CC BY
176
УДК 621.431.74.068.4:662.76
С. В. Виноградов, К. Р. Халыков, Конг Доан Нгуен
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ КАК СРЕДСТВО УТИЛИЗАЦИИ СБРОСНОЙ ТЕПЛОТЫ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
S. V. Vinogradov, K. R. Khalykov, Cong Doan Nguyen
APPLICATION OF THERMOELECTRIC GENERATORS AS UTILIZATION MEANS OF WASTE HEAT OF MARINE DIESEL ENGINES
Представлен способ утилизация теплоты отработавших газов главных дизелей судна проекта 630.2 «Казань сити» в термоэлектрическом генераторе. Разработана конструкция термоэлектрического генератора для главных дизелей 8NVDS48A-2U. Представлены результаты расчетов совместной работы дизеля и термоэлектрического генератора на режимах.
Ключевые слова: Казань сити, утилизация теплоты, термоэлектрический генератор, нетрадиционные источники энергии, отработавшие газы.
The paper presents a method of heat utilization of exhaust gases of main diesel engines of the vessel, belonging to the project 630.2 "Kazan city", in a thermoelectric generator. The construction of a thermoelectric generator is designed for the main diesel engines 8NVDS48A-2U. The results of calculations of the collaboration of the engine and the thermoelectric generator are shown on modes.
Key words: Kazan city, heat utilization, thermoelectric generator, non-conventional energy sources, exhaust gases.
Введение
Известно, что в главных двигателях судовой энергетической установки (СЭУ) в механическую энергию превращается менее 40 % теплоты сгорания топлива. Остальная часть энергии теряется. Наиболее действенный метод повышения эффективности теплоиспользования в СЭУ, позволяющий значительно увеличить КПД установки, - утилизация теплоты. Использование термоэлектрических генераторов (ТЭГ), функционирующих на основе энергии теплоты отработавших газов (ОГ) дизеля, явится одним из решений проблемы.
В настоящее время все более широкому развитию и применению 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.
Особенности энергетических установок судов Волго-Каспийского региона
Суда Волго-Каспийского региона (ВКР) эксплуатируются в Каспийском морском бассейне и Волжской речной системе. Результаты анализа материалов по судам ВКР (245 судов) и их энергетическим установкам показывают, что:
— 99,8 % судов имеют машинно-движительный комплекс, представляющий собой двигатели, прямо передающие мощности на винт фиксированного шага (ВФШ);
— 98 % судов являются двухвинтовыми. Это объясняется тем, что количество главных двигателей почти на 2 раза больше количества судов, двухвинтовыми являются суда типа река-море;
— 52 % главных двигателей являются дизелями типа NVD: суда нефтерудовозы пр. 1570 («Братья Нобель», «Барон», «Граф», НРВ-50М, НРВ-21М и др.), генгрузы пр. 1577 («Ватан-1», «Вилламун» и др.), на которых установлены дизели 6NVD48AU (NeK = 485 кВт, пн = 330 об/мин); сухогрузы пр. 630.2 («Казань сити», «Капитан Пермяков», «Капитан Щемилкин», «Самара сити» и др.), на которых установлены дизели 8NVDS48-2AU (NeK = 882 кВт, пн = 390 об/мин); нефтеналивные пр. 621 («Ленанефть-2070», «Анна» и др.), рыболовные пр. 12911, на которых установлены дизели 6(8)NVDS48-2AU (NeK = 640(852) кВт, пн = 375 об/мин); суда «река-море» пр. 1575 и 550А типа «Волгонефть», на которых установлены дизели 8NVD48AU (NeK = 736 кВт, пн = 375 об/мин).
