CC BY
228
УДК 621.431.74.068.4:662.76
С. В. Виноградов, К. Р. Халыков
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ В СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ КАК УСТРОЙСТВ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ
В настоящее время большое внимание уделяется термоэлектрическим генераторам (ТЭГ) как устройствам для утилизации теплоты отработавших газов на судах. Известно, что судовая энергетическая установка (СЭУ) характеризуется непостоянством режимов работ и, следовательно, параметров горячего теплоносителя, которые влияют на выходные и рабочие параметры ТЭГ. Для более детального исследования этих процессов была разработана модельная установка с ТЭГ, позволяющая изменять параметры горячего и холодного теплоносителей, моделировать переходные режимы СЭУ, исследовать влияние параметров теплоносителей на выходные параметры ТЭГ. Для проведения испытаний была разработана экспериментальная установка с ТЭГ. По результатам испытаний определено влияние параметров теплоносителей на выходные параметры ТЭГ. Тепловые и электрические параметры ТЭГ изменяются при изменении параметров горячего теплоносителя (газа). При увеличении мощности дизеля происходит увеличение температуры и расхода газа, в результате чего температура газа и воды на выходе из ТЭГ, сила тока, напряжение, мощность и КПД увеличиваются.
Ключевые слова: термоэлектрический генератор, энергосбережение, нетрадиционные источники энергии, отработавшие газы, утилизация теплоты.
Введение
Все более широкому развитию и применению термоэлектрических генераторов (ТЭГ) способствуют такие их специфические особенности и достоинства, как безмашинный способ преобразования энергии; отсутствие движущихся частей и бесшумность работы; большая автономность и высокая надежность; долговечность и простота эксплуатации; малая инерционность; легкость регулирования и стабилизации параметров; возможность использования различных средств для отвода тепла и различных источников тепловой энергии; возможность подвода тепла непосредственно от источника и др. Эти генераторы используются в различных областях промышленности, во многих случаях являются экономически более эффективными, чем традиционные источники тока, а в некоторых случаях - единственно возможными. На современном уровне развития технологий производства ТЭГ их применение экономически оправдано при уровне энергопотребления с мощностью от 10-3 до 103 Вт [1].
Различные конструкции ТЭГ, использование которых возможно в системах газовыхлопа двигателей внутреннего сгорания (ДВС), нашли своё отражение в патентах. Патентный поиск показал, что в настоящее время большое внимание уделяется ТЭГ как устройствам для утилизации теплоты отработавших газов (ОГ) на судах.
Модельная и экспериментальная установки. Результаты испытаний
Судовая энергетическая установка (СЭУ) характеризуется непостоянством режимов работ и, следовательно, параметров горячего теплоносителя. Последние влияют на выходные и рабочие параметры ТЭГ. Для более детального исследования этих процессов была разработана модельная установка с ТЭГ, позволяющая изменять параметры горячего и холодного теплоносителей, моделировать переходные режимы СЭУ, исследовать влияние параметров теплоносителей на выходные параметры ТЭГ. В состав установки входят: термоэлектрический генератор 1, отводная труба 2, система трубопроводов и регулирующая арматура 3, насос для подачи охлаждающей воды 4, расходомер 5, фильтр 6, нагрузочное устройство 7 и патрубки 8 (рис. 1) [2-4].
Термоэлектрический генератор представляет собой съемную конструкцию, которая встраивается в систему газовыхлопа ДВС (рис. 2). Устройство содержит горячий узел 1, к которому прижимаются термогенераторные модули 2 при помощи планок 3, образующих холодный узел. Полость охлаждающей воды 4 ограничена холодным узлом и кожухом 5. Фланцы 6 крепятся к торцам установки с одной стороны и к выхлопной трубе 7 - с другой. Подвод и отвод охлаждающей воды осуществляется при помощи патрубков 8.
Рис. 1. Общий вид модельной установки с термоэлектрическим генератором
Вход воды
Рис. 2. Термоэлектрический генератор: а - устройство ТЭГ; б - общий вид ТЭГ
Устройство работает следующим образом: ОГ, имеющий температуру 150-450 °С, проходит внутри шестиугольной трубы, образованной горячим узлом 1, тем самым нагревая его и горячие спаи модуля. Охлаждающая вода, подводимая в полость о хлаждения 4 и отводимая от нее при помощи патрубков 8, охлаждает холодный узел и холодные спаи модуля. Вследствие разности значений температуры между спаями возникает термоЭДС (термоэлектродвижущая сила). Полученное электричество может быть использовано для освещения, подзарядки аккумуляторных батарей или для других потребителей, но с применением инвертора. Полученная горячая вода может быть использована для общесудовых нужд.
