научная статья по теме КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 4, с. 394-406

УДК 542.97.2:536.717.3:001.57

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ

© 2015 г. В. А. Кириллов*, В. В. Киреенков, Н. А. Кузин, А. В. Самойлов, А. Б. Шигаров

Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, г. Новосибирск ООО "Уникат", г. Новосибирск, *Новосибирский государственный университет vak@catalysis.ru Поступила в редакцию 28.07.2014 г.

Проведены исследования режимов работы лабораторного образца двигателя внешнего сгорания, состоящего из каталитического нагревателя, рабочего цилиндра, соединительного блока с гидросопротивлением, блока противодавления и блока термохимической рекуперации. Разработана экспериментальная методика, позволяющая оценить мощность, развиваемую двигателем для выполнения механической работы. Показано, что эффективность может быть повышена за счет рекуперации теплоты продуктов сгорания при проведении эндотермической реакции парового риформинга исходного топлива (например, пропан-бутана) в синтез-газ. Проведен анализ влияния технологических параметров на повышение внутренней эффективности двигателя. Показано, что наибольшее влияние на повышение внутренней эффективности оказывает максимальное давление в рабочем цилиндре.

Ключевые слова: двигатель внешнего сгорания, катализатор, водород, углеводородные топлива, рекуперация, энергоэффективность.

БО1: 10.7868/80040357115040077

ВВЕДЕНИЕ

Практическая реализация термодинамических циклов генерации энергии связана с реализацией процессов переноса тепла к нагреваемому рабочему телу или отвода тепла от него после совершения работы и возращения в исходное энергетическое состояние. Применительно к двигателям, преобразование химической энергии топлива в работу осуществляется в два этапа, на первом из которых химическая энергия преобразуется в теплоту, а на втором этапе полученная теплота преобразуется в работу. В связи с этим интенсификация процессов переноса тепла на первом этапе является одним из условий повышения наблюдаемой эффективности термодинамических циклов тепловых машин.

Широко распространенные в настоящее время двигатели внутреннего сгорания успешно решают задачи генерирования механической и электрической энергии в диапазоне до нескольких мегаватт. Их существенным недостатком является уменьшение эффективности при снижении мощности, зависимость от конкретных видов топлив при генерации энергии, и значительная доля потерь энергии, доходящая до 70%. Одним из вариантов повышения эффективности энергогенери-рующих систем служит переход на другие принципы генерации энергии, например, с помощью двигателей внешнего сгорания.

Двигатель внешнего сгорания, наиболее изученным вариантом которого является двигатель Стирлинга, обладает внешним источником тепла, в качестве которого могут выступать различные виды топлива, в том числе ископаемые виды топлива; биомасса; солнечная, геотермальная или ядерная энергия. Процесс сгорания происходит в стационарном режиме и поэтому легче контролируется. Двигатель внешнего сгорания способен работать при низкой разнице температур, что позволяет использовать широко распространенные источники энергии, например, горячую воду [1]. Кроме того, двигатели внешнего сгорания экологичны, обладают низким уровнем шума и длительным периодом работы до технического обслуживания или ремонта. Основные типы двигателей внешнего сгорания — кинематические [2], роторные [3], и свободнопоршневые [4].

Несмотря на то, что теоретическая эффективность двигателя Стирлинга ограничена эффективностью цикла Карно, она существенно зависит от эффективности работы теплообменных устройств и используемого рабочего тела. В существующих конструкциях двигателя в качестве рабочего тела [5] обычно используются водород [6], гелий [7], углекислый газ [8]. Проблема использования газообразного рабочего тела, как обсуждалось в [9], заключается в его высокой стоимости, а также необходимости предотвращения его утечек. Для повышения эффективности двигателя и

3.2 3.3

Рис. 1. Принципиальная схема КДВС.

упрощения его конструкции, в [10] предложено использовать рабочее тело, которое бы за счет испарения в горячей зоне и конденсации в охладителе обеспечивало увеличение удельной мощности двигателя и решало проблемы герметичности и снижения потерь на трение [11]. Указывается, что использование рабочего тела, испытывающего фазовый переход жидкость—пар (парожид-костное рабочее тело), дает ряд преимуществ:

1. Высокая удельная мощность (момент на валу) двигателя, вызванная высокой плотностью рабочего тела;

2. Уплотнение жидкости проще и эффективнее, чем уплотнение газа;

3. Жидкость, будучи несжимаемой, устраняет паразитное действие мертвого объема на эффективность;

4. Двигатели с парожидкостным рабочим телом значительно более просты и безопасны в работе из-за очень незначительного объема газа высокого давления.

Но использование парожидкостного рабочего тела приводит к необходимости обеспечения достаточно мягкого нагрева рабочей части двигателя, таким образом, чтобы температура поверхно-

сти в рабочей зоне не превышала температуру Лейденфроста [12], для того, чтобы избежать кризиса кипения жидкости. Наряду с этим, важные требования предъявляются к конструкции двигателя, в котором должны осуществляться процессы испарения и конденсации.

