OZE
P r o s t r i e d o k n a d e c e n t ra l i z ova n ú v ý r o b u
e l e k t r i c ke j e n e r g i e z o b n ov i t e ľ n ý c h z d r o j ov
Ján Tuna, Vladimír Vavruš*
Nový parný motor s rotujúcim piestom
Cieľom spoločnosti Tuvatech, s.r.o. so sídlom v Trenčíne je vývoj
radu jednoduchých a spoľahlivých motorov s vonkajším spaľovaním, ktoré dokážu efektívne využiť nízko teplotné tepelné zdroje na
výrobu elektrickej energie v rozsahu 1 až 100 kW elektrického výkonu.
Pri vývoji radu nových parných motorov sme využili naše znalosti
o princípe činnosti a konštrukcii Wankelovho motoru. Je to motor
s vnútorným spaľovaním a v súčasnosti jediný spoľahlivý a overený
motor s rotujúcim piestom, ktorý sa aj sériovo vyrába a komerčne
používa.
Na základe Wankelovho motora sme vyvinuli prototyp nového
motora s vonkajším spaľovaním – nový parný motor s rotujúcim
piestom. Mal by byť efektívnym a spoľahlivým prostriedkom na výrobu elektrickej energie, vo výkone 1 až 100 kW, z obnoviteľných
zdrojov tepelnej energie.
Popis činnosti motora
Na obr. 1 je schéma zapojenia parného motora s rotujúcim piestom (2) v uzatvorenom okruhu s parným kotlom (1), chladičom (3)
a čerpadlom kondenzu (4).
Pracovné médium – horúca vodná para (červená), vznikajúca
v parnom kotli (1), prúdi dvomi vstupnými potrubiami k dvom vstupným ventilom motora. Vstupné ventily motora sa striedavo otvárajú
a zatvárajú. Horúca vodná para (červená), ktorá vstúpi do pracovnej
komory motora, naráža na bok piestu motora, odovzdá mu svoju kinetickú energiu a núti piest motora k pohybu. Po uzavretí vstupného
ventilu sa para v komore ďalej rozpína, tlačí svojim tlakom na bok
piestu a odovzdáva mu ďalšiu časť svojej energie. To tiež núti piest
motora k pohybu. Pohyb piesta otvorí výstupné otvory a para, ktorá
odovzdala svoju energiu piestu motora (modrá), je vytlačovaná pohybom piesta do chladiča (3), kde kondenzuje. Skondenzovaná pa-
Obr. 1 Schéma zapojenia parného motora s rotujúcim piestom
(2) v uzatvorenom okruhu s parným kotlom (1)
chladičom (3) a čerpadlom (4)
ra je čerpadlom kondenzu (4) pretlačená naspäť do parného kotla
(1) na ďalší ohrevu. Na internetovej stránke http://www. tuvatech.sk/sk/produkty/parny-motor-midi/popis/ je možné vidieť animáciu a princíp činnosti tohto motora v pohybe.
Popis merania základných parametrov motora
Koncom apríla 2012 prebehli v parnej kotolni v Trenčíne merania
základných parametrov prototypu parného motora. Merali sa najmä: závislosť výkonu motora na tlaku pary, závislosť spotreby pary
* Ing. Ján Tuna, Ing. Vladimír Vavruš, Tuvatech, s.r.o., Staničná 1062/24, 911 05 Trenčín, tel.: 0917 594 963,
e-mail: [email protected]
6
Časopis EE, 18, 2012, č. 5
OZE
na výkone motora a iné. Tieto merania boli urobené pomocou asynchrónneho motora typ F22M08 (22 kW, 730 ot/min., 3 x 400 VD,
pätkový IMB3), ktorý bol zapojený ako generátor elektrickej energie. Podľa údajov zo štítku motora účinnosť tohto asynchrónneho
motora zapojeného ako generátor elektrickej energie bola na úrovni 0,85. Elektrický generátor (asynchrónny motor) bol pripojený
k parnému motoru reťazovou spojkou. Otáčky parného motora, ako
aj elektrického generátora sa udržiavali na hodnote 750 otáčok za
minútu. Pri vyššej záťaži sa otáčky parného motora a elektrického
generátora mierne zvyšovali, aby sa na výstupných svorkách elektrického generátora udržala výstupná frekvencia na úrovni 50 Hz.
Marenie výkonu elektrického generátora bolo prevedené na elektrických odporových špirálach, kde sa vyrobená elektrická energia
menila na tepelnú energiu. Meranie elektrických veličín bolo vykonané pomocou multifunkčného meracieho prístroja Siemens
Sentron PAC3200. Meranie spotreby pary bolo zabezpečené zapožičaným meracím prístrojom SPIRAFLO DN50 od spoločnosti
Spirax Sarco a za prítomnosti a asistencie pracovníka tejto spoločnosti.
