Двигатель стирлинга для отопления дома

Выбираем газовый котел с электрогенератором Viessmann Vitotwin

Большинство современных газовых котлов является энергозависимыми – их работа напрямую связана с использованием электроэнергии. Скачки напряжения в сети, нестабильность нагрузки приводят к выходу из строя дорогостоящей автоматики.

Даже использование ИБП не может полностью обезопасить блок управления от сбоя.Газовый котел с электрогенератором Viessmann Vitotwin – инновационное решение данной проблемы.

Модель представляет собой мини котельную, производящую одновременно тепловую энергию и электричество, достаточное для обеспечения нормальной работы автоматики, регулирующей и запорной арматуры.

Устройство и принцип работы микро-ТЭЦ Vitotwin

Главным отличием микро-ТЭЦ на двигателе Стирлинга, представленной компанией Viessmann, является наличие двух современных и инновационных решений, увеличивающих производительность, обеспечивающих полную автономность и экономичность.В каждой модели данной серии используется:

1. Двигатель Стирлинга.
2. Конденсационный модуль.

Благодаря двум изменениям в конструкции, обеспечиваются следующие преимущества:

• Возможность модернизации уже существующей или изготовление новой системы отопления частного дома, большой площади.
• Полная независимость от электроснабжения.
• Малошумный режим работы.
• Одновременное производство тепловой энергии и электричества.

Хотя производительность и параметры моделей серии могут меняться, неизменным остается принцип работы, используемый в котлах. Понимание того, как работают основные модули, поможет с максимальной эффективностью использовать оборудование.

Двигатель Стирлинга

Свое название, двигатель Стерлинга получил от фамилии человека, разработавшего первую простейшую модель оборудования. С тех пор, устройство используется в разных видах бытовой техники, системах отопления, компьютерах и т.д.Принцип работы двигателя Стирлинга заключается в следующем:

• Закрытый блок с жестким корпусом имеет встроенную эластичную мембрану.
• Мембрана соединена с рабочим поршнем.
• При нагревании, стенки мембраны выгибаются наружу и приводят в движение кривошипно-шатунный механизм.
• При остывании двигателя, мембрана приходит в первоначальное положение, а после выгибается внутрь.

Производитель отопительного оборудования Висман усовершенствовал рабочий процесс, заставив кривошипно-шатунный механизм преобразовывать кинетическую энергию в электричество. В результате, при горении газа, в зависимости от модели котла, продуцируется от 0,6 до 1 кВт электроэнергии.

Этого более чем достаточно для обеспечения независимой работы автоматики и всех энергозависимых модулей.

Конденсационный модуль

Для увеличения производительности котла с встроенным двигателем Стерлинга, используется принцип конденсационного нагрева теплоносителя. Модуль, установленный в корпусе, использует температуру отходящих дымовых газов, для получения дополнительной тепловой энергии.Настенный газовый отопительный котел использует следующий принцип работы:

• В процессе сгорания газа выделяются дымовые газы, содержащие определенное количество нагретых частиц пара.
• Вместо моментального выведения продуктов сгорания в дымоход (как происходит в котлах традиционного типа), они направляются в конденсационный модуль.
• Там тепло аккумулируется теплообменником, что приводит к усиленному продуцированию конденсата.

В результате применения конденсационного блока, теплоотдача от горения газа увеличивается на 15-20%, что делает низкотемпературные котлы одним из самых экономичных и производительных типов оборудования.

Область применения и возможности котлов Vitotwin

Котлы Vitotwin представляют собой автономную микро-ТЭЦ, предназначенную для обогрева помещений от 40 до 260 м². Оборудование оптимально подходит для обогрева 1-2 комнатных квартир, но может, с одинаковой эффективностью, применяться и для частных домов.Технические характеристики оборудования существенно расширяют его возможности:

• Модели Висман подходят для модернизации уже существующей и производства новой системы отопления дома.
• Одновременно вырабатывается тепловая энергия и электричество. Мощность вырабатываемого напряжения от 0,6 до 1 кВт.
• Конденсационный котел, с двигателем Стирлинга, с небольшой мощностью, может использоваться исключительно для пиковых нагрузок, покрывая недостаток тепла в течение определенного промежутка времени.
• Оборудование подключают как резервный источник питания к твердотопливному агрегату.
• В корпусе котла расположен только один отопительный контур. Для обеспечения нужд ГВС, предусмотрено подключение к внешнему бойлеру накопителю.
• Допускается установка аккумулятора электроэнергии, остающейся после покрытия потребностей в электричестве автоматики и циркуляционного оборудования. Накопленную энергию можно использовать в бытовых нуждах.

