Регистрация / Вход
Прислать материал

Генератор для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии на базе карбюраторного ДВС с воздушным охлаждением

Сведения об участнике
ФИО
Синельников Денис Сергеевич
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский государственный технический университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Машиностроение. Энергетика
Раздел области наук
Энергоэффективное производство и преобразование энергии на органическом топливе
Тема
Генератор для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии на базе карбюраторного ДВС с воздушным охлаждением
Резюме
В работе рассмотрены возможности работы генераторов электрического тока на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с воздушным охлаждением в условиях когенерации, когда с отпуском электроэнергии обеспечивают отпуск теплоты в различных вариантах. Такие установки, как правило, выполняются на основе карбюраторных двигателей внутреннего сгорания (то есть в качестве топлива используют бензин), могут применяться в быту профессиональными строителями, геологами, военными и спасателями в зоне чрезвычайных ситуаций, на территориях с отсутствием инфраструктуры. В основе установки использован бензогенератор Хитачи-2400 с воздушным охлаждением, мощностью 2,4 кВт.
Ключевые слова
микро-ТЭС, когенерация, двигатель внутреннего сгорания, воздушное охлаждение, тепловая пушка, методика, коэффициент полезного действия.
Цели и задачи
Целью работы является разработка микро-ТЭС на базе ДВС с воздушным охлаждением и когенерацией для решения проблемы энергообеспечения в районах с отсутствием инфраструктуры, а так же зонах чрезвычайных ситуаций.
При проведении данной работы, мы определили следующие задачи:
1) Разработка технологии микро-ТЭС на базе карбюраторных ДВС с воздушным охлаждением и когенерацией в виде нагретого воздушного потока;
2) Разработка методики исследования;
3) Создание экспериментальной когенерационной установки;
4) Проведение экспериментов по выявлению потенциала повышения коэффициента использования топлива;
5) Сопоставление результатов исследования с известными техническими решениями;
6) Технико-экономическая оценка технического решения;
Введение

Развитие энергетики сегодня обеспечивается, в том числе, развитием малой генерации. Одним из вариантов развития мини- и микро-ТЭС являются когенрационные энергетические установки на базе двигателей внутреннего сгорания с воздушным охлаждением. Такие ДВС часто используют для привода генераторов электрического тока в микроэнергетических установках (микро-ТЭС) мощностью от 0,8 до 15 кВт. Для них различают двигатели карбюраторные и газопоршневые.Годовой совокупный объем рынка для России с учетом данных можно оценить в 18-24 млрд. руб. и прогнозируется его рост.Такие установки применяются в любое время года в зонах с отсутствием инфраструктуры и чрезвычайных ситуаций.

Методы и материалы

В ходе работы были использованы следующие методы исследования: 1) Анализ технической литературы и изученияе существующих технологий (в том числе рынка продукции) по повышению эффективности карбюраторных ДВС с воздушным охлаждением; 2) Классификация полученных данных; 3) Использовались методы статистики для получения медианы соотношения мощности существующих установок к их стоимости; 4) При помощи дедуктивного метода были определены материалы для проведения натурного эксперимента; 5) Метод эксперимента; 6) Метод моделирования для построения как математической модели, так и 3D модели когенерационной установки для исследования её свойств; 7) Технико-экономические показатели определялись через затратный механизм; 8. Сранение установок представленных на рынке, а так же предлагаемой экспериментальной установки.

При проведении исследования были исспользованы следующие материалы: 1) Карбюраторный бензогенератор на базе ДВС с воздушным охлаждением; 2) Хромель-алюмелевые термопары; 3) Пирометр; 4) Мультиметр; 5) Авторский прибор для измерения скорости перемещения воздуха; 6) Водо-водяной теплообменный аппарат; 7) Газо-воздушный теплообменный аппарат.

Описание и обсуждение результатов

В процессе работы были получены следующие результаты: 1) Разработано техническое предложение по повышению эффективности бензогенератора за счет воздуха охлаждающего блок цилиндров и энергии преобразованной в газо-газовом теплообменнике; 2) Разработана методика исследования; 3) Проведено сравнение с альтернативными способами обеспечения тепловой энергией; 4) Оценена экономическая эффективность использования ДВС с воздушным охлаждением с когенерацией. 5) Показано, что внедрение газо-газового теплообменника экономически оправдано.

А так же, показано, что при когенерации коэффициент использования теплоты топлива увеличивается в 2,5-4 раза; при увеличении отпуска теплоты мощность собственных нужд растет, что снижает КПД НЕТТО на 17%, однако при этом коэффициент использования топлива растет на 21%; установка с воздушным охлаждением и когенерацией по меньшей мере сопоставима с альтернативными вариантами уже при 500 ч работы в год.

Расход топлива во всех случаях неизменен и не превышает 700 г/час на нагрузках близких к номинальным, что соответствует ~500 г.у.т/кВт×ч отпускаемой электроэнергии. Отпуск теплоты в предложенном подходе является "даровым".

Несложные расчеты показывают, что при увеличении числа часов работы в два раза и повышении коэффициента использования топлива до »0,5, либо при том же числе часов использования, но при увеличении коэффициента использования топлива до » 0,9 экономический эффект  может составить около 40 тыс.руб. при сроке службы 4 года. Это означает, что, при сложившейся конъюнктуре цен на топливо и розничных ценах на оборудование, за счет экономии можно каждые четыре года полностью обновлять установку, даже при ее работе 3-4 месяца в году.

Результатом эксперимента является зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости потока при вынужденном течении жидкости и условий  как для движения воздуха внутри трубы, так и при внешнем омывании пластин оребрения ДВС во всем диапазоне тепловых нагрузок. Левая граница линии обусловлена регулировочными возможностями ДВС в одном случае и ограничениями, связанными с чувствительностью измерителя скорости потока в другом. Для установки на базе ДВС «Хитачи» мощностью 2,4 кВт экспериментально определены характеристики тепловых потоков при отпуске теплоты и работе вентилятора собственных нужд с регулируемым числом оборотов. Мощность вентилятора изменяется в пределах 50-100 Вт.

Несложные расчеты показывают, что при отсутствии когенерации  в установке с воздушным охлаждением необходимо дополнительно затрачивать топливо в количестве, по меньшей мере, 100 г/ч на производство теплоты. Вместе с тем, нагрев воздуха в помещении  от 18 °С до комфортной температуры в 21 °С за счет возможностей когенерации обеспечен за 30 мин.

Используемые источники
1. Анализ рынка генераторов электроэнергии (электрогенераторов) бензиновых в России. / Опубликован 07.10.2014 – http://www.giac.ru/PressRelease/PressReleaseShow.asp?id=523511. – Чтение с экрана.
2. Филиппов С.П. Малая энергетика в России. / Теплоэнергетика. – №8, 2009. – С.38…44.
3. Денисов-Винский Н.Д. Мини-ТЭЦ как надежное средство решения проблемы энергообеспечения [Текст] / Энергобезопасность и энергосбережение. № 2, 2007 – Стр. 10-18.
4. Ерофеев В.Л., Пряхин А.С. Термодинамические пределы энергоэффективности теплоэнергетических установок [Текст] / Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. Санкт-Петербург.ГУМРФ им. Макарова. №2, 2013. – Стр. 33-38.
5. Щинников П.А., Кутузова А.С. Теплоэнергетика [Текст]. Методические указания / Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. -47с.
Information about the project
Surname Name
Sinelnikov Denis
Project title
The generator for the combined generation of heat and electricity based on air-cooled internal combustion engine with a carburetor
Summary of the project
The project examined the possibility of working power generator based on the internal combustion engine (ICE) with air cooling in a cogeneration as to provide a power output of heat supply in different ways. Such plants usually executed at gasoline internal combustion engines (ie is used as fuel gas) may be used in the home by professional builders, geologists, soldiers and rescuers in the area of emergencies and in areas with a lack of infrastructure. The basis of installation is used gasoline generator Hitachi-2400 air-cooled power of 2.4 kW.
Keywords
micro thermoelectric power station, cogeneration, internal combustion engine, air-cooled, heat gun, efficiency.