Duminică 19 Mai 2019

Energetica alternativă şi motoarele Stirling

În ultimii 3 ani compania noastră se ocupă activ de elaborări ce ţin de energetica alternativă şi una din direcţiile prioritare este elaborarea unor dispozitive mecanice, care ar transforma energia termică din exterior în energia mecanică. Ulterior energia mecanică este conversată în energia electrică cu ajutorul unui generator ţi livrată comsumatorului.

Republica Moldova preponderent este o ţară agrară ce presupune un volum mare de deşeuri ale produselor agricole, care dacă sunt utilizate parţial. La vederea noastră tehnologiile prioritate ar fi acelea, care permit folosirea energiei termice de ardere a acestor deşeuri pentru fabricarea nu numai a energiei termice, dar şi a  energiei electrice.

În Republica Moldova există un şir de proiecte, implimentate de obicei cu ajutorul organizatiilor Internaţionale, care folosesc de obicei piletele – deşeurile prelucrate a paielor de grîu, poromb, lemn e.t.c. În aşa proiecte preponderent se fabrică numai energia termică.

După o analiză minuţioasă în calitate de maşina mecanică, ce transformă energia termică externă în energia mecanică de rotire a fost aleasă motorul (maşina) Stirling.

stirling structuralDate istorice.  

Acest motor a fost inventat de pastorul scoţian Stirling in anul 1816, iar în anul 1817 a fost prmit brevetul. Maşina reprezenta atunci un dispozitiv cu greutatea mai mare de o tonă, puterea mai mică de un cal putere, iar randamentul mecanic mai mic de 3%. Maşina era de tip deschis (nu era ermetizată) şi nu avea regenerator. Prioritate ei in schimb era a ceea, ca putea fi confecţionată în orice ferărie sătească, iar presiunea din năuntru era de o atmosferă.

E de mireare acel fapt, că ciclul Carno, care descrie procesele termice, a fost descoperit în anul 1825, adicălea peste 9 ani dupa inventarea maşinii Stirling.

Acest fapt vorbeşte despre genialitatea inventatorului, care pur intuitiv şia construit maşina după multe experienţe cu delatarea şi comprimarea gazelor. Ulterior Stirling a ăntrodus ăn construcţia maşinii regeneratorul, iar construcţia a devenit ermetică. Regeneratorul permitea acumularea şi generarea energiei termice în diferite ciclururi de lucru a maşinii. Pînă la finele veacului XIX au fost fabricate mai mult de 1000 de maşini, care au fost livrate preponderent în colonii (SUA). Unele funcţioneaza pînă în zilele de azi. Greutatea a devenit mică, iar randamentul efectiv sa ridicat pînă la 10%. Maşina Stirling a fost scoasă de pe piaţă de concurenţii cu masa şi gabarite mai mici: maşina cu abur, turbina cu abur, motor cu ardere inernă şi motorul Dezel. Aceste maşini datorită presiunilor sporite din cilindrul de lucru aveau greitate şi gabarite mai mici la aceeaşi putere.

Cum funcţioneaza maşina Stirling?

 În UINTERNET există multp înformaţie despre principiul de lucru şi tipurile maşinilor Stirling. Dacă sa descriem pe scurt principiul de lucru se poate spune că în decurs de 4 cicluri are loc delatarea şi comprimarea gazelor în cilindri, al caror număr diferă de la unu pînă la zece şi mai mult, cu încălzirea unora şi răcirea altora. Regeneratorul serveşte pentru acumularea energiei termice a gazelor, ce se scurg din cilindrul ferbinte şi întoarcerea energiei termice acumulate catre gazele, ce se mişcă în direcţie opusă – din cilindrul rece. Eficacitatea regeneratorului este esenţială pentru efixcacitatea generală a măşinii Stirling..

Priorităşile Maşinii Stirling:

- aceasztă maşină este universală în ceea ce priveşte combustibilul, deoarece este „maşină cu ardere externă”,

- în această maşină nu se foloseşte nici o supapă,

- toate procesele au loc lent, fara explozii şi zgomot,

- numărul de piese şi noduri e de cel puţin 1,5-2,0 ori mai mic decît la maşinile mecanice de alt tip,

- randamentul maşinilor Stirling sofisticate este de (32-34)% şi depaşeşte randamentul maşinilor cu ardere internă (25%) şi a celor dizel (32%) 

Neajunsurile maşinilor Stirling: 

- pentru a avea parametrii buni de greutate şi gabarit este necesar de folosit gazul din conturul intern cu presiunea normală mai mare de 200 Bar,

- folosirea etanşăriloe ce funcţionează fără ulei,

- construcţia sofisticată a regeneratorului,

- construcţia sofisticată a schimbătoatrelor de căldură în încălzitor şi răcitor,

- sistemul de răcire trebuie să conţină un radiator efiicaci,

- absenţa unor modele matematice de calcul. 

Ce tipuri de maşini există? 