В дополнительной комплектации, к котлам с встроенным двигателем Стирлинга, предоставляются модули дистанционного и GSM – управления, позволяющие контролировать работу с помощью смартфона и другого мобильного устройства.

Модельный ряд котлов Висман с двигателем Стирлинга

Компания Висман выпускает две базовых модели котлов, с встроенным двигателем Стирлинга. Модели отличаются по конструкционным особенностям и наличием дополнительных функций.Независимо от выбранной серии, все котлы отличаются энергонезависимостью, высокой теплоэффективностью и КПД, не менее 96%. Во время работы, горелка и двигатель практически не издают шума, что позволяет установить газовое оборудование в ванной комнате или кухне.

Котел Viessmann Vitotwin 300W

Мини ТЭЦ Viessmann Vitotwin 300W с двигателем Стирлинга, имеет компактные размеры и одновременно большую производительность, позволяющую покрыть базовые затраты электроэнергии. Внешний аккумуляторный накопитель обеспечивает необходимым количеством горячей воды.

Двигатель подключается к таймеру, блоку дистанционного управления, управляется посредством пульта ДУ или смартфона. Модель Vitotwin 300W отличают следующие преимущества:

1. Параллельно вырабатывает электричество и тепловую энергию.
2. Обеспечивает потребности ГВС.
3. Бесшумная работа.
4. Простое подключение к системе отопления и существующей электросети.

Экономичность станции Vitotwin 300W особенно заметна при расходах электричества свыше 3000 кВт/ч и при потреблении газа свыше 20000 квтч.

Котел Viessmann Vitotwin 350F

Напольный газовый котел с встроенной буферной емкостью Vitotwin 350F имеет более сложную конструкцию, чем предыдущая модель. В базовой комплектации в корпусе установлены:

1. Встроенный расширительный бак.
2. Буферная емкость ГВС на 175 л.
3. Кольцевая горелка закрытого типа.

4. Воздухораспределительный и нагнетательный клапан.
5. Котел пиковой нагрузки и двигатель Стирлинга.
6. Инновационный теплообменник Inox – Radial.

Максимальная производительность модели Vitotwin 350F – 26 кВт.

Котел одновременно работает на нагрев теплоносителя системы отопления и выработку электроэнергии.

Преимущества и недостатки эксплуатации котлов Vitotwin

Главными достоинствами мини когенерационной установки Viessmann Vitotwin являются три основных преимущества:

• Снижаются энергозатраты.
• Улучшается качество напряжения на выходе.
• Минимизируются выбросы СО.

Бытовые модели в первую очередь предназначены для получения тепловой энергии, поэтому количество продуцируемой электроэнергии не превышает 1 кВт, что можно причислить к недостаткам. Простые расчеты и вычисления показывают, что при обогреве помещения в 250 м², экономия составляет около 80 000 руб. в год.

В качестве недостатков можно выделить следующее:

• Большой объем конденсата, продуцируемого во время работы.
• Недостаток специализированных сервисных центров.

Чтобы исправить любую поломку, потребуется ждать от 1 до 3 месяцев, пока вышедший из строя модуль заменят. Неисправности случаются редко, а количество сервисных центров постепенно увеличивается. Поэтому, второй недостаток, постепенно теряет свою актуальность.

Котлы Vitotwin с встроенным двигателем Стирлинга, это хорошая модель для бытовых нужд, позволяющая снизить расходы на газ и электроэнергию.

Источник: https://avtonomnoeteplo.ru/otopitelnye_kotly/216-gazovyy-kotel-s-elektrogeneratorom.html

Электричество из отопления. Часть 3. Когенерационные установки для дома (микро-ТЭЦ)

В предыдущих первой и второй частях мы рассказали о когенерации и ее преимуществах как способе производства электрической и тепловой энергии. Теперь пришел черед обзору домашних когенерационных установок (далее дКГУ) — какие бывают, как устроены, их преимущества и недостатки.
Как известно, дКГУ предназначены для обеспечения частных домов электричеством и теплом для отопления и горячего водоснабжения.

По своему назначению дКГУ — домашние электростанции с функцией использования выделяемого тепла. В настоящее время все серийно выпускаемые дКГУ в качестве топлива потребляют магистральный природный газ. Ранее также выпускались установки на дизельном топливе, но из-за низкого спроса их выпуск был свернут. Далее рассмотрим, какие бывают дКГУ (только те, что в серийном производстве, экспериментальные образцы брать во внимание не будем).

Как мы уже описали ранее, все КГУ состоят из следующих основных элементов: двигателя, электрогенератора, системы охлаждения двигателя и отвода полезного тепла, корпуса, системы управления и безопасности, и ряда других. Поэтому все дКГУ можно разделить по способу генерации электричества, а именно каким двигателем приводится электрогенератор.

Двигатели современных дКГУ образуют 3 основных вида — газовые ДВС, двигатели внешнего сгорания (Стирлинга или паровой), и топливные элементы (ТЭ). Рассмотрим их по отдельности.

Газовые ДВС

Проще всего устроены дКГУ с газовым ДВС (двигателем внутреннего сгорания), иногда называемым газопоршневым двигателем. По сути, это обычный ДВС с жидкостным охлаждением, аналоги которого применяются в бензогенераторах, садовой технике и мототехнике.

Только этот двигатель адаптирован к работе на магистральном газе и система охлаждения изменена для обеспечения перекачки через нее жидкого теплоносителя, далее используемого в домашней системе отопления.

Для обеспечения автоматической работы двигателя и всей дКГУ применяется специальная система управления, и кроме того к ДВС добавляются еще некоторые необходимые элементы — система безопасности и другие.

На фото: дКГУ «Valliant» с ДВС

Конструктивная простота дКГУ с ДВС компенсируется рядом недостатков, принципиально неустранимых из-за наличия ДВС с его особенностями. Это повышенный шум и вибрация, высокий уровень вредных выбросов, малый ресурс работы двигателя, большое потребление моторного масла.

У большинства производителей дКГУ модели с ДВС — основа их производственной линейки.

Двигатели внешнего сгорания

Следующий тип дКГУ — на двигателях внешнего сгорания. Как следует из названия, в таких КГУ сгорание топлива происходит снаружи двигателя, пламя через теплообменник нагревает жидкое или газообразное рабочее тело, при помощи которого и приводится двигатель. Отработавшая жидкость или газ обладает остаточным теплом, которое выводится через систему охлаждения и используется потребителем, например, для отопления. Такие двигатели бывают двух типов — Стирлинга и паровые.

Сначала разберем двигатели Стирлинга — у них рабочим телом является газ, как правило гелий, который попеременно под воздействием поршня перетекает из нагреваемой камеры в охлаждаемую и наоборот. Движение поршня приводит электрогенератор — линейный или обычный вращающийся. На первый взгляд двигатель Стирлинга обладает целым рядом неоспоримых преимуществ — высокий КПД (теоретический), простота конструкции, способность работать на любом сгораемом топливе (тоже теоретическая).

Однако на практике оказывается, что при современном уровне технологий достичь теоретических высоких параметров не получается, по крайней мере в серийном производстве. Для достижения хотя бы нескольких процентов КПД приходится использовать дорогой гелий под высоким давлением, который имеет способность постепенно утекать даже через самые изощренные уплотнения. А значит, (довольно часто) надо восполнять потери, и делать это нужно на специальном оборудовании — что затратно для потребителя.