В качестве объекта исследования был выбран теплоход «Казань сити», являющийся танкером-химовозом пр. 630.2 с укрепленным морским корпусом. Судно предназначено для перевозки светлых нефтепродуктов. Пропульсивный комплекс теплохода «Казань сити» состоит из 2-х двигателей 8КУБ848Л-2И конструкции 8КЬ, выходной фланец которых жестко соединен с валопроводом и ВФШ. Информация о судне приведена на сайте Российского морского регистра судоходства [1]. Технические данные силовой установки и двигателя приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Состав пропульсивного комплекса судна «Казань сити»
Число главных двигателей ед. 2
Частота вращения двигателя об/мин 390
Общая мощность силовой установки кВт 1 764
Число гребных винтов ед. 2
Тип гребных винтов - ВФШ
Таблица 2
Технические данные дизеля 8]ЧУБ848А-2и
Типоразмер 8ЧРН 32/48
Г од выпуска 1994
Место выпуска Германия
Число цилиндров 8
Тактность 4-тактный
Диаметр цилиндра мм 320
Ход поршня мм 480
Степень сжатия 13,2
Номинальная частота вращения об/мин 390
Номинальная мощность кВт 882
Среднее эффективное давление МПа 0,9
Удельный расход топлива на номинальном режиме г/(кВт-ч) 217
Температура ОГ °С 425 ± 25
Способ наддува Г азотурбинный
Оценка теплового потенциала ОГ главных дизелей 8]ЧУБ848А-2и
На основе эксплуатационных данных, полученных в результате анализа машинного журнала судна, были проведены расчёты количества теплоты, уносимой ОГ, и расход ОГ. Расчет был произведен для режимов, составляющих 25, 50 и 66,26 % (последний является основным режимом работы) и 75 и 100 % от номинальной мощности двигателя.
Для режимов, отличных от номинального, определялись значения температуры газов и коэффициента избытка воздуха по обобщенным зависимостям, приведенным в [2]. Зависимость температуры ОГ главного дизеля от частоты вращения дизеля представлена на рис. 1.
Расход и количество теплоты ОГ главного дизеля при работе на всех исследованных режимах определяются по методике, приведенной в [2]. График зависимости расхода Gг и количества теплоты Qт ОГ главного дизеля от частоты вращения дизеля представлен на рис. 2.
„ , „ Рис. 2. Зависимости расхода Gг
Рис. 1. Зависимость температуры О1 „ 1
1 71 и количества теплоты Qт О! главного дизеля
главного дизеля от частоты вращения дизеля ^
г от частоты вращения дизеля
Полученные данные используются для расчетов конструкции и рабочих параметров систем утилизации теплоты ОГ при их проектировании.
Разработка конструкции ТЭГ для главных дизелей
При разработке конструкции термоэлектрического генератора использована методика, представленная в [3], и патент на полезную модель Яи 108 214 и1 «Устройство для утилизации теплоты отработавших газов в судовых энергетических установках» [4].
Как уже отмечалось, ОГ судовых дизелей обладают высоким тепловым потенциалом, поэтому ТЭГ будет установлен в системе газовыхлопа судна.
Термоэлектрический генератор представляет собой съемную конструкцию (рис. 3), которая встраивается в систему газовыхлопа судна вместо утилизационного котла.
Выход О Г
Вход ОГ
Рис. 3. Термоэлектрический генератор: 1 - искрогаситель; 2 - искроуловитель; 3 - сетка;
4 - лопатка; 5 - термогенераторные модули; 6 - горячий узел;
7 - холодный узел; 8 - кожух
Термоэлектрический генератор содержит горячий узел 6, выполненный в виде шестиугольной трубы, холодный узел 7, по которому циркулирует вода, и батареи термоэлементов 5, выполненные в виде модулей (рис. 4), которые собраны в 54 секции, размещенные между горячим и холодным узлами. Каждая секция состоит их 30 модулей. Всего в ТЭГ 1 620 модулей.
Холодная
сторона
§
Полупроводник р-типа „
Полупроводник п-типа
Изолятор
(керамика) Горячая сторона *
Рис. 4. Термоэлектрический модуль
Шестиугольная форма позволяет обеспечить плоскую поверхность для установки на нее термогенераторных модулей, а также является наиболее удобной для компоновки ТЭГ на судне.
В данной установке применяются термогенераторные модули, параметры которых представлены в табл. 3 [5, 6].
Таблица 3
Параметры модуля термоэлемента
Тип модуля Размеры Электрическое сопротивление, Яш Тепловое сопротивление
Длина, мм Ширина, мм Высота, мм Ом К/Вт
ТГМ-287-1,0-1,5 40 40 3,8 4,72 1,16
Нагрев поверхности термоэлементов происходит за счет конвективного теплообмена выхлопных газов дизеля с горячим узлом 6. Охлаждение холодных спаев термоэлементов происходит за счет потока пресной воды, протекающей в полости, ограниченной кожухом 8 и стенкой 7, что приводит к возникновению разности значений температуры между холодными и горячими спаями термоэлементов. На спаях, благодаря эффекту Зеебека, возникает термоЭДС, которую можно по специальным токоотводам направлять в полезную нагрузку общего электрического контура судна.
По методике, приведенной в [7], были произведены расчеты ТЭГ на 25, 50, 66,26 % (основной эксплуатационный режим) и 75 и 100 % от номинальной нагрузки главного двигателя. Результаты расчетов сведены в табл. 4.
