracji wewnętrznej. Praca (bezwzględna) górnej przemiany izotermicznej (doprowadzania ciepła) jest większa od pracy uzyskiwanej podczas odprowadzania ciepła. Różnica tych prac stanowi właśnie pracę obiegu Stirlinga. Łatwo więc wykazać, że obieg porównawczy Stirlinga, realizowany pomiędzy takimi samymi temperaturami zewnętrznych źródeł ciepła, charakteryzuje się sprawnością identyczną jak obieg Carnota. W przeciwieństwie do obiegu Carnota obieg Stirlinga może być realizowany przy pomocy dowolnego czynnika gazowego. A zatem realizacja techniczna tego obiegu wydaje się łatwiejsza.

Aktualnie najpowszechniejszym zastosowaniem silnika Stirlinga są profesjonalne układy skojarzone (do równoczesnej produkcji ciepła i energii elektrycznej), czyli układy CHP, w małych aplikacjach (do ok. 75 kW mocy elektrycznej). Rozważa się także stosowanie tego silnika do wytwarzania energii elektrycznej przy wykorzystaniu geotermalnych źródeł energii. Wobec względnie niskiego poziomu temperatury wody geotermalnej nie można oczekiwać znacznej sprawności elektrycznej, ale dochodzi jeszcze dodatkowe wykorzystanie ciepłownicze wody geotermalnej. Chociaż głównym obszarem praktycznego stosowania silników Stirlinga wydaje się być energetyka (stacjonarne i przenośne generatory energii elektrycznej, zespoły skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej, systemy przetwarzania energii słonecznej), to jednak są również prowadzone prace nad zastosowaniem tych silników w przemyśle motoryzacyjnym oraz w transporcie morskim, a także w chłodnictwie (pompy ciepła i urządzenia chłodnicze). Silnie wydają się być zaawansowane prace nad zastosowaniem tych silników jako pomocniczych źródeł energii w systemach elektroenergetycznych pojazdów kosmicznych w oparciu o procesy rozpadu promieniotwórczego. Przykładowo można podać wartość sprawności obiegu Carnota (Stirlinga). Dla dwóch wybranych wartości temperatury górnego źródła 325 oraz 650oC oraz przy jednej i tej samej wartości temperatury dolnego źródła 30oC sprawność obiegu Carnota wynosi odpowiednio 0,5 oraz 0,67. Wartość 650oC jest zwykle skrajną wartością dla górnego źródła. Jednak dla konkretnych realizacji technicznych silników Stirlinga sprawność jest odpowiednio niższa. Zwykle jako górne źródło ciepła wykorzystuje się nośnik (np. spaliny) o temperaturze 250-300oC, przy której sprawność elektryczna (przy konwersji na energię elektryczną) sięga ok. 25-30%, zaś sprawność energetyczna (przy konwersji na energię elektryczną i ciepło) wynosi ok. 80-85%. Wskaźnikiem charakterystycznym dla tego silnika jest również ciężar jednostkowy wyrażony masą silnika odniesioną do jednostki mocy elektrycznej: 1,2-3,0 kg/kW. Jednak silnik ten posiada podstawową wadę, którą jest jednostkowy nakład inwestycyjny. Decydującym argumentem jest tu przede wszystkim konieczność zastosowania odpowiednich wymienników ciepła, dzięki którym jest możliwa współpraca silnika z zewnętrznymi źródłami ciepła. W dodatku, by uzyskać odpowiedni poziom sprawności konieczne jest zastosowanie wysokiej temperatury źródła górnego, a zatem w konsekwencji wprowadzenie drogich materiałów konstrukcyjnych. Innym istotnym czynnikiem zwiększającym koszt jest fakt, że w silniku Stirlinga wymagana moc chłodnicza układu odprowadzania ciepła jest średnio dwukrotnie większa niż w konwencjonalnych tłokowych silnikach spalinowych, w których ta część energii jest odprowadzana za pośrednictwem strumienia gorących spalin. Warto podkreślić, że górnym źródłem ciepła dla silnika Stirlinga może być fizyczna energia odpadowa w postaci ciepła odpadowego lub ciepło pochodzące z odnawialnych zasobów energii. Może być nim także ciepło pochodzące ze spalania np. biomasy lub biogazu. W tym ostatnim przypadku istnieje możliwość wykorzystania, jako paliwa, nawet takiego biogazu, który ze względu na niewielką zawartość metanu nie nadaje się jako paliwo do silnika tłokowego. Dlatego obecnie obserwuje się poważne zainteresowanie tego typu silnikami, szczególnie pod kątem wykorzystania ich w rozproszonych układach kogeneracyjnych (CHP), czyli dostarczających ciepło i energię elektryczną.

dr inż. Piotr Kubski

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij