article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
2(98)/2014
Miłosz Meus1
KONCEPCJA SYSTEMU DO DIAGNOSTYKI REGENERATORA SILNIKA
STIRLINGA Z WYKORZYSTANIEM METODY GRAFÓW WIĄZAŃ
1. Wprowadzenie
W ostatnich latach w Europie można zaobserwować rozwój proekologicznej polityki
energetycznej. U podłoża takiego stanu rzeczy leży wiele różnorakich przyczyn. Wśród
nich wyróżnić można między innymi malejące zasoby energii pierwotnej, realne
niebezpieczeństwo przekroczenia „bariery ekologicznej” wywołane nadmierną emisją
gazów cieplarnianych do atmosfery (w tym przede wszystkim CO2), postępującą
degradacją wód i gleby, a także niską sprawność systemów przesyłowych energii
cieplnej i wymagania wysokiej jakości energii elektrycznej dla przemysłu.
W efekcie promuje się stosowanie układów kogeneracyjnych, które w trakcie tego
samego procesu technologicznego wytwarzają w skojarzeniu energię elektryczną
i cieplną. Jednakże obecnie, układy te wykorzystują przede wszystkim silniki spalinowe,
które przyczyniają się do pogłębiania skażenia środowiska poprzez emisję szkodliwych
substancji zawartych w spalinach. Dlatego też, ze względu na aspekty ekologiczne
i ekonomiczne, w układach kogeneracyjnych zaczęto wprowadzać silnik Stirlinga.
Istotną zaletą silnika Stirlinga w porównaniu z silnikiem spalinowym jest brak
wybuchowego procesu spalania przy przetwarzaniu ciepła na energię mechaniczną.
Silnik Stirlinga można uznać za silnik przyszłości z dwóch powodów. Po pierwsze do
silnika Stirlinga ciepło doprowadzane jest z zewnątrz, co pozwala na zasilanie go
energią pierwotną praktycznie z dowolnego źródła. Po drugie szeroko rozumiany
problem szkodliwości produktów spalania w przypadku silnika Stirlinga może być
znacząco zmniejszony, gdyż można zastosować spalanie ciągłe, nieprzerywane, w łatwo
kontrolowanych warunkach [1]. W związku z tym silnik Stirlinga doskonale nadaje się
do napędzania generatorów w układach kogeneracyjnych, a dzięki zewnętrznemu
spalaniu ułatwiona jest kontrola procesu spalania, co z kolei powoduje, że cały ten
proces jest znacznie czystszy i wydajniejszy.
Najważniejszym elementem silnika Stirlinga jest regenerator, gdyż ma decydujący
wpływ na osiągnięcie dużej sprawności silnika [1]. Ponadto poprawne działanie
regeneratora ma duże znaczenie dla realizacji zadań wykonywanych przez inne
podzespoły. W związku z tym warto jest zadbać o ten element, zarówno poprzez
optymalną konstrukcję, jak i odpowiedni system diagnostyki technicznej.
W dalszej części jest przedstawiona koncepcja systemu do diagnostyki regeneratora
silnika Stirlinga z wykorzystaniem metody Grafów Wiązań (GW).
2. Silnik Stirlinga
Silnika Stirlinga składa się z dwóch tłoków (zimnego i ciepłego), regeneracyjnego
wymiennika ciepła, a także wymienników ciepła pomiędzy czynnikiem roboczym,
1
Mgr inż. Miłosz Meus, asystent Katedry Mechatroniki i Edukacji Techniczno-Informatycznej Uniwersytetu
Warmińsko-Mazurski w Olsztynie
165
a zewnętrznymi źródłami. Czynnikiem roboczym w tych silnikach może być hel, wodór
lub też powietrze. Cykl pracy silnika Stirlinga sprowadza się do czterech następujących
faz: chłodzenia, sprężania, ogrzewania i rozprężania. Fazy te są realizowane poprzez
przemieszczanie czynnika roboczego (gazu) pomiędzy ciepłą oraz zimną częścią silnika.
Silnik Stirlinga pracuje w układzie stałego połączenia z zewnętrznym źródłem ciepła,
które doprowadza to ciepło do czynnika roboczego poprzez nagrzewanie zewnętrznej
ścianki nagrzewnicy. Ideę działania silnika Stirlinga przedstawia rysunek 1.
Rys. 1. Zasada działania silnika Stirlinga (H – nagrzewnica; R –
regenerator, K – chłodnica) [2]
Ważnym elementem silnika Stirlinga jest regenerator, który przejmuje ciepło od
czynnika roboczego w czasie jego przepływu z przestrzeni ogrzewanej do chłodzonej.
Właśnie dzięki możliwości akumulowania i odzyskiwania energii cieplnej w czasie
cyklu roboczego, można w silniku Stirlinga osiągnąć dużą sprawność [3].
2.1. Regenerator
Regenerator w silniku Stirlinga jest specjalnym, bezprzeponowym wymiennikiem
ciepła, w którym w strumieniu przepływającego płynu są umieszczone elementy
akumulujące energię cieplną [4]. Regenerator pracuje w sposób cykliczny i obejmujący
dwa okresy. W pierwszym okresie temperatura gazu, który przepływa przez regenerator,
jest wyższa niż temperatura wypełnienia akumulacyjnego. Ciepło, od przepływającego
gazu, jest przekazywane do wypełnienia akumulacyjnego. Natomiast w drugim okresie
przez regenerator przepływa gaz o temperaturze niższej niż temperatura wypełnienia.
Wtedy energia zakumulowana w wypełnieniu jest przekazywana do przepływającego
gazu. Dzięki takiemu działaniu regenerator w istotny sposób zwiększa energetyczną
efektywność silnika. Z kolei zwiększenie efektywności silnika oznacza oszczędności
w zużyciu energii, która jest konieczna do napędu silnika. Z tego właśnie względu
regenerator energii cieplnej gazu roboczego w silniku Stirlinga nazywany jest
„ekonomizatorem”, ponieważ ma bezpośredni wpływ na współczynnik efektywności
ekonomicznej silnika [1]. W konstrukcji regeneratora bardzo ważne jest osiągnięcie
małego oporu przepływu gazu oraz szybkiej wymiany ciepła. Można to uzyskać
166
dobierając, w zależności od rodzaju gazu roboczego, odpowiednio porowaty wkład
regeneratora.
Regenerator, jak już wspomniano, ma decydujący wpływ na osiągnięcie dużej
sprawności silnika, co potwierdza wzór na sprawność cieplną obiegu porównawczego
Rallisa przy założeniu, iż sprężanie i rozprężanie odbywa się izotermicznie dla obiegu
z częściową regeneracją oddawanego ciepła [1]:
t
1
qodp
qdop
qch (1 r )
(q grz
r qch )
(1)
Jak wynika ze wzoru (1) sprawność regeneratora jest współczynnikiem istotnym
szczególnie przy wyznaczaniu ciepła traconego w regeneratorze wg zależności
qch (1 r ) , a także przy wyznaczaniu ciepła doprowadzonego do regeneratora w celu
pokrycia w nim strat ciepła wg zależności (q grz
r qch ) .
Nieefektywność regeneratora nakłada dodatkowe
nagrzewnicę i chłodnicę – straty regeneratora [1].
obciążenie
termiczne
na
3. Metoda Grafów Wiązań
Technika modelowania układów fizycznych oparta na Grafach Wiązań (GW)
i Równaniach Stanu (RS) jest metodą, której podstawy zostały określone w latach
sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Ideą przewodnią tej metody było stworzenie
jednolitego sposobu modelowania procesów energetycznych o różnej naturze fizycznej.
Metoda GW posiada sporo zalet, do których zalicza się między innymi:
 jednakowe podejście do modelowania elementów systemu o różnej naturze
fizycznej,
 możliwość modelowania procesów chemicznych i ekonomicznych,
 łatwość rozwijania lub upraszczania modelu,
 możliwość budowy modelu z gotowych powtarzalnych elementów,
 praktyczna eliminacja błędów w układaniu równań stanu, między innymi dzięki
analizie przyczynowości, będącej ważnym elementem tej metody.
Metoda GW może być stosowana do badań symulacyjnych dynamiki złożonych
obiektów energetycznych. Ważnym zastosowaniem modeli matematycznych w postaci
równań stanu jest ich użycie w numerycznych metodach optymalizacji dynamicznej.
2.1. Model regeneratora
W przypadku wymiany ciepła, jako grafy reprezentujące elementy akumulujące
energię i elementy rozpraszające (dyssypacyjne) należy stosować grafy o pojedynczym
węźle, gdyż to jest zgodne z elementarną teorią grafów wiązań [4]. Profesor Cichy
uważa również, że w modelach wymiany ciepła należy zrezygnować ze stosowania
analizy przyczynowości, gdyż:
 w problemach wymiany ciepła istnieje tylko jeden sposób akumulacji energii,
co wynika z pierwszej zasady termodynamiki, a więc nie może być konfliktu
związanego z przyczynowością całkową i różniczkową,
 elementy reprezentujące źródła energii w modelach cieplnych mogą mieć oba
parametry energetyczne w postaci niezależnych funkcji czasu, co wyklucza
określenie rodzaju przyczynowości źródła, a więc uniemożliwia przeprowadzenie
analizy przyczynowości.
167
Przy tworzeniu modelu regeneratora należy podzielić go na N segmentów. Każdy
z segmentów składa się z dwóch symetrycznie umieszczonych kanałów oraz z płyty,
która stanowi wypełnienie.
Rys. 2. Schemat połowy segmentu regeneratora do budowy modelu GW
i oznaczenia temperatur [4]
Ponieważ segment jest symetryczny, to możliwe jest rozpatrywanie tylko i wyłącznie
jego połowy. Natomiast oś symetrii można traktować, jako idealną przegrodę izolacyjną
(Rys. 2). Tak utworzony schemat jest idealny do budowy modelu GW, a także
oznaczenia temperatur.
Przy tworzeniu tego modelu istotne jest założenie stałej temperatury w elemencie
akumulacyjnym. W modelu można wyodrębnić dwa niezależne akumulatory energii oraz
jedno źródło energii. W oparciu o te założenia na rysunku 3 przedstawiono model GW
dla połowy segmentu regeneratora.
Rys. 3. Model GW połowy segmentu regeneratora [4]
Na podstawie rysunku 3 można określić strumienie energii. Bilans energetyczny dla
tego modelu można zapisać w następującej postaci:
E ap
E SM
gdzie:
E ap – energia akumulowana w płynie,
E – energia doprowadzona ze źródła,
SM
E p – energia odprowadzona z płynem,
E – energia akumulowana w wypełnieniu.
aw
168
E p
E aw
(2)
Po rozpisaniu równania i odpowiednich przekształceniach można zapisać równania
stanu w postaci:
X
Y
f1 ( X , U )
f 2 ( X ,U )
(3)
Aby bardziej rozbudować stworzony model należy uwzględnić zmiany gęstości
gazu w każdym „i-ty” segmencie. W tym celu należy w każdy „i-ty” segment powiązać
z gęstością, która odpowiada parametrom gazu, tj. temperatura i ciśnienie, na wyjściu
z poprzedzającego go segmentu („i–1”). Natomiast każdy „i-ty” segment można
podzielić na „M” elementów. W każdym elemencie przyjmuje się, że płyn jest
nieściśliwy. Liczba zmiennych stanu wynosi 2·N·M przy założeniu, że gradient
temperatury w kierunku prostopadłym do przepływu jest równy 0 [4]. Ponadto, aby
zwiększyć dokładność odwzorowania, to połowę wypełnienia można podzielić na „k”
części. Przy takich założeniach liczba zmiennych stanu wyniesie M·N·(1+k) części [4].