В связи с таким ограничением для двигателя с парожидкостным рабочим телом наиболее перспективным вариантом нагрева является использование каталитического нагревателя, расположенного на внешней поверхности рабочего цилиндра двигателя внешнего сгорания (рис. 1). Наряду со снижением вредных выбросов от сжигания топлив при высоких температурах, каталитический нагреватель, в отличие от пламенного способа нагрева, позволяет обеспечить большие тепловые потоки при более низкой температуре. К сожалению, в литературе мало данных по двигателям внешнего сгорания с парожидкостным рабочим телом [13—15], и нет данных по использованию каталитического нагревателя для таких систем. Поэтому в настоящей работе будут исследованы тепловые режимы лабораторного образца двигателя внешнего сгорания в варианте использования каталитического нагрева с и без рекупе-

рации тепла. Отладочные эксперименты без рекуперации тепла проводились на примере реакции окисления водорода. Исследование режимов работы образца двигателя внешнего сгорания с рекуперацией тепла проводилось на примере каталитической реакции паровой конверсии газовой смеси С2—С4 (основным компонентом которой являлся пропан) с оценкой эффективности устройства.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

При разработке экспериментальной установки и проведении исследований лабораторного образца каталитического двигателя внешнего сгорания (КДВС) необходимо было решить задачи создания образца двигателя с каталитическим нагревом рабочего цилиндра и системы каталитической термохимической рекуперации тепла отходящих газов двигателя. В качестве такого образца использовался прототип двигателя внешнего сгорания, разработанный фирмой "ENCONTECH B.V." (The Netherlands) в рамках совместного проекта "Центр прикладных исследований "Интенсификация теплообмена и катализ, УНИХИТ", финансируемого фондом "Сколково" [16].

Принципиальная схема экспериментальной установки на основе образца КДВС приведена на рис. 1, внешний вид стенда с КДВС приведен на рис. 2.

Основные части установки на основе КДВС.

Ниже приведено описание основных частей установки, схематически показанной на рис. 1.

1. Каталитический нагреватель (1). Он представляет собой стальной цилиндр (1.1), внутри которого находится пространство для смешения (1.2); каталитический слой (1.3), вплотную примыкающий к стенке рабочего цилиндра (2), и термопара (1.4) для контроля температуры.

2. Рабочий цилиндр. Он состоит из нагреваемой области, заполняемой водяным паром (2.1); рабочего поршня (2.2); системы охлаждения (2.3); пружины (2.4) , возвращающей поршень в исходное положение, и выносного датчика давления (2.5). На момент старта полностью заполнен водой.

3. Соединительный блок. Блок представляет собой металлическую трубку (3), соединяющую рабочий цилиндр и блок противодавления, с регулируемым гидросопротивлением (3.1); двумя датчиками давления до (3.2) и после (3.3) гидросопротивления и ротаметра, позволяющими измерять объем протекающей через сопротивление жидкости. Также имеется обратный клапан (3.4), через который вода возвращается обратно в рабочий цилиндр.

4. Блок противодавления (4), представляющий собой вертикальный цилиндр с газом, находящимся под давлением; манометр и систему клапанов, с помощью которых подводится сжатый газ и осуществляется регулировка давления.

5. Блок термохимической рекуперации. Он состоит из каталитического реактора-теплообменника (5), газоотводной трубки (5.1); газораспределительного устройства (5.2); нескольких трубок (5.3) с нанесенным на них катализатором (5.4).

Принцип работы установки на основе КДВС. Сначала в блок (4) наддувается газ для создания противодавления. Затем воздушно-топливная смесь подается в каталитический нагреватель, где окисляется с выделением тепла, которое идет на обогрев двигателя внешнего сгорания. Под действием нагрева в рабочем цилиндре запускается процесс парообразования. Образовавшийся пар начинает расширяться и толкать поршень вниз, сжимая пружину. При этом происходит вытеснение части воды в соединительный блок и далее в блок противодавления. Проходя через гидросопротивление, вода совершает полезную работу, которую можно измерить. Объем сжатого воздуха в блоке противодавления при этом уменьшается, а давление увеличивается. Когда поршень достигает нижней мертвой точки, пар полностью занимает весь нагреваемый объем. В левой части начинается процесс конденсации. При этом распрямляется пружина, и поршень возвращается вверх, захватывая с собой некоторый объем воды. Одновременно с этим газ в блоке противодавления начинает расширяться, выталкивая воду в рабочую часть через односторонний клапан, поэтому вода работы не совершает. Поршень достигает верхней мертвой точки — парожидкостная смесь занимает минимальный объем при максимальном давлении.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком