CC BY
18УДК 629.5.069
Орехво Владимир Анатольевич, к.т.н. доцент кафедры ПТМ и МР,
ФГБОУВО «ВГУВТ», e-mail: vova23061962@yandex.ru
Лузгин Александр Сергеевич, студент ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
образования «Волжский государственный университет водного транспорта»
(ФГБОУ ВО «ВГУВТ»)
603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ВТОРИЧНОЙ ТЕПЛОТЫ СЭУ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА СУДАХ РЕЧНОГО И МОРСКОГО ФЛОТА
Ключевые слова: преобразование теплоты, электроэнергия, электрогенератор, принципы преобразования теплоты, утилизация тепла, устройства для преобразования теплоты, модуль Пельтье.
Аннотация. В данной статье рассматриваются возможности утилизации вторичной теплоты в судовых условиях с использованием рассмотренных устройств для получения электроэнергии. Генерация электричества из тепловой энергии - это перспективный и доступный способ прямого преобразования энергии из одного вида в другой. Актуальность представленной работы заключается в том, что прямое преобразование тепловой энергии в электрическую без промежуточного превращения в механическую энергию представляет собой оптимальное решение данной проблемы. В связи с этим, вопрос о преобразовании теплоты в электричество становится все более интересным и актуальным. Наиболее изученным и перспективным способом преобразования вторичной теплоты в судовых условиях является модуль Пельтье.
Введение. На чем строится современное общество? Сегодня трудно представить мир без технологий, в основе работы которых лежит электроэнергия. Компьютеры, сотовые телефоны, машины - это малая часть устройств, которые сопровождают каждого человека на протяжении всего дня.
Насколько эффективно мы используем данные нам технологии? Далеко не каждый из нас знает, что более половины всей потребляемой энергии теряется в виде выделения теплоты.
Содержание. Варианты устройств для преобразования теплоты в электрическую энергию.
Из множества проанализированных источников по данной теме, хотелось бы выделить 4 основных варианта выполнения «тепловых генераторов» [1-4]:
1. Паровой поршневой двигатель
2. Паровая турбина
3. Двигатель Стирлинга
4. Модули Пельтье
1. Паровой поршневой двигатель
В самое последнее время на российском рынке появились предложения продукции ряда фирм: немецкой фирмы Spilling, чешских компаний PolyComp и Tenza s.a. По своей конструкции это паровые поршневые машины одноступенчатые с системой золотникового распределения пара в отличие от современных паровых машин многоступенчатого исполнения. Внутренний к.п.д. процесса расширения таких машин несколько выше в сравнении с осевыми турбинами этого уровня мощности, то есть, на-
Орехво В.А., Лузгин А. С.
Перспективы применения преобразователей вторичной теплоты СЭУдля получения.
ходится на уровне 0,65...0,75. Следует отметить, что это машины противодавленче-ского типа. Узкий диапазон мощностей от 100 кВт до 1200 кВт, а также противодав-ленческий тип этих агрегатов ограничивают их применение. Предлагать к установке в России их стали в самое последнее время. Отсутствует информация по объектам, на которых они установлены в нашей стране.
Паросиловые мини-конденсационные электрические станции по циклу Ренкина, реализуемые с помощью поршневых машин
Интересны перспективы парового мотора, работающего по паровому конденсационному циклу Ренкина с регенерацией, изобретенного Гарри Шоэлом (Harry Schoell). Компания Cyclone Power Technologies Inc. (США) в 2009 г. получила российский патент (RU 2 357 091) с приоритетом от 2005 г. на свой «двигатель с регенерацией теплоты» (heat regenerative engine - англ.) [5,6].
Одна из модификаций двигателя и принципиальная схема потоков показаны на рис. 1. Так же там представлено устройство двигателя, работающего на жидком или газообразном топливе. В верхней части находится реактор-камера сгорания. В кольцевое пространство реактора вокруг нагревателя рабочего тела распыляется топливо-воздушная смесь (вариант жидкого и газообразного топлива). Регулировка процесса сгорания обеспечивает температуру в факеле не более 1230°C для контроля окиси углерода и окислов азота. Сгорание происходит при атмосферном давлении. Пары воды и углекислый газ находятся в составе выхлопных газов в газообразном состоянии при температуре около 160°C. В нагревателе образуется пар при температуре 650°С, давлении 221 бар.
Рис. 1. Схема цикла двигателя с регенерацией теплоты
Схема цикла приведена на рисунке справа. Регенерация теплоты в цикле реализуется при нагреве воздуха, подаваемого на горение, в конденсаторе при охлаждении водяного пара, дальнейшем подогреве выхлопными газами, при подогреве отработавшим в рабочих цилиндрах паром питательной воды. Термический к.п.д. цикла достигает 34%. Масло для смазки не используется, его функцию выполняет водяной пар. Скорость вращения вала 3600 об./мин, поэтому редуктор не требуется [7].
2. Паровая турбина
В нашей стране есть несколько предприятий, занимающихся производством паровых электрогенераторов. В частности, речь идет о турбогенераторах компаний «Калужский турбинный завод» и ОАО «Росэлектромаш».
Целесообразность эксплуатации
Что касается использования электрогенераторов, работающих на пару, то их использование в котельных установках может принести определенные плоды. Дело в том, что по достижении некоторых показателей мощности, данные установки показывают очень хорошие рабочие характеристики, выгодно отличающие их от своих аналогов.
3. Двигатель Стирлинга
Современная инженерия различает три основных вида подобных двигателей:
- альфа-стирлинг, отличие которого в двух активных поршнях, расположенных в самостоятельных цилиндрах. Из всех трех вариантов данная модель отличается самой высокой мощностью, обладая самой высокой температурой нагревающегося поршня;
- бета-стирлинг, базирующийся на одном цилиндре, одна часть которого горячая, а вторая холодная;
- гамма-стирлинг, имеющий кроме поршня еще и вытеснитель. Производство электростанции на Стирлинге будет зависеть от выбора модели
двигателя, что позволит учесть все положительные и отрицательные стороны Конструкция исполнения «Альфа» представлена на рис. 2.
Рис. 2. Альфа-Стирлинг
Этот двигатель включает в себя два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень расположен в отдельном цилиндре. Холодный цилиндр находится в теплообменнике, а горячий нагревается.
Конструкция исполнения «Бета» представлена на рис. 3.
Орехво В.А., Лузгин А. С.
Перспективы применения преобразователей вторичной теплоты СЭУдля получения.
Рис. 3. Бета-Стирлинг
Цилиндр с поршнем охлаждается с одной стороны, и нагревается с противоположной стороны. В цилиндре перемещается силовой поршень и вытеснитель, служащий для уменьшения и увеличения объема рабочего газа. Регенератор выполняет обратное перемещение остывшего газа в нагретое пространство двигателя.
Конструкция исполнения «Гамма» представлена на рис. 4.
Рис. 4. Гамма-Стирлинг
Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр весь холодный. В нем перемещается рабочий поршень, Второй цилиндр с одной стороны нагретый, а с другой - холодный, и предназначен для передвижения вытеснителя. Регенератор для перекачки охлажденного газа может являться общим для двух цилиндров, либо может быть включен в устройство вытеснителя.
Области применения двигателя Стирлинга
Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой, при этом эффективность прочих видов тепловых агрегатов существенно ниже при аналогичных условиях. Очень часто подобные агрегаты применяются в питании насосного оборудования, холодильных камер, подводных лодок, батарей, аккумулирующих энергию [8].
Одним из перспективных направлений области использования двигателей Стир-линга являются солнечные электростанции, поскольку данный агрегат может удачно применяться для того, чтобы преобразовывать энергию солнечных лучей в электрическую [14]. Для осуществления этого процесса двигатель помещается в фокус зеркала, аккумулирующего солнечные лучи, что обеспечивает перманентное освещение области, требующей нагрева. Это позволяет сфокусировать солнечную энергию на малой площади. Топливом для двигателя в данном случае служит гелии или водород. 240
При необходимости создания преобразователя теплоты компактных размеров можно вполне использовать мотор Стирлинга. При этом эффективность других аналогичных двигателей значительно ниже.
С помощью двигателя Стирлинга можно резервировать тепловую энергию, используя аккумуляторы теплоты фазового перехода на основе расплавов различных солей. Такие устройства имеют запас энергии, превосходящий химические аккумуляторы, и имеют меньшую стоимость.
Высокий интерес к моторам Стирлинга стал итогом интереса общественности в борьбе с загрязнением атмосферы, шумом и сохранением природных энергетических источников [13, 15].
4. Модули Пельтье
Принцип действия модулей
На контакте разнородных проводников происходит выделение или поглощение теплоты в зависимости от направления электрического тока. Поток электронов обладает потенциальной и кинетической энергией. Плотность тока в контактирующих проводниках одинакова, а плотности потоков энергии отличаются.
Если энергия, втекающая в контакт, больше энергии, вытекающей из него, это означает, что электроны тормозятся в месте перехода из одной области в другую и разогревают кристаллическую решётку (электрическое поле тормозит их движение). Когда направление тока меняется, происходит обратный процесс ускорения электронов, когда энергия у кристаллической решётки забирается и происходит её охлаждение (направления электрического поля и движения электронов совпадают).
Энергетическая разность зарядов на границе полупроводников самая высокая и в них эффект проявляется наиболее сильно.
Схема принципа работы модуля
В одном элементе существует 4 перехода между металлом и полупроводниками. При замкнутой цепи поток электронов перемещается от отрицательного полюса АКБ к положительному, последовательно проходя через каждый переход.
Вблизи первого перехода медь - полупроводник р-типа происходит тепловыделение в полупроводниковой зоне, поскольку электроны переходят в состояние с меньшей энергией.
Рядом со следующей границей с металлом в полупроводнике происходит поглощение теплоты, в связи с «высасыванием» электронов из зоны р-проводимости под действием электрического поля.
На третьем переходе электроны попадают в полупроводник типа п, где они обладают большей энергией, чем в металле. При этом происходит поглощение энергии и охлаждение полупроводника около границы перехода [11, 12].
Последний переход сопровождается обратным процессом тепловыделения в п-полупроводнике из-за перехода электронов в зону с меньшей энергией.
Поскольку нагревающиеся и охлаждающиеся переходы находятся в разных плоскостях, элемент «Пельтье» сверху будет охлаждаться, а снизу нагреваться.
На практике каждый элемент содержит большое количество нагревающихся и охлаждающихся переходов, что приводит к образованию ощутимого температурного перепада, позволяющего создать термоэлектрогенератор [9,10].
Элемент «Пельтье» содержит большое количество полупроводниковых параллелепипедов р-, и п-типов, последовательно соединённых между собой перемычками из металла - термоконтактов, другой стороной соприкасающихся с керамической пластиной.
В качестве полупроводников применяется теллурид висмута и германид кремния.
Орехво В.А. , Лузгин А. С.
Перспективы применения преобразователей вторичной теплоты СЭУдля получения...
холодная сторона
горячая сторона
Рис. 5. Принцип работы Модуля Пельтье Заключение
В ходе проделанной работы мы рассмотрели многообразие способов преобразования тепловой энергии в электрическую, как и с промежуточным механическим преобразованием, так и без него (напрямую).
Оптимальным решением для судовой эксплуатации являются паровые турбины за счет своей мощности и высокого КПД. Так-же эффективной утилизацией теплоты выхлопных газов является использование термогенераторов.
Среди вышерассмотренных способов, хотелось бы отметить модуль Пельтье. Он обладает широкими перспективами для использования в судовой отрасли.
Тем не менее, при сравнении дизельных и паровых двигателей (установок) - отчетливо видно, что для судовых условий более подходящим является именно первый тип.
Список литературы:
[1] Арутюнян А.А. Основы энергосбережения / А.А. Арутюнян. - М.: Энергосервис, 2016. -600 с.
[2] Справочник по энергоснабжению и электрооборудованию промышленных предприятий и общественных зданий. - М.: МЭИ, 2010. - 752 с.
[3] Сибикин, Ю.Д. Альтернативные источники энергии: моногр. / Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сиби-кин. - М.: РадиоСофт, 2014. - 248 с.
[4] Новые источники и методы преобразования энергии. - М.: Секретариат СЭВ, 2008. - 120 с.
[5] Baillon N, Grid to Rod Fretting Wear in EDF PWR From Operating Problems To New Designees Qualification Method, France. IAEA, Technical Meeting on Fuel Assembly Structural Behavior, 22-26 November 2004, Cucaracha, France.
[6] Hoeppner, D.W. and Adibnazari, S.: Fretting Fatigue in Aircraft Joints Presented to the International Committee of Aeronautical Fatigue in Stockholm, Sweden, June 1993.
[7] Hoeppner, D.W., Elliot, C.B.III, Moesser M.W. The Role of Fretting Fatigue on Aircraft Rivel Hole Cracking. Technical report DOT/FAA/AR - 96/10, Federal Aviation Administration, Salt Lake City, UT.
[8] Viceconti M et al. Fretting wear in modular neck hip prosthesis. J Biomed Mater Res 1997; 35-2, 207-216.
[9] Tritschler B, Forcst B, Rieu J. Fretting corrosion of materials for orthopedic implants: a study of a metal/polymer contact in an artificial physiological medium, Tiibol Int 1999; 32: 587-596.
[10] Ito, T., Matsushima, M., Takata, K., Hattori, Y. Factors Influencing Fretting Corrosion of Tin Plated Contacts//SEI. Technical Prviev. No 64. April, 2007.
[11] C.A. Brown, and a., Fuel Rod Vibration and Fretting Impact on Reliability, LWR Fuel Performance, 10-13 April, 2000, USA.
[12] http://blog-potolok.ru/kak-proisxodit-preobrazovanie-teplovoj-energii-v-elektricheskuyu/
[13] http://nnhpe.spbstu.ru/maloizvestnoe-oborudovanie-dlya-proizvodstva-elektroenergii/
[14] http://generatorexperts.ru/alternativnye-istochniki/parovye-elektrogeneratory.html
[15] https://manbw.ru/analitycs/which_is_better_gas_piston_or_gas_turbine_power_units.html
PROSPECTS FOR APPLICATION OF SECONDARY CONVERTERS HEATS OF SEU FOR PRODUCING ELECTRIC POWER IN SHIPS OF THE RIVER AND NAVY
Orekhvo Vladimir A., Candidat of Engineering Science, Associate Professor
of the PTM and MR Department,
Volga State University of Water Transport
Luzgin Alexander S., student of Volga State University of Water Transport 5, Nesterov st, Nizhniy Novgorod, 603951
Keywords: heat conversion, electricity, electric generator, TAG, principles of heat conversion, heat recovery, devices for heat conversion, Peltier module.
Annotation. This article discusses the possibilities of recycling of secondary heat in the ship's conditions using the considered devices for generating electricity. The generation of electricity from thermal energy is a promising and affordable way to directly convert energy from one type to another. The relevance of the work presented is that the direct conversion of thermal energy into electrical energy without intermediate conversion into mechanical energy is the optimal solution to this problem. In this regard, the issue of converting heat into electricity is becoming more interesting and relevant. The most studied and promising way to convert secondary heat in the ship's conditions is the Peltier module.
References:
[1] Arutyunyan A.A. Basics of energy saving / A.A. Harutyunyan. - M.: Energoservice, 2016. - 600 c.
[2] Handbook of energy supply and electrical equipment of industrial enterprises and public buildings. - M .: MEI, 2010. - 752 c.
[3] Sibikin, Yu. D. Alternative sources of energy: monograph. / Yu.D. Sibikin, M.Yu. Sibikin. - M .: RadioSoft, 2014. - 248 c.
[4] New sources and methods of energy conversion. - M .: CMEA Secretariat, 2008. - 120 c.
[5] Baillon NG, Grid-to-Rod Fretting PWR From Operating Problems To New Designees Qualification Method, France. IAEA, Technical Meeting on Fuel Assembly Structural Behavior, 22-26 November 2004, Cucaracha, France.
[6] Hoeppner, D.W. and Adibnazari, S .: Fretting Fatigue in Aircraft Joints Presented to the International Committee of Aeronautical Fatigue in Stockholm, Sweden, June 1993.
[7] Hoeppner, D.W., Elliot, C.B.III, Moesser M.W. The Role of Fretting Fatigue on Aircraft Rivel Hole Cracking. Technical report DOT / FAA / AR - 96/10, Federal Aviation Administration, Salt Lake City, UT.
[8] Viceconti M et al. Fretting wear in modular neck hip prosthesis. J Biomed Mater Res 1997; 35-2, 207-216.
[9] Tritschler B, Forcst B, Rieu J. Fretting corrosion resistance for orthopedic implants: Tiibol Int 1999; 32: 587-596.
[10] Ito, T., Matsushima, M., Takata, K., Hattori, Y. Factors Influencing Fretting Corrosion of Tin Plated Contacts // SEI. Technical Prviev. No 64. April, 2007.
[11] C.A. Brown, and a., Fuel Rod Vibration and Fretting Impact on Reliability, LWR Fuel Performance, 10-13 April, 2000, USA.
[12] http://blog-potolok.ru/kak-proisxodit-preobrazovanie-teplovoj-energii-v-elektricheskuyu/
[13] http://nnhpe.spbstu.ru/maloizvestnoe-oborudovanie-dlya-proizvodstva-elektroenergii/
[14] http://generatorexperts.ru/alternativnye-istochniki/parovye-elektrogeneratory.html
[15] https://manbw.ru/analitycs/which_is_better_gas_piston_or_gas_turbine_power_units.html
Статья поступила в редакцию 10.06.2019 г.