Przy takich założeniach liczba zmiennych stanu wyniesie M·N·(1+k). Dla tak
określonych założeń schemat podziału regeneratora przedstawia rysunek 4.
i, j-1
i, j
i, j+1
Przepływ gazu
1
oś symetrii
wypełnienia
2
k
2
Wypełnienie
stałe
1
Przepływ gazu
Rys. 4. Schemat podziału regeneratora [4]
4. Koncepcja systemu diagnostycznego
Jednym z podstawowych zadań diagnostyki technicznej jest określenie stanu
maszyny. Obecnie maszyny, a także urządzenia są układami, które składają się z wielu
podzespołów [5]. Bardzo często poprawne działanie jednego z podzespołów ma
kluczowe znaczenie dla działania całego urządzenia. Dlatego też znajomość stanu
maszyny pozwala na podjęcie wszelkich niezbędnych działań, które mają na celu
poprawę bezpieczeństwa eksploatacji, a także zmniejszenie kosztów użytkowania
maszyny oraz kosztów remontowych [6]. Aby móc te cele osiągnąć bardzo ważne jest
stałe nadzorowanie działania maszyny i ostrzeganie użytkownika o nieprawidłowościach
w jej działaniu. Wykonywanie tego typu działań ma szczególne znaczenie w przypadku
maszyn o ruchu ciągłym.
Silnik Stirlinga jest maszyną, która pracuje w trybie ciągłym w ustalonych
warunkach. Jak już wspomniano wcześniej najważniejszym elementem silnika Stirlinga
jest regenerator, gdyż ma decydujący wpływ na osiągnięcie dużej sprawności silnika
169
(wzór 1). Aby usprawnić proces regeneracji i zapewnić większe bezpieczeństwo pracy
proponuje się zastosować na regeneratorze, system diagnostyczny. Stan regeneratora
zależy od wielu czynników, do których zaliczyć można zarówno
czynniki
eksploatacyjne, jak i również związane z otoczeniem. Wszystkie te czynniki są źródłem
informacji, na podstawie których możliwa jest analiza i określenie aktualnego stanu
regeneratora.
System diagnostyczny dla regeneratora (Rys. 5) powinien składać się z trzech
podstawowych układów, do których zaliczyć można:
 układ akwizycji sygnałów,
 układ przetwarzania i analizy sygnałów,
 układ wizualizacji.
Układ akwizycji sygnałów
Układ przetwarzania i
analizy sygnałów
Układ wizualizacji
UAR
Model GW
Regenerator
Tłok gorący
Układ termowizyjny
Tłok zimny
Silnik Stirlinga
Rys. 5. Schemat koncepcyjny systemu diagnostycznego oceny stanu
technicznego regeneratora.
Zadaniem pierwszego układu jest akwizycja sygnałów z rzeczywistego obiektu
technicznego (regeneratora), a także przygotowanie danych w odpowiedniej postaci.
Sygnały zbierane przez ten układ pochodzą z różnego rodzaju czujników (temperatury,
ciśnienia), przepływomierzy, a także z danych uzyskanych przez układ termowizyjny
(straty ciepła). Wszystkie te dane następnie poddawane są analizie przez układ
przetwarzania i analizy sygnałów, który jest sprzężony z układem do modelowania z
wykorzystaniem Grafów Wiązań. Ostatnim układem jest układ wizualizacji wyników,
który będzie miał możliwość sygnalizacji stanu awaryjnego, czyli takiego stanu kiedy
wypełnienie akumulacyjne regeneratora należy wymienić, aby utrzymać sprawność
silnika na właściwym poziomie nie ponosić większych strat
5. Podsumowanie
Wstępnie system ten będzie miał charakter typowo badawczy, którego celem będzie
opracowanie kompletnego modelu pracy (zachowania) regeneratora. Dzięki temu będzie
możliwe pomierzenie parametrów pracy regeneratora, wyjaśnienie od czego zależy
zachowanie rzeczywistego układu oraz w jaki sposób opracowany model odwzorowuje
rzeczywistość. W efekcie będzie można dokonać doboru optymalnej konstrukcji
regeneratora, odpowiedniego materiału i struktury wypełniania akumulacyjnego. Na
etapie koncepcji należy zastanowić się nad wstępnym rozwiązaniem wielu problemów,
170
jakie się pojawiają. Jednym z takich problemów jest kwestia próbkowania sygnałów,
a konkretniej określenie, ile danych jest potrzebnych do wykonania analiz, a także kiedy
te dane należy pobierać. Celowym wydaje się uzależnienie pobierania sygnałów od
częstotliwości pracy silnika Stirlinga. Proponuje się umieścić czujniki pomiarowe przed
wlotem gazu do regeneratora, a także na jego wylocie. Celem takiego działania jest jak
najmniejsza ingerencja w sam regenerator. Ponadto należy uwzględnić problem
bezwładności czujników pomiarowych i wpływ tego zjawiska na wykonywane pomiary.
Układ akwizycji sygnałów musi być tak dobrany, aby jego dynamika była większa niż
dynamika pracy samego silnika Stirlinga. Zastosowanie kamery termowizyjnej z
systemem detekcji obrazu pozwoli dokonać oceny rozkładu temperatury w całym
regeneratorze, a także pozwoli na przesłanie niezbędnych danych o stratach ciepła na
regeneratorze.
Ostatecznie konieczne będzie przeanalizowanie celowości budowy układu
automatycznej regulacji z algorytmem sterowania parametrami silnika, aby utrzymywać
optymalną sprawność silnika Stirlinga.
Wykorzystanie metody Grafów Wiązań pozwoli zweryfikować koncepcję modelu
pracy regeneratora i ograniczy możliwość popełnienia błędów obliczeniowych.
Literatura:
[1]
Piętak A., Radkowski S., Boruta G., Wierzbicki S., Duda K., Mikulski M.,
Nitkiewicz Sz.: Studium możliwości wykorzystania silników o obiegu Stirlinga
do kogeneracyjnych agregatów zasilanych biopaliwami, T.33. Gdańsk 2013
WMMP IMP PAN Gdańsk,
[2]
Strona internetowa Animated Engines {Dostępny - 01.02.2013r.:
http://www.animatedengines.com/index.html},
[3]
Żmudzki S.: Silniki Stirlinga, Warszawa, WNT 1993,
[4]
Cichy M.: Modelowanie systemów energetycznych, Gdańsk 2001, WPG,
[5]
Żółtowski B.: Podstawy diagnostyki maszyn, Bydgoszcz 1996, WATR,
[6]
Cholewa A., Psiuk K.: Diagnostyczne systemy monitorowania stanu maszyn, PM,
Warszawa 2005, s. 48-53.
Streszczenie
W kontekście ekologii i ekonomii, silnik Stirlinga w porównaniu z silnikiem
spalinowym posiada znacznie więcej zalet. Zaliczyć do nich można brak wybuchowego
procesu spalania, możliwość zasilania go energią pierwotną praktycznie z dowolnego
źródła, zmniejszony problem szkodliwości produktów spalania. Z tych właśnie
względów, jako główny element układu kogeneracyjnego zaczęto wprowadzać silnik
Stirlinga.
Sprawność silnika Stirlinga zależy głównie od regeneratora. Dlatego też warto jest
zadbać o ten element, zarówno poprzez optymalną konstrukcję, jak i odpowiedni system
diagnostyczny, który umożliwi utrzymanie sprawności na wysokim poziomie.
W związku z tym w artykule została przedstawiona koncepcja systemu do
diagnostyki regeneratora silnika Stirlinga z wykorzystaniem metody Grafów Wiązań
(GW).
Słowa kluczowe: diagnostyka, metoda Grafów Wiązań, regenerator, silnik Stirlinga.
171
THE CONCEPTION OF THE SYSTEM TO DIAGNOSIS THE STIRLING
ENGINE REGENERATOR BY TAKING ADVANTAGE OF THE BOND GRAPH
METHOD
Abstract
In the context of the ecology and economy, the Stirling engine compared to the
internal combustion engine has much more advantages. These advantages include lack of
explosive combustion process, the ability to power Stirling engine by the primary energy
virtually from any source, reduced the problem of harmful combustion products. For
these reasons, the Stirling engine began to be introduced, as the main element of the
cogeneration system.
The efficiency of the Stirling engine depends mainly on the regenerator. In this
connection, it is worthwhile to take care about this element, through both optimally
placed design and the appropriate diagnostic system, which will make it possible to
maintain a high level of efficiency.
Therefore, in this article was presented the conception of the system to diagnosis the
Stirling engine regenerator by taking advantage of the Bond Graph method.
Keywords: diagnostics, Bond Graph method, regenerator, Stirling engine.
172