CC BY-NC
8
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-1-S-I-50-52 УДК 621.362
Р.О. Голубев, С.П. Столяров
СПбГМТУ, Санкт-Петербург
ОЦЕНКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ УТИЛИЗАЦИОННОЙ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ СУДОВОГО ГЛАВНОГО МАЛООБОРОТНОГО ДИЗЕЛЯ
В работе перечислены основные факторы, определяющие перспективность применения термоэлектрогенераторов в составе судовых энергетических установок. Приведён пример расчёта мощности термоэлектрогенераторной установки, утилизирующей бросовое тепло судового малооборотного дизеля. Определены направления повышения энергетической эффективности установки.
Ключевые слова: судовая энергетическая установка, термоэлектрический генератор, утилизация теплоты. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-1-S-I-50-52 UDC 621.362
R.O. Golubev, S.P. Stolyarov
St. Petersburg State Marine Technical University, St. Petersburg
THE PERFORMANCE ESTIMATION OF THE THERMOELECTRIC
WASTE HEAT RECOVERY POWER PLANT
FOR THE MARINE MAIN LOW-SPEED DIESEL ENGINE
The main factors defining prospects of thermoelectric generators application in marine power plants were named in the paper. An example of the performance calculation for the thermoelectric waste heat recovery power plant for the marine low-speed diesel engine was provided. The directions of the plant's energy efficiency improvement were defined. Key words: marine power plant, thermoelectric generator, waste heat recovery. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Получение электроэнергии на борту посредством применения термоэлектрических эффектов - это новое направление развития судовой энергетики. Применение теплоутилизационных установок на базе термоэлектрических генераторов (ТЭГ) перспективно по следующим причинам: 1. Включения ТЭГ в состав судовой энергетической установки (СЭУ) практически не увеличивает стоимость её обслуживания - срок службы некоторых из них уже достигает 20 лет, а подвижные элементы в ТЭГ отсутствуют вследствие прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.
2. Возможность сокращения массовых и габаритных характеристик СЭУ - в отличие от применяемых систем глубокой утилизации теплоты для работы ТЭГ не требуются турбины, конденсаторы, дополнительные нагнетатели сред, с соответствующими трубопроводами и арматурой.
3. ТЭГ малочувствительны к изменению режима работы СЭУ - в пределах диапазонов рабочих режимов СЭУ значения показателей, определяющих целесообразность применения утилизации, не вынуждают выполнять отключения ТЭГ.
4. Обеспечение возможности утилизации низкопотенциальной теплоты - правильный подбор
Для цитирования: Голубев Р.О., Столяров С.П. Оценка производительности утилизационной термоэлектрогенераторной установки судового главного малооборотного дизеля. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; Специальный выпуск 1: 50-52.
For citations: Golubev R.O., Stolyarov S.P. The performance estimation of the thermoelectric waste heat recovery power plant for the marine main low-speed diesel engine. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; Special Edition 1: 50-52 (in Russian).
R.O. Golubev, S.P. Stolyarov
The performance estimation of the thermoelectric waste heat recovery power plant for the marine main low-speed diesel engine
полупроводниковых материалов (основного элемента ТЭГ) позволяет обеспечить работу генератора практически при любой температуре теплоносителей СЭУ и при любых значениях температурных перепадов в ТЭГ.
5. Возможность комбинирования ТЭГ с другими способами утилизации теплоты - физически приближённо ТЭГ представляет собой термическое сопротивление, и тепловой поток может проходить через ТЭГ (частично утилизи-руясь в нём) в другую теплоутилизационную установку.
6. Для утилизационной установки менее значима эффективность процесса преобразования энергии - ТЭГ работает на бросовом тепле.
В таблице 1 приведён прогноз производительности ТЭГ. Источником теплоты является малооборотный дизель MAN B&W 5S70ME-C10.5-TII [1], экологический уровень TIII обеспечивается применением селективного каталитического реактора. Температура атмосферного воздуха и охлаждающей воды приняты равными 25 °C. Электрическая мощность, получаемая ТЭГ, определяется как суммарная от четырёх автономных ТЭГ, работающих на соответствующих тепловых ресурсах: смазочном масле, воде контура высокотемпературного охлаждения, наддувочном воздухе и отработанных газах. Расчёт был выполнен для работы ДВС с относительной мощностью в 65%, при которой он имеет минимальный, для выбранных условий эксплуатации, расход топлива [2]. Необходимые параметры ДВС приняты в соответствии с проспектом фирмы [1] и в результате расчёта компьютерной программы по методике фирмы-производителя [2].
В качестве полупроводникового вещества для ветвей всех ТЭГ принят теллурид висмута (В12Те3) как наиболее широко применяемый и доступный материал. Расчёты выполнялись по полупроводниковому слою без привязки к конкретному типоразмеру термоэлектрического модуля. Эффективность прямого преобразования тепловой мощности теп-лообменных аппаратов СЭУ в электрическую (КПД ТЭГ) определялась по формуле:
П = П
m
1 + m - nt /2 +
(1 + m)2 ZTT
(1)
где п - термический КПД; т - нагрузочный коэффициент (отношение электрических сопротивлений нагрузки и ТЭГ); 2 - термоэлектрическая добротность полупроводникового вещества; ТГ - температура горячих спаев термоэлементов ТЭГ. Перепад температур на термоэлементах был принят равным полуразности средних температур теплоносителей. В первом приближении, при расчёте электрической мощности генераторов не учитывалось влияние термоэлектрических эффектов на подводимые тепловые потоки. Нагрузочный коэффициент во всех случаях принят равным единице - условие максимальной удельной мощности ТЭГ (с единицы поверхности теплообмена) [3].
Полученной электрической мощности достаточно, например, для обеспечения на ходовом режиме примерно половины общесудовой потребности в электроэнергии среднестатистического контейнеровоза длиной менее 140 м или четверти потребности балкера [4].
Таблица 1. Прогноз производительности судовых ТЭГ
Ресурсы утилизации теплоты
Параметры Масло Вода 3-го контура Воздух Отработанные газы
Тепловая мощность, кВт 810 1460 3310 1903*
Средняя температура горячего теплоносителя, °С 47,5 79,5 92 193
Средняя температура холодного теплоносителя, °С 27,5 29,5 31 144**
Термоэлектрическая добротность 2-103, К"1 2,865 2,618 2,532 1,802
КПД ТЭГ, % 0,50 1,14 1,35 0,79
Мощность электрическая, кВт 4,1 16,6 44,7 15,0
Полная электрическая мощность, кВт 80,4
* тепловая мощность, потенциально утилизируемая при охлаждении газов до температуры 160 °С; температура насыщения водяного пара при давлении 0,4 МПа.
ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
51
Следует учитывать, что представленные результаты не следует воспринимать, как предельные.
Причины следующие:
1. Обычная замена значения коэффициента m в формуле (1) на величину, соответствующую точке оптимума КПД, а не удельной мощности, уже обеспечивает прирост эффективности.
2. Проектный расчёт ТЭГ не проводился и действительные перепады температуры на термоэлементах могут быть больше.
3. Существенно занижена производительность ТЭГ, работающего на отработанных газах ДВС, т. к. охлаждение в нём производится пароводяной двухфазной средой. Если на судне отсутствует потребность в насыщенном паре, то производительность этого ТЭГ значительно возрастёт.
4. Расчёт вёлся по средним значениям температуры теплоносителей. Зональная оптимизация термоэлектрических модулей по температурным уровням в генераторе также повысит КПД.
5. Главный дизель - это не единственный источник бросового тепла на судне. Например, среднесуточная электрическая мощность ТЭГ на базе инсинератора средней производительности составляет(25-58) кВт.
6. Bi2Te3 - это не самый эффективный полупроводник для ТЭГ, хотя и наиболее освоенный промышленностью. Современные лабораторные образцы показывают в два и более раз лучшую термоэлектрическую добротность. Действительный спектр направлений развития ТЭГ значительно шире, однако даже приведённые результаты показывают, что посредством ТЭГ возможно обеспечить существенную долю общесудовой потребности в электроэнергии.
Список использованной литературы
1. MAN B&W S70ME-C10.5-TII, Project Guide. Копенгаген: MAN Diesel & Turbo, 2018. 374 с.
2. CEAS Engine Data report, 5S70ME-C10.5-HPSCR [Электронный ресурс] // MAN Diesel & Turbo. URL: https://www.man-es.com/marine/products/planning-tools-and-downloads/ceas-engine-calculations (дата обращения: 18.01.2021).
3. Ковальский Р.В. Инженерные методы расчета термоэлектрических генераторов. М.: Наука, 1990. 189 с.
4. M. Loupis, N. Papanikolaou, J. Prousalidis. Fuel consumption reduction in marine power systems through thermoelectric energy recovery // Proceedings of the 2nd International MARINELIVE conference on all electric ship. 2013. С. 1-7.
Поступила / Received: 15.11.21 Принята в печать / Accepted: 08.12.21 © Голубев Р.О., Столяров С.П., 2021
