CC BY
81
УДК 621.431.74.068.4:662.76 ББК 39.455.54:39.462.21
С. В. Виноградов, К. Р. Халыков
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР - СУДОВОЙ ДИЗЕЛЬ 34 17,5/24
S. V. Vinogradov, K. R. Khalykov
RESULTS OF RESEARCHES OF THE EXPERIMENTAL COMPLEX THERMOELECTRIC GENERATOR - MARINE DIESEL 34 17,5/24
Для проведения испытаний была разработана экспериментальная установка, позволяющая рассматривать совместную работу дизельного двигателя и термоэлектрического генератора как устройства для утилизации отработавших газов на судах. Приведены результаты экспериментальных исследований и расчета термоэлектрического генератора. Результаты сравнения экспериментальных данных и расчета показали удовлетворительную сходимость (погрешность не более 10 %), что говорит об адекватности предлагаемой уточненной методики.
Ключевые слова: термоэлектрический генератор, энергосбережение, нетрадиционные источники энергии, отработавшие газы, утилизация теплоты.
For the test there was developed an experimental installation that allows us to consider the joint work of diesel engine and a thermoelectric generator as a device for recycling of the exhaust gases at the ships. The results of experimental studies and calculation of the thermoelectric generator are given. The results of the comparison of experimental and calculated data showed satisfactory convergence (error not exceeding 10%), which indicates the adequacy of the proposed refined technique.
Key words: thermoelectric generator, energy conservation, non-conventional energy sources, exhaust gases, utilization of heat.
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 народного хозяйства, 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 большой интерес уделяется ТЭГ как устройствам для утилизации теплоты отработавших газов (ОГ) на судах.
Для проведения испытаний была разработана экспериментальная установка с ТЭГ. На рис. 1 представлен общий вид экспериментальной моторной установки.
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 [2, 3].
Судовой дизель 3Ч 17,5/24 является нереверсивным одноцилиндровым тронковым четырехтактным дизелем без наддува (производство Магдебург, Германия). Основные технические характеристики дизеля приведены в табл. 1.
Рис. 1. 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
Таблица 1
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
Поршень - неохлаждаемый, имеет четыре компрессионных кольца, одно маслосъёмное кольцо на головке, другое - на юбке.
Втулки рабочих цилиндров и механизм газораспределения смазываются маслом, разбрызгиваемым кривошипно-шатунным механизмом.
Система охлаждения - двухконтурная: первый контур - замкнутая циркуляционная система пресной воды, второй контур - открытая система забортной воды. Циркуляционный насос пресной воды подаёт воду в блок цилиндров. Вода, пройдя зарубашечное пространство, поступает в крышки цилиндров, оттуда направляется в водяной холодильник и далее снова к центробежному насосу.
Термоэлектрический генератор представляет собой съемную конструкцию (рис. 2), которая встраивается в систему газовыхлопа ДВС [4]. 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 осуществляются при помощи патрубков 8.
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 охлаждения 4 и отводимая от нее при помощи патрубков 8, охлаждает холодный узел и холодные спаи модуля. Вследствие разности значений температуры между спаями возникает термоЭДС. 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.
Выход ОГ
Рис. 2. Термоэлектрический генератор
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. 2 и 3 [5].
Таблица 2
Конструктивные характеристики термогенераторного модуля ТГМ-287-1,0-1,5
Тип модуля Размеры Электрическое сопротивление, Rm 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
Таблица 3
Электрические характеристики термогенераторного модуля ТГМ-287-1,0-1,5
Характеристики tх = 50 оС* tх = 100 оС*
и = 150 оС и = 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 ^ - температура холодной стороны и ^ - 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.
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 и = 230 В, I = 55 А при п = 630 об/мин. Генератор отдает электрическую энергию нагрузочному устройству (нагревателю воздуха), в котором применен стандартный электронагревательный элемент ТЭН-400 (рис. 3) [2].
ТЭН-400 выполнен в виде сопротивления, помещенного в диэлектрический наполнитель, находящийся внутри трубчатой оболочки, охлаждаемой воздухом естественной конвекции. ТЭНы соединены группами для обеспечения нагрузки дизеля в 10-110 % его номинальной мощности. Кроме того, ступенчатое включение пяти ТЭНов по 0,4 кВт обеспечивает высокую точность создаваемой нагрузки. К генератору ТЭНы подключаются с использованием щита
управления, оборудованного системой включения, защиты и контроля. Нагрузка генератора изменяется с помощью переключателей, размещенных на щите управления, и фиксируется по показаниям вольтметра и амперметра.
Рис. 3. Общий вид нагревателей воздуха ТЭН-400
При работе на каждом режиме определяются расход топлива, расход воздуха, температура ОГ на входе и выходе ТЭГ, температура воды на выходе ТЭГ, сила тока в цепи, напряжение на клеммах ТЭГ. Результаты испытаний дизеля 3Ч 17,5/24 1 показаны на рис. 4.
Рис. 4. Результаты испытаний дизеля 3Ч 17,5/241 при работе по нагрузочной характеристике. В графиках зависимости параметров приняты следующие обозначения [6]: Ье - удельный расход топлива, г/(кВт.ч); Gair - расход воздуха на входе в цилиндре дизеля, кг/ч; ґг - температура ОГ на входе ТЭГ, оС;
N - эффективная мощность дизеля от номинальной мощности, %
Іе 220 -2, 0 С 0 ■
160 -
Ів
2, 0 С 1
и, В
120
/, А 0,35
0,3
0 1 5 1
р, Вт"
45
10
п, % 2,4 0
2,2
■
0 1 ■ 0 2 Экспе Расчет 0 3 римен ' по пр 0 4 гальнь едлага 0 5 % е данн емой г 0 6 ье методи 0 7 ке 0 8
Рис. 5. Зависимость рабочих параметров ТЭГ от режимов работы дизеля
Анализ результатов показывает, что при работе дизеля на режиме 75 % от номинальной мощности и с отношением внешней и внутренней нагрузок т = 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 % (рис. 6).
225 и, в 200
■ ■
I, А
0,15
Р, Вт
■
■
п , % 5
■
■
0 51 ■ Э -#-Р пе чет кс асч ,5 2 мента по пред 2 п льные лагаем 5 3 данные ой мет О д к я о ы 5 4
Рис. 6. Зависимость рабочих параметров от сопротивления нагрузки ТЭГ при работе дизеля на режиме 75 % от номинальной мощности
Заключение
Результаты сравнения экспериментальных данных и расчета показали удовлетворительную сходимость (погрешность не более 10 %), что говорит об адекватности предлагаемой уточненной методики.
Тепловые и электрические параметры ТЭГ изменяются при изменении параметров горячего теплоносителя (газа). При увеличении мощности дизеля происходит увеличение температуры и расхода газа, и в результате этого температура газа и воды на выходе из ТЭГ, сила тока, напряжение, мощность и КПД увеличиваются (рис. 5).
Температура ОГ судовых дизелей может достигать 300-450 °С (573-723 К). Использование в качестве холодного приемника теплоты забортной воды, максимальная температура которой не превышает 30 °С (303 К), позволяет рассчитывать на возможность получения на термоэлементах перепад 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.
Отмечено, 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, оС; S - приведенное содержание серы в топливе, %.
При проектировании принимают температуру ОГ на выходе из ТЭГ 175-195 оС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Котырло Г. К. Расчет и конструирование термоэлектрических генераторов и тепловых насосов /
Г. К. Котырло, Ю. Н. Лобунец: справочник. Киев: Наук. думка, 1980. 327 с.
2. Покусаев М. Н. Методические указания к лабораторной работе «Испытание дизеля Ч17,5/24 (NVD 24) по нагрузочной характеристике» для студентов специальности 140200 - Проектирование и монтаж судовых энергетических установок / М. Н. Покусаев. Астрахань: АТИРПиХ, 1989. 22 с.
3. 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.
4. 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.
5. www.kryotherm.ru.
6. Нгуен Конг Доан. Утилизация теплоты отработавших газов судовых дизелей в термоэлектрических генераторах / Нгуен Конг Доан: дис. ... канд. техн. наук. Астрахань, 2012. 163 с.
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. Pokusaev M. N. Metodicheskie ukazaniia k laboratornoi rabote «Ispytanie dizelia Ch17,5/24 (NVD 24) po nagruzochnoi kharakteristike» dlia studentov spetsial'nosti 140200 — Proektirovanie i montazh sudovykh en-ergeticheskikh ustanovok [Methodical recommendations to the laboratory work "Test of the diesel Ch17,5/24 (NVD 24) by the loading characteristic" for students of the specialty 140200 - Designing and mounting of marine power installations]. Astrakhan, ATIRPiKh, 1989. 22 p.
3. 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.
4. 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.
5. www.kryotherm.ru.
6. Nguen Kong Doan. Utilizatsiia teploty otrabotavshikh gazov sudovykh dizelei v termoelektricheskikh generatorakh. Diss. kand. tekhn. nauk [Utilization of heat of exhaust gases of diesel engines in thermoelectric generators. Cand. tech. sci. diss.]. Astrakhan, 2012. 163 r.
Статья поступила в редакцию 12.07.2013
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Виноградов Сергей Владимирович - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; профессор кафедры «Эксплуатация водного транспорта»; [email protected].
Vinogradov Sergey Vladimirovich — Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Professor of the Department "Operation and Maintenance of Water Transport"; [email protected].
Халыков Камиль Рафаэльевич — Астраханский государственный технический университет; соискатель кафедры «Эксплуатация водного транспорта»; [email protected].
Khalykov Kamil Rafaelevich — Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Operation and Maintenance of Water Transport"; [email protected].