Сами уплотнения оказываются недолговечными и тоже периодически подлежащими замене при полной разборке двигателя. Кроме того, для эффективной работы двигатель Стирлинга должен быть оснащен довольно большими и дорогостоящими теплообменниками — а это означает, что стоимость всего дКГУ не может быть низкой. И с «любым» топливом тоже возникли проблемы — технически пока ни у одного производителя не получилось выпустить двигатель Стирлинга, работающего на чем-либо еще, кроме газа.

В целом дКГУ с двигателем Стирлинга еще выпускаются, но за последние 10 лет число производителей во всем мире сократилось с 10-15 до 2-3.

Теперь о паровых двигателях — как известно, они приводятся в действие паром, получающимся из воды путем вскипания в паровом котле. При работе в режиме когенерации, как в дКГУ, отработавший пар поступает в систему конденсации, где охлаждается и конденсируется в воду, и далее при помощи насоса снова подается в котел.

На Рис. 2: Пример схемы дКГУ с паровым двигателем

По конструкции паровой двигатель — не самый простой агрегат, если дополнить его паровым котлом и системой конденсации, но у него есть свои преимущества. По сравнению с ДВС — паровой двигатель гораздо тише, меньше вибрации, вредные выбросы почти отсутствуют (в этом паровой дКГУ аналогичен обычному отопительному котлу).

Ресурс парового двигателя во много раз выше ресурса ДВС, а оборот воды и масла в режиме когенерации полностью замкнут — значит, нет нужды в постоянном доливе. Но главное преимущество «паровика» — в его реальной (и подтвержденной на практике) способности работать на любом сгораемом топливе, в том числе на твердом — пеллеты, дрова, уголь, торф и т. д.

Несмотря на очевидные преимущества, существуют и довольно серьезные технические сложности в создании парового дКГУ. Хотя разработки в этом направлении ведутся, серийно такие дКГУ пока не выпускаются.

Топливные элементы

Перейдем к третьему типу дКГУ — на топливных элементах (ТЭ).

В таких установках нет двигателя в обычном понимании, его роль играет специальное устройство — ТЭ, где происходит разложение природного газа с выделением водорода, далее водород проходит через особую мембрану и соединяется с кислородом из окружающего воздуха, образуя воду.

На своем пути водород теряет электрон, который проходит по электрической цепи, создавая ток. В описании выглядит просто, но для осуществления этого процесса необходимы специальные дорогостоящие материалы — катализаторы. Кроме того, используется особая керамика, выдерживающая высокие необходимые температуры (до 700 град. С).

На иллюстрации: схема работы топливного элемента

Все это приводит к главному недостатку ТЭ — очень высокой стоимости. Также недостатком можно считать небольшую электрическую мощность дКГУ на ТЭ — не более 1 Квт, которой сумели добиться производители для своих серийных моделей.

Среди преимуществ — сравнительно небольшие размеры, отсутствие вредных выбросов и самый высокий электрический КПД (до 40%).

На этом третья часть нашего рассказа заканчивается, а в следующей части мы сделаем обзор серийно выпускаемых дКГУ — производители, модели, характеристики, стоимость.

А пока можете более подробно ознакомиться с темой когенерации на официальном сайте проекта КРОПАТ.

Подписывайтесь и ставьте лайки! Скоро появится следующая часть!

*все иллюстрации взяты из открытых источников в интернете

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5c86b689e064fd00b2672e95/elektrichestvo-iz-otopleniia-chast-3-kogeneracionnye-ustanovki-dlia-doma-mikrotec-5c9fe0a978122b00b4aa3838

Двигатель стирлинга для отопления дома — Инженерные системы

Эта статья посвящена одному изобретению, запатентованному ещё в девятнадцатом веке шотландским одним священником Стирлингом. Как и все предшественники, это был двигатель внешнего сгорания. Только отличие его от остальных в том, что он может работать и бензине, и на мазуте, и даже на угле и дровах.

Двигатель внешнего сгорания. История открытия Стирлинга

В XIX веке возникла необходимость замены паровых двигателей на что-то более безопасное, так как котлы часто взрывались из-за высокого давления пара и некоторых серьезных конструктивных недостатков.

Хорошим вариантом стал двигатель внешнего сгорания, который запатентовал в 1816 году шотландский священник Роберт Стирлинг.

Правда, «двигатели горячего воздуха» делали и раньше, ещё в XVII веке. Но Стирлинг добавил в установку очиститель. В современном понимании ‒ регенератор.

Он повысил производительность установки, сохраняя тепло в тёплой зоне машины, в тот момент, когда рабочее тело охлаждалось. Это значительно увеличило эффективность системы.

Изобретение нашло широкое практическое применение, была стадия подъема и развития, но затем Стирлинги были незаслуженно забыты.

Ввиду того что этот принцип внешнего сгорания сам по себе очень интересен, сегодня над созданием новых моделей трудятся лучшие инженеры и любители в США, Японии, Швеции…

Двигатель внешнего сгорания. Принцип работы

«Стирлинг» ‒ как мы уже упоминали, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основной принцип его работы заключается в постоянном чередовании нагревания и охлаждения рабочего тела в замкнутом пространстве и получении энергии, благодаря возникающему при этом изменению объёма рабочего тела.

Как правило рабочим телом выступает воздух, но может использоваться водород или гелий. В опытных образцах пробовали двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан и даже воду.

Кстати, вода пребывает в жидком состоянии на протяжении всего термодинамического цикла. А сам «стирлинг» с жидким рабочим телом имеет компактные размеры, высокую удельную мощность и высокое рабочее давление.

Виды стирлингов

Существуют три классических вида двигателя Стирлинга:

• Альфа-Стирлинг ‒ имеет два раздельных силовых поршня расположенных в раздельных цилиндрах. Один из них ‒ горячий, а другой ‒ холодный. Горячая пара «цилиндр и поршень» расположены в теплообменнике с высокой температурой, холодная пара «цилиндр и поршень» ‒ с пониженной температурой. У этого вида соотношение мощности и объёма достаточно велико, хотя, и очень высокая температура «горячего» поршня, что создаёт технические трудности при изготовлении.Регенератор расположен между горячей и холодной соединительными трубками;
• В модели Бета-Стирлинг ‒ всего один цилиндр. Он горячий на одном конце и холодный на другом. Внутри цилиндра перемещаются поршень (с него снимают мощность) и вытеснитель (он изменяет объём горячей зоны). Газ качается из холодной зоны цилиндра в горячую сквозь регенератор. Регенераторы бывают внешними, в виде части теплообменника, или совмещёнными с поршнем-вытеснителем;
• В варианте Гамма-Стирлинг тоже присутствуют поршень и вытеснитель, но здесь уже два цилиндра: первый холодный (где движется поршень для отбора мощности), и второй ‒ горячий с одной стороны и холодный с другой (там перемещается вытеснитель). Регенератор также может быть внешним, тогда он соединяет горячую зону второго цилиндра с холодной и с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор конструктивно входит в состав вытеснителя;

Применение

Двигатель Стирлинга можно применять в случаях, если требуется простой, компактный преобразователь тепловой энергии или когда эффективность других типов тепловых машин ниже: к примеру, если разница температур недостаточна для использования газовой или паровой турбины.

Вот конкретные примеры использования:

• Уже сегодня выпускаются автономные генераторы для туристов. Есть модели, которые работают от газовой конфорки;

NASA заказало вариант генератора на основе «стирлинга», который работает от ядерного и радиоизотопного источников тепла. Он будет использоваться в космических экспедициях.

