CC BY
238
УДК 621.431.74.068.4:662.76
С. В. Виноградов, М. М. Горбачёв, К. Р. Халыков
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА, РАБОТАЮЩЕГО ОТ ТЕПЛОТЫ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Введение
У судовых двигателей, работающих на дизельном топливе, около 40 % теплоты уносится горячими выхлопными газами, а несколько меньшее количество - 30 % - отводится жидкостью, охлаждающей двигатель. Это обусловливает актуальность решения задачи по повышению эффективности использования теплоты отработавших газов. Одним из решений является использование термоэлектрических генераторов (ТЭГ) на основе энергии тепла отработавших газов дизеля. За последние двадцать лет коэффициент полезного действия преобразования современных термоэлектрических материалов увеличился более чем в три раза. Однако разногласия относительно тепловой конструкции ТЭГ существенно ограничивали рост общего КПД сравнительно малыми значениями [1, 2]. Настоящая работа посвящена проектированию термоэлектрического генератора применительно к судам.
Постановка задачи
Инженерный расчет термоэлектрических устройств связан с известными трудностями, которые заключаются в том, что термоэлементы одновременно представляют собой один из участков электрической цепи и теплопередающее звено. Тесная взаимосвязь между электрическими и теплофизическими процессами требует при расчете термоэлектрических систем одновременного учета как электрических, так и теплотехнических параметров. Следует отметить, что для достижения оптимальных характеристик ТЭГ в процессе его разработки нельзя ограничиваться рассмотрением только термоэлектрических батарей или термоэлементов. Любое термоэлектрическое устройство может быть достаточно эффективным лишь при условии необходимого соответствия действительных теплотехнических и электрических параметров расчетным данным [3].
Термоэлектрические генераторы используются для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и в зависимости от конкретных технических требований могут быть рассчитаны на работу в режиме максимального КПД. Как правило, габариты и вес ТЭГ, а также расход полупроводникового вещества в этом случае оказываются меньшими, поэтому на практике расчет ТЭГ осуществляется по формулам максимального КПД.
Для расчета ТЭГ был выбран двигатель 6УБ848/42-ЛЬ2 (6ЧН 42/48) мощностью 2 650 кВт судна типа Яо-8. Начальными данными для расчета ТЭГ являются: давление, температура теплоносителя и охладителя. Теплоносителем являются выхлопные газы дизеля с температурой Тг = 683 К, а охладителем - пресная вода Тх = 293 К. Немаловажным является выбор материала проводников, зависящий от условий работы ТЭГ. Материал р-типа - РЬТе; «-типа -75 % РЬТе + 25 % 8иТе. Эти сплавы имеют хорошие значения термо-ЭДС в рабочем диапазоне температур ТЭГ (АТ). Расчет проводился для номинального режима работы двигателя [4].
В основе прямого преобразования теплоты отработавших газов в электричество лежит эффект Зеебека, т. е. явление возникновения электродвижущей силы (ЭДС) в электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах [5].
На рис. 1 приведена принципиальная схема так называемого классического термоэлемента. Тепло Q1 подводится к ТЭГ через стенку нагревателя 1 с помощью теплоносителя, тепловой трубы. Через стенку 7 холодильника тепло Q■l отводится от ТЭГ (излучением, теплоносителем или тепловой трубой). Спаи полупроводниковых кристаллических термостолбиков 4 и 9 образованы металлическими шинами 3 и 5, 8, которые электрически изолированы от стенок 1 и 7 слоями диэлектрика 2, 6.
Ql
Рис. 1. Принципиальная схема элементарного полупроводникового ТЭГ
Кинетическая энергия электронов на конце цепи с Т1 > Т2 выше, чем на «холодных» концах с Т = Т2, следовательно, преобладает диффузия электронов от горячего спая к холодным концам. Концентрация электронов в р- и «-ветвях различна, поэтому более отрицательный потенциал получает конец термостолбика «-типа, по отношению к которому конец столбика р-типа имеет положительный потенциал.
Разность потенциалов
Е = г(Т - Т2),
(1)
где г - коэффициент добротности для термоэлектрического элемента, рассчитываемый по формуле [6]:
г =
(а р +а т )-Ш
1 п
1 V Ъп
= 1,19 • 10"
град
(2)
9
8
6
7
2
6
1
3
где а р, а « - коэффициенты термо-ЭДС стержней р- и «-типов соответственно; Хр, Х„ - коэффициенты теплопроводности стержней р- и «-типов соответственно; ор, а„ - коэффициенты удельной электрической проводимости стержнейр- и «-типов соответственно.
Уравнение энергетического баланса будет иметь вид:
- для горячего спая термоэлемента:
Яг = вт + впг - «Ж - «Ж« - «Ж - «Ж; (3)
- для холодного спая:
вх = вт - впх +(1 - «Р Ж +11 - «« Ж +11 - «Р Ж +11 - «« Ж , (4)
где вт - теплота, передаваемая теплопроводностью за единицу времени от горячего к холодному спаю; впг, впх - количество теплоты Пельтье, поглощаемой за единицу времени на горячих и холодных спаях термоэлемента соответственно; в/, в" - теплота Джоуля, выделяющаяся в стержнях р- и «-типов соответственно; в/, в " - теплота Томсона, выделяющаяся в единицу времени в стержнях р- и «-типов соответственно; «/, «" - доля теплоты Джоуля, возвращаемая к горячим спаям р- и «-типов соответственно; «/, «т« - доля теплоты Томсона, возвращаемая
к горячим спаям р- и «-типов соответственно; Тх = ТТрпл--------------— = 642,15 К - температура горя-
^Т .г
чих спаев термоэлементов; Т2 = Т^ + ^Тх = 318,7 К - температура холодных спаев термо-
^Т.х
т вх + т вых т вх + т вых
элементов; Тте>пл = тепл тепл - средняя температура теплоносителя; Тохл = охл охл -средняя температура охладителя; ^Ят г =— ------------ ------ ---- - коэффициент теплопередачи
1 + ^пл.г + ^из.г
аТ .г 1 пл.г 1 из.г
многослойной стенки по стороне охладителя; х = — ----------------------------коэффициент теплопереда-
1 + ^пл.х
аТ .х 1 пл. х
чи многослойной стенки по стороне теплоносителя; /пл г , 1пл г - толщина и коэффициент теплопроводности герметизирующей пластины по стороне теплоносителя соответственно; /изх, 1из х - толщина и коэффициент теплопроводности электроизоляционного материала по стороне охладителя соответственно; ат г , ат х - коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к стенке и от стенки к охлаждающей среде соответственно.
Изоляционным материалом был выбран оксид бериллия (ВеО).
На рис. 2 изображено действительное распределение тепловых потоков энергии в термоэлементе, являющемся источником электроэнергии.
Рис. 2. Диаграмма энергетического баланса термоэлемента, используемого в качестве источника электроэнергии при as = as(T); о = о(Т); X = X(T); т = т(Т)
Полезная мощность, вырабатываемая ТЭГ:
P = Qг - Qx • (5)
Максимальный КПД процесса прямого преобразования энергии рассчитывается по следующей формуле:
T ср _ т ср мср -1
hmax = теплср оХл X----------, (6)
ср 'Г' ср
т тепл м ср + T охл
0 т ср
1 тапл
где ттсерпл, тосхл - средняя температура теплоносителя и охладителя; М0р - среднее значение оптимального отношения электрических сопротивлений.
Средняя сила тока при работе в номинальном режиме
(7)
где ЕТЭГ = 12,16 В - среднее значение ЭДС ТЭГ; ^ТзГ = 0,27 Ом - среднее значение электрического сопротивления нагрузки при работе в номинальном режиме ТЭГ; гТЭг = 0,22 Ом - среднее
значение внутреннего электрического сопротивления ТЭГ.
Напряжение на клеммах ТЭГ при работе номинальном режиме
где Робщ - общая мощность ТЭГ.
Разработка конструкции ТЭГ
Для достижения технических результатов предлагается ТЭГ, содержащий узел нагревателя, узел охладителя и батареи термоэлементов, выполненные в виде модулей, соединенные между собой параллельно и образующие пояски. Пояски размещены между узлами нагревателя и охладителя. Конструкция имеет четыре таких пояска. Нагрев поверхности нагревателя, происходящий за счет конвекционного тепла от выхлопных газов ДВС, и одновременно охлаждение холодных спаев термоэлементов за счет потока пресной воды приводят к возникновению разности температур между холодными и горячими спаями термоэлементов, на которых, благодаря эффекту Зеебека, возникает ЭДС. Последнюю, по специальным токоотводам, можно направлять в полезную нагрузку общего электрического контура судна. Кроме того, в каждом из указанных модулей последовательно коммутируются 500 термоэлементов, имеющих две ветви, одна из которых р-типа, а другая - «-типа. Для использования тепла отработавших газов, отводимых по выхлопной трубе от ДВС, в нем может быть предусмотрена специальная полость для крепления на выхлопной трубе.
Предлагаемый ТЭГ содержит узел нагревателя 1 (рис. 3), представляющий собой цилиндрическую поверхность, непосредственно соприкасающуюся со стенкой выхлопного трубопровода двигателя и закрепленную на нем; узел охлаждения 2, выполненный в виде трубопровода, по которому циркулирует вода, и термоэлектрические модули 3, установленные на поверхности узла нагревателя таким образом, что их холодные спаи проходят вдоль указанного трубопровода. Термоэлектрогенератор входит в систему газовыхлопа судна, установленную на специальном фундаменте. Подача охлаждающей воды осуществляется центробежным насосом производительностью 8,0 м3/ч по трубопроводу диаметром 32 мм. Вода при прохождении в полости охлаждения нагревается до 74 °С и может быть использована для бытовых нужд судна.
Р
1 общ
(8)
ср
6
010^0
Рис. 3. Конструкция термоэлектрического генератора
Результат расчета. При расчете ТЭГ были получены следующие результаты:
- средняя сила тока при работе в номинальном режиме
I тэг = 24,16 А;
ТЭГ ср
- общая мощность ТЭГ
робщ =5,383 кВт;
- КПД ТЭГ
Лтах = 0,15;
- напряжение на клеммах ТЭГ при работе в номинальном режиме
^ТЭГ = 220 В.
Заключение
Термоэлектрический генератор с полученными параметрами может быть применен на судне в качестве дополнительного источника электроэнергии постоянного тока. Для получения переменного тока в установку будет включен инвертор, преобразующий постоянный ток. Следует отметить, что в настоящее время применение ТЭГ весьма ограничено в связи с их низким КПД и дороговизной материалов. Однако ТЭГ имеет и достоинства: отсутствие движущихся частей, прямое преобразование энергии, большой срок службы и возможность работы без обслуживания. Кроме того, ТЭГ работает бесшумно, отличается большой компактностью и нечувствителен к коротким замыканиям нагрузки. Именно поэтому во всем мире ведутся разработки по повышению эффективности ТЭГ, заключающиеся в основном в поиске новых материалов и сплавов, которые будут иметь высокие значения термо-ЭДС и коэффициента добротности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бахмат Г. В., Степаненко О. А. Нетрадиционные источники энергии. - Тюмень: ТюмГНГУ, 1997. - 108 с.
2. Зорин И. В., Зорина З. Я. Термоэлектрические холодильники и генераторы. - Л.: Энергия, 1973. - 312 с.
3. Манасян Ю. Г. Судовые термоэлектрические устройства и установки. - Л.: Судостроение, 1968. - 284 с.
4. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. - М.: Атомиздат, 1979. - 416 с.
5. Фокин В. М. Основы энергосбережения в вопросах теплообмена. - М.: Машиностроение-1, 2005. - 192 с.
6. Анатычук Л. И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник. - Киев: Наук. думка, 1989. - 766 с.
Статья поступила в редакцию 29.12.2009
DESIGN OF THERMOELECTRIC GENERATORS OPERATING
ON EXHAUST GAS FROM MARINE DIESEL ENGINES
S. V. Vinogradov, M. M. Gorbachev, K. R. Khalykov
The design of thermoelectric generator (TEG), forming the exhaust system of the vessel, is offered in the paper. Thermal calculation of the TEG for the vessel engine, Ro-8 6VDS48/42-AL2, with the capacity of 2 650 kW is given. Values of output parameters of the TEG are comparable with output values of the parameters of existing analogues. The thermoelectric generator with the received parameters can be used on a vessel as an additional source of the direct current electric power.
Key words: thermoelectric generator, thermal calculation, direct converting of energy.