В данной установке применяются 30 термогенераторных модулей типа ТГМ-287-1,0-1,5 компании ОАО «КРИОТЕРМ», конструктивные и электрические характеристики которых представлены в табл. 1 и 2 [5].
Таблица 1
Конструктивные характеристики термогенераторного модуля ТГМ-287-1,0-1,5
Тип модуля Длина Ширина Высота Электрическое сопротивление, Rm Тепловое сопротивление
мм Ом ЮВт
ТГМ-287-1,0-1,5 40 40 3,8 4,72 1,16
б
а
Таблица 2
Электрические характеристики термогенераторного модуля ТГМ-287-1,0-1,5
Характеристика tx = 50 оС* tx = 100 оС
tr = 150 оС* tr = 200 оС
Напряжение, В 4,77 4,52
Ток, А 0,47 0,43
Мощность, Вт 2,23 1,93
КПД, % 2,7 2,3
"Параметры 4 - температура холодной стороны; tг - температура горячей стороны указаны для сопротивления нагрузки, равного электрическому сопротивлению модуля
Устройство позволяет преобразовать температурный напор в электричество, а также получить горячую воду для общесудовых нужд.
Нагрузочное устройство ТЭГ состоит из электрических ламп накаливания с номинальной мощностью 10 Вт и напряжением 60 В. Внешняя нагрузка определяется количеством ламп и способом их соединения.
Исследования на модельной установке проводились на 16 режимах: 9 режимов с постоянным массовым расходом воздуха (этап 1) и 7 - с постоянным массовым расходом воды (этап 2). Каждый режим характеризовался различной температурой воздуха, который задавался с шагом в 50 °С. На каждом режиме проводилось 4-5 экспериментов, отличающихся массовым расходом воздуха и воды, которые позволили впоследствии оценить теплофизические и электрические параметры ТЭГ. На рис. 3-4 представлены результаты испытаний на модельной установке.
Из рис. 3-4 видно, что при увеличении расхода одного из теплоносителей растет ЭДС, вырабатываемая ТЭГ. Объясняется это тем, что при увеличении расхода одного из теплоносителей возрастает коэффициент его теплоотдачи, следовательно, возрастает градиент температур на стенке, разделяющей эти теплоносители. Поскольку в ТЭГ градиент температур прямо пропорционален вырабатываемой ЭДС, происходит увеличение последней.
Однако на рис. 3 видно, что при увеличении расхода охлаждающей воды происходит сначала увеличение ЭДС, а затем ее некоторое падение. Объясняется это тем, что при постепенном увеличении расхода воды растет градиент температур. При дальнейшем увеличении расхода воды градиент температуры между спаями ТЭГ растет незначительно, а коэффициент термо-ЭДС, который зависит от средней температуры термоэлементов, снижается.
60
О 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
Рис. 3. Зависимость вырабатываемой ЭДС ТЭГ от расхода воды при Gr = const
70
400
300
200
10
0,0034 0.003S 0,0036 0,0037 0,0038 0,0039 0,004 0,0041 0,0042
Рис. 4. Зависимость вырабатываемой ЭДС ТЭГ от расхода горячего воздуха при GB = const
На рис. 5, 6 представлены графики зависимости рабочих параметров ТЭГ от его внешней нагрузки.