Таблица 4
Результаты расчетов совместной работы дизеля и ТЭГ
% N н Р, кВт I, А и, В вв, м3/ч О О
25 1,957 10,28 190 2,47 41
50 3,217 13,2 244 2,772 52
66,26 3,703 14,14 262 3,132 55
75 5,190 16,74 310 4,068 52
100 6,928 19,34 340 2,027 92
Расчеты показывают, что мощность Р ТЭГ может достигать от 1,957 до 6,928 кВт; сила тока I - 10,28-19,34 А; напряжение и - 190-340 В, расход охлаждающей воды Gв изменяется от 2,027 до 4,068 м3/ч. При работе ТЭГ происходит нагрев горячей воды, начальная температура которой принята 20 °С, до температуры ^от 41 до 92 °С. Эта вода может быть использована для общесудовых нужд, что сэкономит электроэнергию на ее нагрев в электрическом бойлере (при помощи ТЭНов). Данный расчет был проведен для оптимальных значений расхода воды и разности значений температуры на спаях термоэлементов.
Основным режимом является эксплуатационный режим. Он составляет 66,26 % от номинальной мощности главного двигателя. Для этого режима проведен расчет с разными значениями расхода воды, т. к. регулируя расход охлаждающей воды, можно добиться различных рабочих параметров ТЭГ.
Результаты расчетов сведены в табл. 5.
Таблица 5
Зависимость электрических параметров ТЭГ от расхода охлаждающей воды
Gb, м3/ч P, кВт I, А U, В С °с
0,361 2,938 12,6 233 208
1 3,306 13,61 247 113
1,5 3,462 13,65 253 87
2 3,568 13,88 257 72
2,5 3,622 13,99 259 62
3,138 3,703 14,14 262 55
Расчет показывает, что расход воды GB не должен быть меньше 1,5 м3/ч, иначе возникает опасность образования пара в полости охлаждения ТЭГ.
Таким образом, полученная электроэнергия постоянного тока может быть направлена на питание некоторых потребителей, работающих на постоянном токе. Для потребителей, работающих на переменном токе, необходима установка инвертора DC/AC.
Заключение
При разработке конструкции ТЭГ были использованы термогенераторные модули с высоким эффектом и ценой конкурентоспособной на мировом рынке. Технические характеристики и надежность термоэлектрических модулей полностью соответствуют мировым стандартам.
В результате расчетов выявлено, что экономия топлива от двух ТЭГ, установленных на борту теплохода «Казань сити», составит 613,41 тыс. руб. в год. Срок окупаемости составит
5 лет 7 месяцев.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Официальный сайт РМРС, раздел «Регистровая книга судов» / режим доступа http://www.rs-head.spb.ru/ru/regbook.
2. Руководящий технический материал (РТМ 212.0142-86). Схемы утилизации теплоты судовых дизелей. - Л.: Транспорт, 1989. - 42 с.
3. Манасян Ю. Г. Судовые термоэлектрические устройства и установки. - Л.: Судостроение, 1988. - 320 с.
4. Пат. на полезную модель RU 108 214 U1. Устройство для утилизации теплоты отработавших газов в судовых энергетических установках / Виноградов С. В., Халыков К. Р., Нгуен К. Д. и др.; опуб. 10.09.2001, Бюл. № 25.
5. h«p://kryotherm.ru.
6. Виноградов С. В., Халыков К. Р., Нгуен К. Д. Методика расчета и оценки параметров экспериментального термоэлектрического генератора // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2011. - № 1. - С. 84-91.
7. Термоэлектрические модули и устройства на их основе. Справочное пособие. - СПб.: ИПФ «Криотерм», 2004. - 53 с.
Статья поступила в редакцию 30.11.2011
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Виноградов Сергей Владимирович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Эксплуатация водного транспорта»; [email protected].
Vinogradov Sergey Vladimirovich - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Operation of Water Transport"; [email protected].
Халыков Камиль Рафаэльевич - Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Эксплуатация водного транспорта»; [email protected].
Khalykov Kamil Rafaelevich - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Operation of Water Transport"; [email protected].
Нгуен Конг Дран - Астраханский государственный технический университет; магистр техники и технологий; аспирант кафедры «Эксплуатация водного транспорта»; [email protected].
Nguyen Cong Doan - Astrakhan State Technical University; Undergraduate of Engineering and Technologies; Postgraduate Student of the Department "Operation of Water Transport"; [email protected].
