Портал по тригенерации, когенерации и мини-ТЭЦ

Паросиловая установка (локомобиль), не подлежащая регистрации в органах ГОСГОРТЕХНАДЗОРа с топкой кипящего слоя на древесных отходах

Международная научно- практическая конференция « Малая энергетика-2005»

Беляев А.А., Московский энергетический институт (ТУ), Москва, Россия

Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Першин Л.И., Титов Д.П., Московский авиационный институт (ГТУ), Москва, Россия

До середины прошлого века в сельском хозяйстве и леспромхозах широко применялись локомобили [1,2]. Это устройство представляет собой паровую машину, смонтированную на паровом котле, которая может приводить электрогенератор или другие агрегаты. Такой локомобиль можно было транспортировать как прицеп. Главным преимуществом локомобиля была его работа на местном топливе: солома, отходы древесины, торф. В связи с полной электрификацией и низкой стоимостью электроэнергии и дизтоплива в бывшем СССР локомобили перестали применяться и выпускаться. Сейчас во многих сельхозпредприятиях России дойка коров осуществляется с помощью трактора, приводя от вала отбора мощности доильный вакуум-насос. В леспромхозах работают дизельгенераторы, дизельное топливо для которых дорого с учетом его перевозки, а древесные отходы гниют на делянках. Поэтому локомобиль вновь стал актуален. Его недостатком является громоздкость и необходимость регистрации котла в органах Госгортехнадзора. Низкое давление в котле (до 15 кг/см2) приводит к большому расходу топлива, что увеличивает затраты по его сбору. Эти недостатки обусловлены тем, что в классических локомобилях использована технология XIX века (клепаный котел, низкооборотная паровая машина, 120 об/мин, для работы которой с современным электрогенератором 1500-3000 об/мин, нужен мультипликатор). Поэтому мы считаем нецелесообразными попытки восстановить производство таких локомобилей в XXI веке.

В МАИ работы над легкими высокооборотными паровыми машинами и паровыми котлами начались в 30-е годы прошлого века, применительно к созданию паросиловой установки самолета. Экспериментальный образец испытывался как паросиловая установка катера [3]. Работы прервались в связи с гибелью сотрудников этой научной группы в 19-й дивизии народного ополчения г. Москвы. С конца 60-х годов прошлого века в МАИ начались работы по паровым машинам, работающим на пороховых газах, для бортовой энергетики летательных аппаратов [4,5,6]. В начале 90-х годов прошлого века в МАИ возобновились работы по паросиловой установке самолета в связи с потерей силы постановления ЦК КПСС 1955 г., запрещавшего такие работы. Работы велись в рамках курсового и дипломного проектирования. Опираясь на эти работы и работы научной группы МАИ «Промтеплоэнергетика» в области паровых машин для котельных, стало возможным создать высокооборотную паровую машину на высокие параметры пара с высоким КПД (25% и более). В целях снижения стоимости такая паровая машина может быть создана на базе устаревших нижнеклапанных бензиновых двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Подтверждающие это эксперименты были проведены с ДВС УД-2М (рабочий объём 600 см3, n=3000 об/мин). Мотор является нижнеклапанным, изменению подверглись лишь не содержащие подвижных деталей головки а так же распредвал. Оба клапана в результате становятся выпускными, а впуском управляет газодинамическое устройство, являющейся при этом головкой цилиндра.

Эксперименты проводились пока с рабочими телами низких параметров, их результаты приведены в таблицах №1 №2.

Как видим из таблиц №1 и №2 на столь низких параметрах рабочего тела получаем достаточно высокую частоту вращения 1250-2580 об/мин и электрическую мощность практически такую же какой обладает электростанция на базе этого

бензинового двигателя (АБ-4, Nэл=4 кВт). Следует сказать, что на сегодня мы не знаем точно, почему упала мощность в 2004 году по сравнению с 1997 годом, так как экспериментальные данные, полученные при переделке бензодвигателя ЗМЗ-402 в ППД в 1998 году показали существенный рост мощности при переходе с воздуха на пар того же давления. Одной из наиболее вероятных причин было повышение температуры смазочного масла при переходе от воздуха к пару (при работе на воздухе выхлопной патрубок покрывался инеем). Падение мощности в 2004 году может быть вызвано заменой головок цилиндров, которые обеспечивают внутрицилиндровую сепарацию пара для уменьшения попадания воды в картер. Так же падение мощности могли вызвать иные фазы парораспределения (другой распре двал). Причина будет установлена в процессе дальнейших испытаний, которые прервались в 2004 году в связи с организационными трудностями. Сейчас ищем паровую котельную, где можно было бы продолжить испытания.