• «Стирлинг» для перекачки жидкости гораздо проще установки «двигатель-насос». В качестве рабочего поршня он может использовать перекачиваемую жидкость, которая будет заодно охлаждать рабочее тело.Таким насосом можно накачивать воду в ирригационные каналы, используя солнечное тепло, подавать горячую воду от солнечного коллектора в дом, перекачивать химические реагенты, поскольку система полностью герметична;
• Производителей бытовых холодильников внедряют модели на «стирлингах». Они будут экономнее, а в качестве хладагента предполагается использоваться обычный воздух;
• Совмещённый Стирлинг с тепловым насосом оптимизирует систему отопления в доме. Он будет отдавать бросовое тепло «холодного» цилиндра, а полученную механическую энергию может использовать для подкачки тепла, которое идет из окружающей среды;
• Сегодня на всех подводных лодках ВМС Швеции установлены двигатели Стирлинга. Они работают на жидком кислороде, который в дальнейшем используется для дыхания. Очень важный фактор для лодки, низкий уровень шума, а недостатки типа: «большой размер», «необходимость охлаждения» – в условиях подводной лодки не существенны. Аналогичными установками оснащены и новейшие японские подводные лодки типа «Сорю»;
• Двигатель Стирлинга используется для преобразования солнечной энергии в электрическую. Для этого он монтируется в фокусе параболического зеркала. Компания Stirling Solar Energy строит солнечные коллекторы мощностью до 150 кВт на зеркало. Они используются на крупнейшей в мире солнечной электростанции в южной Калифорнии.

Преимущества и недостатки

Современный уровень проектирования и технологии изготовления позволяют повысить коэффициент полезного действия «Стирлинга» до 70 процентов.

Плюсы:

• Что удивительно, крутящий момент двигателя практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала;
• Силовая установка не содержит системы зажигания, клапанной системы и распредвала.
• На протяжении всего срока эксплуатации не нужны регулировки и настройки.
• Двигатель не «глохнет», а простота конструкции позволяет эксплуатировать его в автономном режиме продолжительное время;
• Можно использовать любые источники тепловой энергии, от дров до уранового топлива.
• Сжигание топлива происходит вне двигателя, что способствует его полному дожиганию и минимизации выбросов токсичных веществ.

Минусы:

• Так как топливо сгорает вне двигателя, то отвод тепла идёт через стенки радиатора, а это дополнительные габариты;
• Материалоемкость. Чтобы сделать Стирлинг-машину компактной и мощной требуются дорогие жаропрочные стали, способные выдерживать высокое рабочее давление и имеющие низкую теплопроводность;
• Нужна специальная смазка, обычная для «Стирлингов» не подходит, так как коксуется при высоких температурах;
• Чтобы получить высокую удельную мощность, рабочее тело в «Стирлингах» применяют водород и гелий.

Водород отличается взрывоопасностью, а при высоких температурах может растворяться в металлах, образуя при этом металлогидриты. Иными словами, происходит разрушение цилиндров двигателя.

https://www.youtube.com/watch?v=mnegowJDUDM

А ещё водород и гелий обладают высокой проникающей способностью и легко просачиваются через уплотнения, понижая рабочее давление.

Если вы, познакомившись с нашей статьёй, захотите приобрести устройство — двигатель внешнего сгорания, не бегите в ближайший магазин, такая штука не продаётся, увы…

Сами понимаете, те, кто занимается усовершенствованием и внедрением этой машины, держат свои разработки в секрете и продают их только солидным покупателям.

Источник: https://auto-ru.ru/dvigatel-vneshnego-sgoraniya.html

Двигатель Стирлинга. Виды и конструкции. Устройство и работа

Современная автомобильная промышленность достигла такого уровня, что без серьезных исследований невозможно добиться кардинальной модернизации в конструкции двигателей внутреннего сгорания. Это способствовало тому, что конструкторы стали обращать внимание на альтернативные разработки силовых установок, таких как двигатель Стирлинга.

Одни автоконцерны сконцентрировали свои силы на разработке и подготовке к выпуску в серию электрических и гибридных автомобилей, другие инженерные центры затрачивают финансовые средства в проектирование двигателей на альтернативном топливе, изготовленном из возобновляемых источников. Существуют другие различные разработки двигателей, которые в будущем могут стать новым двигателем для различных средств транспорта.

Таким возможным источником энергии механического движения для автомобильного транспорта будущего может стать двигатель внешнего сгорания, изобретенный в 19 веке ученым Стирлингом.

Устройство и принцип работы

Двигатель Стирлинга выполняет преобразование тепловой энергии, получаемой из внешнего источника, в механическое движение благодаря изменению температуры жидкости, циркулирующей в закрытом объеме.

Источник: https://in-service47.com/dvigatel-stirlinga-dlya-otopleniya-doma/