P, Вт §U, В
70
0,01
60 50 40
30 0,004
0,008
0,006
20 10
о
0,002
Птэг г* — I, А
г ч 1
/ ( ч ---
/ « ►
/
0,16 0,14
- 0,12 0,1 0,08 0,06
■ 0,04
■ 0,02 о
0,2915 0,291 0,2905 0,29 0,2895 0,289 0,2885 0,288 0,2875 0,287
!утнл
m
О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Мощность ТЭГ, Вт -ф- Сила тока, А
Напряжение, В ■ Sf ■ Коэффициент
утилизации
-тЛ— КПД ТЭГ
Рис. 5. Зависимость электрических параметров ТЭГ и КПД установки от внешней нагрузки ТЭГ при Gj. = const
P, Вт ( , Вт
/ — <
/
/
0,012
Пт; 0,01
г"4-
У
/
/
/
Мощность ТЭГ, Вт Напряжение, В КПД ТЭГ
Сила тока, А
Коэффициент
утилизации
Рис. 6. Зависимость электрических параметров ТЭГ и КПД установки от внешней нагрузки ТЭГ при GB = const
На рис. 5, 6 видно, что при m = 1 достигается наибольшая мощность. Максимальный КПД ТЭГ достигается в пределах m = 1,3^1,4. С ростом электрической нагрузки растет напряжение в цепи ТЭГ, а сила тока снижается. С ростом нагрузки незначительно (на 1 %) снижается также коэффициент утилизации.
Для проведения испытаний разработана экспериментальная установка с ТЭГ. На рис. 7 представлен общий вид экспериментальной моторной установки.
Рис. 7. Общий вид экспериментальной моторной установки: 1 - дизель 3Ч 17,5/24; 2 - ТЭГ; 3 - выхлопная труба; 4 - термопары; 5 - входная труба воды; 6 - выходная труба воды; 7 - нагрузочное устройство ТЭГ
Установка состоит из одноцилиндрового отсека дизеля 3Ч 17,5/24 1, в систему газовыхлопа 3 которого встроен ТЭГ 2. Через трубопровод 5 подводится, а через трубопровод 6 отводится охлаждающая вода ТЭГ. Вырабатываемая электрическая энергия подводилась к нагрузочному устройству 7 [6, 7].
Судовой дизель 3Ч 17,5/24 является нереверсивным одноцилиндровым тронковым четырехтактным дизелем без наддува (производитель Магдебургские арматурные заводы (Германия)). Основные технические характеристик дизеля приведены в табл. 3 [6, 8].
Таблица 3
Технические характеристики одноцилиндрового отсека дизеля 3Ч 17,5/24
Номинальная эффективная мощность кВт 16
Номинальная частота вращения об/мин 630
Среднее эффективное давление МПа 0,535
Максимальное давление сгорания МПа 5,2
Средняя скорость поршня м/с 5,05
Степень сжатия - 14,85
Диаметр цилиндра мм 175
Ход поршня мм 240
Удельный расход топлива на номинальном режиме г/(кВт • ч) 245 ± 10 %
Геометрический угол опережения впрыскивания топлива поворота коленчатого вала 18
Дизель работает по нагрузочной характеристике на 4 режимах - 10, 25, 50 и 75 % от номинальной мощности. Дизель 3Ч 17,5/24 жестко связан с генератором постоянного тока, имеющим U = 230 В, I = 55 А при п = 630 об/мин. Окончательная обработка исследований производилась в виде зависимостей основных рабочих параметров ТЭГ от нагрузочного коэффициента m (рис. 8).
ш
■ Экспериментальные данные
Расчет по предлагаемой методике
Рис. 8. Зависимость рабочих параметров от сопротивления нагрузки ТЭГ при работе дизеля на режиме 75 % от номинальной мощности
Анализ результатов показывает, что при работе дизеля на режиме 75 % от номинальной мощности и с отношением внешней и внутренней нагрузок ш = 1,097 достигается максимальная мощность ТЭГ Р = 45,84 Вт, напряжение и = 130 В, сила тока I = 0,353 А, коэффициент полезного действия п = 2,35 %.
Заключение
В результате испытаний на модельной установке с ТЭГ определено влияние параметров теплоносителей на выходные параметры ТЭГ.
Тепловые и электрические параметры ТЭГ изменяются при изменении параметров горячего теплоносителя (газа). При увеличении мощности дизеля происходит увеличение температуры и расхода газа, в результате температура газа и воды на выходе из ТЭГ, сила тока, напряжение, мощность и КПД увеличиваются.
Температура ОГ судовых дизелей может достигать 300-450 оС (573-723 К). Использование в качестве холодного приемника теплоты забортной воды, максимальная температура которой не превышает 30 оС (303 К), позволяет рассчитывать на возможность получения на термоэлементах перепада температуры не менее 270-420°. При современном состоянии развития техники получения термоэлектричества эта величина температурного перепада может обеспечить утилизацию около 2-3 % тепловой энергии, бесполезно теряемой в СЭУ. Правда, абсолютная величина выигрыша при этом может оказаться несколько меньшей. Это объясняется, во-первых, возникновением дополнительных затрат энергии на прокачку забортной воды, необходимой для охлаждения холодных спаев термоэлементов, и, во-вторых, некоторым увеличением гидравлического сопротивления газового тракта.
Кроме того, ТЭГ утилизационного типа, безусловно, вызовет увеличение построечной стоимости энергетической установки.
Естественно, все эти вопросы требуют тщательного технико-экономического анализа с учетом конкретных исходных данных экономической эффективности, необходимости в надежном статическом источнике электроэнергии и ограничений по температуре ОГ, а также многих других факторов. Тем не менее следует указать, что существенное уменьшение стоимости и постепенное увеличение КПД термоэлементов позволяют считать вполне обоснованным самое серьезное внимание, которое следует уделить вопросу термоэлектрической утилизации теплоты ОГ в СЭУ.
Следует также отметить, что ТЭГ, использующие теплоту ОГ судовых дизелей, могут размещать непосредственно на газовыхлопном тракте в любой его части. Весьма важен и тот факт, что для охлаждения ТЭГ может быть использовано оборудование системы охлаждения дизелей.
При проектировании утилизационных систем с ТЭГ необходимо учесть, что температура ОГ после ТЭГ должна быть выше точки росы во избежание низкотемпературной коррозии поверхностей нагрева из-за выпадения из продуктов сгорания оксида SO2, образующего с водой при точке росы H2SO4 - серную кислоту, разрушающую элементы газовыхлопной системы. Значение температуры точки росы зависит от парциального давления водяных паров в ОГ и от содержания серы в топливе. Точка росы рассчитывается по эмпирической формуле:
t = t + 98,5^,
где ts - температура насыщения водяного пара, соответствующая его парциальному давлению в ОГ, С; Sp - приведенное содержание серы в топливе, %.
При проектировании принимают температуру ОГ на выходе из ТЭГ 175-195 °С.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Котырло Г. К. Расчет и конструирование термоэлектрических генераторов и тепловых насосов / Г. К. Котырло, Ю. Н. Лобунец. Киев: Наук. думка, 1980. 327 с.
2. Виноградов С. В. Модельная экспериментальная установка с термоэлектрическим генератором / С. В. Виноградов, К. Р. Халыков, К. Д. Нгуен // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2010. № 2. С. 66-70.
3. Халыков К. Р. Экспериментальная установка с термоэлектрическим генератором. Программа и методика исследования / К. Р. Халыков // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2014. № 5. С. 14-17.
4. Пат. 108214 Российская Федерация, МПК H01L 35/02. Устройство для утилизации теплоты отработавших газов в судовых энергетических установках / С. В. Виноградов, К. Р. Халыков, К. Д. Нгуен, Е. Г. Корниенко, С. А. Слепухин; опубл. 10.09.2011; Бюл. № 25.
5. Производство термоэлектрических модулей // URL: www.kryotherm.ru.
6. Покусаев М. Н. Методические указания к лабораторной работе «Испытание дизеля Ч 17,5/24 (NVD 24) по нагрузочной характеристике» для студентов специальности 140200 - Проектирование и монтаж судовых энергетических установок / М. Н. Покусаев. Астрахань: АТИРПиХ, 1989. 22 с.
7. Виноградов С. В. Методика расчета и оценки параметров экспериментального термоэлектрического генератора / С. В. Виноградов, К. Р. Халыков, К. Д. Нгуен // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2011. № 1. С. 84-91.
8. Нгуен Конг Доан. Утилизация теплоты отработавших газов судовых дизелей в термоэлектрических генераторах / Нгуен Конг Доан: дис. ... канд. техн. наук. Астрахань, 2012. 163 с.
Статья поступила в редакцию 26.09.2014, в окончательном варианте - 06.11.2014
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Виноградов Сергей Владимирович - Россия, 414056, Астрахань, Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры «Эксплуатация водного транспорта»; khalykov@mail.ru.
Халыков Камиль Рафаэльевич - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; соискатель кафедры «Эксплуатация водного транспорта»; khalykov@mail.ru.