Что касается воды в масле, то она была. Осуществлялся подбор масла и режимов работы двигателя. В результате наработка до смены масла стала более 1 часа. В дальнейшем предстоит одним из четырех известных нам способов доработать систему смазки, что обеспечит безостановочную работу двигателя весь в течении 6 месяцев и более.

В настоящее время проектируется прямоточный паровой котел, не подлежащий учету в органах котлонадзора согласно последней редакции [7], в связи с объемом парового пространства менее 1 литра и произведением давления на объем менее 20 л× кг/см2. Максимальное давление в этом котле - 39 кг/см, а площадь обогреваемой поверхности - около 0,4м2. Известен прямоточный паровой котел ППК-700 паропроизводительностью 700 кг пара в час. Площадь его поверхности нагрева - 11,3 м2 [8]. Можно предположить, что проектируемый котел будет иметь паропроизводительность с классической топкой, равную 700*0,4/11,3=24,8 кг пара в час.

Это соответствует тепловой мощности котла всего лишь 19,6 кВт. При КПД паросиловой установки в 25% это означает электрическую мощность только 4,8 кВт.

При использовании слоевого сжигания низкокалорийного топлива типа древесных отходов тепловая и электрическая мощность будут еще меньше. Поэтому необходимо увеличивать коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к поверхности нагрева такого котла. Одним из вариантов является применение топки кипящего слоя с погружением тепловоспринимающих поверхностей в кипящий слой. В [9] указывалось, что такое техническое решение имеет недостаток: горящие частицы гаснут при соприкосновении с относительно холодными поверхностями нагрева, в результате - недожог. Для случая высокореакционного топлива типа древесных отходов, газификация которого начинается при относительно низких температурах, этот недостаток преодолевается. Произведем ориентировочную оценку тепловой и электрической мощности предлагаемой паросиловой установки.

Коэффициент теплоотдачи в кипящем слое α=400 Вт/(м2×град)=0,4кВт/(м2×град) [10]. Температура воды-пара в прямоточном котле меняется от 100˚С до 420˚С при этом температура внешней стенки поверхности нагрева не будет превышать 500˚С. Ориентировочная средняя температура стенки 300˚С, при температуре кипящего слоя 900˚С имеем разность температур ∆t=900-300=600˚С. Плотность потока тепловой энергии q составит:

q=α×∆t при площади обогреваемой поверхности предполагаемого котла (включая экомайзер) 0,4 м2 имеем тепловую мощность котла 240×0,4=96 кВт. При КПД паросиловой установки 0,25 получаем электрическую мощность 96×0,25=24 кВт.

Литература.

  1. Еленев А.В. Краткий справочник по сельхозмашинам. Сельхозиз, 1957г.
  2. Машины и орудия для лесохозяйственных работ (справочник). Москва, 1958г.
  3. Дузь П. Паровой двигатель в авиации. НКАП СССР. Государственное издательство оборонной промышленности, 1939г.
  4. Дубинин В.С. Вопросы микроэнергетики летательных аппаратов. В книге «Гагаринские научные чтения по авиации и космонавтике, 1981 год». М.: Наука, 1983.
  5. Квачев В.Н. Исследования характеристик поршневой расширительной машины.// в кн.: Конструкция двигателей летательных аппаратов, их прочность и надежность. Тематический сборник научных трудов. Москва. Издательство МАИ, 1991 г.
  6. Ульянов И.Е., Дубинин В.С., Квачев В.Н., Головченко Ю.А., Лаврухин К.М. Способ работы поршневого двигателя и поршневой двигатель. Авт. свид. № 1753001 А1, приор 19.07.89, опубл. 07.08.92 Бюл. № 29.
  7. Правила устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов. Санкт-Петербург 2000. Издательство ДЕАН.
  8. Роддатис К.Ф, Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. М. Энергоатомиздат 1989.
  9. Беляев А.А. Сжигание высокозольного топлива и возможность его использования на ТЭС.//Химия твердого топлива 2005 № 1.
  10. Матур К., Эпстайн Н. Фонтанирующий слой. Л. Химия 1978 г.