Clasificarea ma;inilor Stirling dup[ tip, agentului de lucru folosit, construc’ie este foarte ramificat[ ;i este detaliat descrisă in INTERNET. Reeşind din căt de compusă este maşina, randament, gazul folosit şi preţ, noi am clasuficat la general axeste maşini după trei tipuri:

PRIMUL, sofisticat. Se foloseşte sub presiunea 200 bar heliul ori hidrigenul în calitate de gaz, are in construcţie neapărat regeneratorul. Randamentu acestor maşini întrece 30% în schimb costul este mare, iar pentru fabricarea lor este necesar de tehnologii avansate şi folosirea celor mai noi materiale de etanţare,

DOI, mediu. În calitate de gaz se foloseşte aerul ori azotul sub presiunea pînă la 10 bar, are regenerator. Randamentul rar depăşeşte 20% , în schimb costul si simplitatea axcestor masini sănt bune.

TREI, simple. Se foloseşte aerul sb presiunea 1 bar, regeneratorul lipseşte. Cost mic, foarte simplu în producere. Randamentul rar depăşeşte 4%. În calitate de maşină îndustrilă ni se foloseşte, numai ca mostră demonstraţională.stirling-2

 

Mersul lucrărilor

Pentru a întra în esenţă au fost fabricate 2 maşini Stirling de tipul TREI, aducă fară regenerator, cu presiunea un bar şi aer în calitate de gaz de lucri. Au fost executate în metal maşini de tip GAMMA şi BETA. Cu ajutorul acestora sua făcut teste şi sa eleborat metodologia măsurărilor a puterii mecanice de pe ax şi a randamentului..

Astăzi se fac teste asupra nodurilor aparte – regenerator. Schimbătoare de căldură şi etanşări. Scopul acestor lucrări este optimizarea acestor noduri, care ulterior se vor folosi în maşina de tipul DOI. 

stirling-1

 

Alegerea noastră.

Reeşind din posibilităţile noastre, a posibilităţilor tehnologice a strungurilor ce sunt la uzinele moldoveneşti, calificării şi experienţii de lucru a specialiştilor de pe loc, am ales maşina Stirling de tipul DOI, adică care lucrează la presiunea 10 bar, cu regenerator şi aer ori azot în calitate de gaz. Am ales acest tip, deoarece ne permite să prioectam o maşină reala şi fiabilă, cu un resurs de lucru preconizat mare şi preţ mic. Consumatorul nu trebuie sa aibă calificare înalta pentru a administra această tehnologie, iar avarierea maşinii nu trebuie să aducă la explozii ori alte situaţii excepţionale.

 

DE CE MAŞINA DE TIPUL DOI? 

Un simplu calcul arată că pentru folosirea maşinii Stirling în condiţiile rurale nu este necesar de un randament mecanic ridicat. Şi iată de ce... Presupunem că randamentul maşinii Stirling este de 15%. Despre ce aceasta vorbeşte ? Că 15% din energia termică depusă la parte ferbinte va fi transformată în mişcrea mecanică a axului (pe care este amplasat generatorul), iar 85% vor fi scoase din maşină în calitate de căldură prin sistemul de răcire (de obicei se foloseşte apa). În aşa mod calculul arată că maşina ce fabrică 1,5kW de energie mecanică degajă 8,5 kW de energie termică cu temperatura (70-90)°С. Dacă randamentul maşinii este de 10% atunci la 1,0kW de energie mecanică se degajă 9,0 kW de energie termică.

 

Exemple de aplicare

În Republica Moldova în fiecare an se cultivă de la 0,5 pînă la 1,0 mln tone de grîu. Cu se ştie tot aşa cantitate de paie raţin după ce grînele sunt strînse.

Capacitatea energetică a grînelor este aproximativ (0,6-0,7)din capacitatea energetică a cărbunelui de calitate medie, care se foloseşte pentru încălzirea caselor pe timp de iarnă, ceea ce înseamna ca, capacitatea energetică a deşeurilor (pailelor) este echivalentă cu 300 mii tone de cărbune... şi asta în cel mai rău an, cănd se strănge minimum de grîne. Pentru a încălzi o casă în mediu este necesar de (1,0-1,2) tone de cărbune pe an, ce la numărul de gospăodării săteşti aproximativ de 300 de mii, vorbeşte că pentru a încălzi toate casele din satele Moldovei este necesar de (300-360) mii tone de cărbune.

Conclizii

Dacă toate paiele, care rămîn pe cîmpiile Moldovei, să le folosim pentru încălzire şi fabricarea energiei electrice prin tehnologia cu folosirea maşinii Stirling,  atunci această cantitate de paie ar fi de ajuns pentru a indestula casele rurale nu numai cu căldură, dar şi cu energie electrică pe timp de iarnă. Maşini stirling, fiind „maşină cu ardere externă” şi randament relativ mare, este ideală pentru aşa ţel.

* fără de a lua in considerare randamentul transformării energia mecanica/ energia electrică.

SC ЭНЕРГИЯ  - marcă comercială a companiei "SINCOS-PLUS" SRL