Výhody nového parného motora s rotujúcim piestom
1 Pomalobežný motor. Otáčky hriadeľa motora sú 750 otáčok za
minútu. Otáčky piesta motora sú len 250 otáčok za minútu. To
umožňuje využívať aj nekvalitnú, sýtu, alebo mokrú paru, ktorú nie
je možné využiť v turbínach. Preto motor dokáže využiť aj menej
kvalitné palivo, ktoré nedokáže vyrobiť dostatok kvalitnej – suchej
pary, akú potrebujú pre svoju prevádzku turbíny.
2 Nižší počet súčiastok, vyššia spoľahlivosť. Nový parný motor
s rotujúcim piestom vychádza z koncepcie Wankelovho motora,
ktorý má až o tretinu menej pohyblivých súčiastok, ako klasický
piestový motor s lineárnym, vratným pohybom piestu. Nižší počet
súčiastok, znamená vyššiu prevádzkovú spoľahlivosť.
3 Znížené riziko znečistenia pracovného média mazacím olejom. Súčasné parné motory s lineárnym, vratným pohybom piestu majú vysoké riziko znečistenia pracovného média (vodnej pary) mazivom. Aby sa piest motora, konajúci lineárny, vratný pohyb
nezadrel, je nutné do valcov motora vstrekovať mazací olej.
Mazací olej je potom stieraný zo stien pomocou stieracích krúžkov. Po zotrení oleja je do pracovnej komory vpustené pracovné
médium – vodná para. Preto existuje vysoké riziko, že stierací
krúžok po určitom čase prestane správne fungovať a pracovné
médium – vodná para sa znehodnotí mazacím olejom.
V novom parnom motore s rotujúcim piestom typu Wankel je toto
riziko znížené na úroveň turbíny. Pracovné médium – vodná para
a mazací olej sú tak ako v turbíne – priestorovo od seba oddelené.
V pracovných komorách, kde sa vyskytuje vodná para nie je potrebné žiadne mazanie. V novom parnom motore sú mazané motorovým olejom len ložiská hriadeľa a piesta, ktoré sa nachádzajú mimo pracovného priestoru s vodnou parou.
Tab. 1 Namerané veličiny
Využitie motora
Nový parný motor s rotujúcim piestom je vhodný najmä na decentralizovanú výrobu elektrickej energie, pre výstavbu mikro a minikogeneračných jednotiek s výkonom 1 až 100 kW na báze biomasy, termosolárnej energie alebo odpadového tepla vznikajúceho
v plynových kogeneračných jednotkách, či vo výrobných procesoch.
Obr. 2 Graf závislosti mechanického výkonu od tlaku pary
a spotreba pary
V tab. 1 sú uvedené namerané veličiny. Graf závislostí je na obr. 2.
Parný motor je postavený až na prevádzkový tlak 1,6 MPa.
Namerané hodnoty sú však len do hodnoty tlaku 0,9 MPa. Dôvodom
bola nemožnosť merať vyššie hodnoty, pretože prevádzkové podmienky v parnej kotolni v Trenčíne neumožňovali merať pri vyšších tlakoch. Tiež aj preto, lebo sme mali k dispozícii generátor elektrickej
energie (asynchrónny motor), len s maximálnym výkonom 22 kW.
Spotreba pary zodpovedá aktuálnemu stavu motora, ktorý nie je
ešte úplne optimalizovaný. Ide hlavne o optimalizáciu práce vstupných a výstupných ventilov. Nastavenie optimálnej plniacej dávky,
optimálneho predstihu a časovania.
Časopis EE, 18, 2012, č. 5
Teda:
• V domácnostiach - v mikrokogeneračných jednotkách (o výkone
0,1 až 2 kW) využívajúcich biomasu, alebo termosolárnu energiu.
Na výrobu tepla a elektrickej energie pre domácnosti.
• V poľnohospodárskej a drevospracujúcej sfére, ktorá má dostatok biomasy. Značná časť biomasy sa dnes používa len na vykurovanie a ohrev teplej vody. Nový parný motor umožní vyššie
zhodnotenie biomasy. Umožní vyrobiť z biomasy nielen teplo, ale
aj elektrickú energiu pomocou minikogeneračných jednotiek.
• V energetickom sektore je to najmä zvýšenie elektrického výkonu
plynových kogeneračných jednotiek na úkor odpadového tepla,
ktoré kogeneračné jednotky produkujú. (Využitie tepla výfukových spalín kogeneračných jednotiek).
• V teplárenstve, ako aj iných výrobných odvetviach ako pomalobežná točivá redukcia.
• Dnes v mnohých parných kotolniach a regulačných staniciach je
potrebné redukovať tlak pary z vyšších tlakov na nižšie. Nový parný motor umožní tieto tlakové spády využiť na výrobu elektrickej
energie.
Poďakovanie
Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. VMSP-II-0038-09.
7
Download

PPrrrooossstttrrriiieeedddoookkk nnaaa