S. V. Vinogradov, K. R. Khalykov
USE OF THERMOELECTRICAL GENERATORS IN MARINE POWER INSTALLATIONS AS DEVICES OF THE DIRECT TRANSFORMATION OF HEAT POWER INTO ELECTRICAL POWER
Abstract. Now the great interest is given to thermoelectric generators as devices for utilization of warmth of the exhaust gases on the vessels. It is known that marine power plant (MPP) is characterized by inconstancy of operating modes, and, therefore, parameters of the hot heat carrier, which influence the output and operating TEG parameters. The model installation with the thermoelectric generator allowing to vary the parameters of hot and cold heat carriers, to model the MPP transitional modes, to investigate the influence of the parameters of heat carriers on the output TEG parameters was developed for more detailed research of these processes. The experimental installation with the thermoelectric generator is developed to carry out the natural tests. By the results of the carried out tests, the influence of the parameters of heat carriers on the output TEG parameters was determined. Thermal and electric TEG parameters change during the changes of the parameters of the hot heat carrier (gas). With the increase in power of the diesel, there is an increase in temperature and gas consumption, as a result of it, gas and water temperature at the exit from the TEG, current, tension, power and efficiency also increase.
Key words: thermoelectric generator, energy conservation, non-conventional energy sources, exhaust gases, heat utilization.
REFERENCES
1. Kotyrlo G. K., Lobunets Iu. N. Raschet i konstruirovanie termoelektricheskikh generatorov i teplovykh nasosov [Calculation and designing of thermoelectric generators and heat pumps]. Spravochnik. Kiev, Naukova Dumka Publ., 1980. 327 p.
2. Vinogradov S. V., Khalykov K. R., Nguen K. D. Model'naia eksperimental'naia ustanovka s termoelek-tricheskim generatorom [Model experimental installation with thermoelectric generator]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2010, no. 2, pp. 66-70.
3. Khalykov K. R. Eksperimental'naia ustanovka s termoelektricheskim generatorom. Programma i meto-dika issledovaniia [Experimental installation with thermoelectric generator. Program and methodology of the research]. Khimicheskoe i neftegazovoe mashinostroenie, 2014, no. 5, pp. 14-17.
4. Vinogradov S. V., Khalykov K. R., Nguen K. D., Kornienko E. G., Slepukhin S. A. Ustroistvo dlia utili-zatsii teploty otrabotavshikh gazov v sudovykh energeticheskikh ustanovkakh [Device for utilization of heat of exhaust gases in marine power plants]. Patent RF, no. 108214, 2011.
5. Proizvodstvo termoelektricheskikh modulei [Production of thermoelectric modules]. Available at: www.kryotherm.ru.
6. Pokusaev M. N. Metodicheskie ukazaniia k laboratornoi rabote «Ispytanie dizelia Ch 17.5/24 (NVD 24) po nagruzochnoi kharakteristike» dlia studentov spetsial'nosti 140200 - Proektirovanie i montazh sudovykh energeticheskikh ustanovok [Methodical recommendations to the laboratory work "Testing of the diesel Ch 17,5/24 (NVD 24) by the loading characteristic"]. Astrakhan, ATIRPiKh, 1989. 22 p.
7. Vinogradov S. V., Khalykov K. R., Nguen K. D. Metodika rascheta i otsenki parametrov eksperimen-tal'nogo termoelektricheskogo generatora [Methods of calculation and assessment of parameters of experimental thermoelectric generator]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Mor-skaia tekhnika i tekhnologiia, 2011, no. 1, pp. 84-91.
8. Nguen Kong Doan. Utilizatsiia teploty otrabotavshikh gazov sudovykh dizelei v termoelektricheskikh generatorakh. Dis. kand. tekhn. nauk [Utilization of heat of exhaust gases of marine diesels in thermoelectric generators. Dis. cand. tech. sci.]. Astrakhan, 2012. 163 p.
The article submitted to the editors 26.09.2014, in the final version - 06.11.2014
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Vinogradov Sergey Vladimirovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Professor of the Department "Operation and Maintenance of Water Transport"; khalykov@mail.ru.
Khalykov Kamil Rafaelevich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of the Department "Operation and Maintenance of Water Transport"; kha-lykov@mail.ru.
