автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Повышение эффективности судовых утилизационных комплексов при использовании термоэлектрических генераторов

На правах рукописи

ХАЛЫКОВ КАМИЛЬ РАФАЭЛЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СУДОВЫХ УТИЛИЗАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ

Специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

^ яке 2015

Астрахань - 2014

005557225

005557225

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «АГТУ»)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Виноградов Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Григораш Олег Владимирович

ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет», заведующий кафедрой электротехники, теплотехники и возобновляемых источников энергии. Заслуженный изобретатель РФ. Почетный работник по науке и технике РФ, академик Академии электротехнических наук РФ

доктор технических наук, профессор Захаров Лев Анатольевич

ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет имени Р.Е.Алексеева». Профессор кафедры энергетические установки и тепловые двигатели. Почетный работник высшего профессионального образования

Ведущая организация: ФГБОУ ВО "Волжская государственная академия

водного транспорта". 603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5А, тел./факс (831) 419-78-58 e-mail: vgavtffvgavl-nn.ru

Защита состоится 13 февраля 2015 г. в 09:00 часов (ауд. 313 главного корпуса) на заседании диссертационного совета Д 307.001.07 при ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева 16, ФГБОУ ВПО «АГТУ» тел./факс (8512) 61-42-14, e-mail: a.ruban\914ш mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «АГТУ»: www.astu.org.

Автореферат разослан «15» декабря 2014 г.

Учёный секретарь Диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Р

Рубан Анатолий Рашидович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Постоянный рост цен на жидкое нефтяное топливо и дефицит топливно-энергетических ресурсов с каждым годом становится все более ощутимым. Причиной тому служит истощаемость природных ресурсов. Также остро стоят вопросы об экологической безопасности.

Согласно ряду принятых правительством РФ нормативных документов и государственных программ определены правовые, экономические и организационные меры, направленные на стимулирование энергосбережения и активизацию мер по повышению энергетической эффективности.

В январе 2013 г. были внесены дополнения в Приложение VI к Протоколу 1997 г. Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов (МАРПОЛ) касательно энергетической эффективности морских судов, устанавливающие требования к энергоэффективности морских судов и направленные на постепенное снижение объема выбросов углекислого газа объектами морского транспорта.

Таким образом, вопрос экономии энергетических ресурсов и проблемы их рационального использования, актуальны. Решение этих задач может быть достигнуто, в том числе, и за счет наиболее полного использования энергии вторичных энергетических ресурсов и, в частности, теплоты отработавших газов (ОГ) судовых дизелей в термоэлектрических генераторах (ТЭГ).

В главных двигателях судовой энергетической установки (СЭУ) до 50% теплоты сгорания топлива превращается в полезную энергию. Остальную часть тепловой энергии составляют потери. Причем потери с уходящими от двигателя ОГ могут достигать до 40%. В связи с этим, утилизация теплоты ОГ - наиболее действенный способ повышения эффективности теплоиспользования в СЭУ. СЭУ около 50% судов, эксплуатирующихся в Волго-Каспийском бассейне, оборудованы утилизационными котельными (УК) установками. УК позволяют получить насыщенный пар, либо горячую воду для использования в общесудовых нуждах. Поскольку УК позволяют вырабатывать только один вид энергии, а также, учитывая специфику работы УК (малую эффективность на долевых режимах, зависимость производительности УК от степени загрязнения поверхностей и т.д.), возникает необходимость поиска более современных способов утилизации теплоты.

Исследования выполнялись в рамках научного направления «Совершенствование эксплуатации водного транспорта» кафедры «Эксплуатация водного транспорта», госбюдгосбюджетной научно-исследовательской лаборатории «Ретрофит технологий на транспорте», программы «У.М.Н.И.К.».

Цель и задачи исследования. Целью работы является улучшение показателей судовых утилизационных комплексов с термоэлектрическим генератором за счёт прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

В соответствии с целью поставлены следующие научно-технические задачи:

- разработка и создание модельной установки с ТЭГ;

- дополнение существующей методики расчета термоэлектрических генераторов с учетом влияния параметров теплоносителей;

- регрессионный анализ экспериментальных данных с разработкой математических моделей основных параметров совместной работы судового дизеля и ТЭГ.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются термоэлектрический генератор и инженерные методы расчета его геометрических и энергетических параметров.

Предметом исследования являются тепловые и электрические параметры ТЭГ, зависящие от входных параметров теплоносителей.

Метод исследования. Расчетно-теоретический анализ выходных параметров ТЭГ, основанный на фундаментальных представлениях о возникновении тепловых и термоэлектрических эффектов в полупроводниковых материалах, известных законах

теплопередачи. Экспериментальное определение выходных параметров ТЭГ при моделировании различных режимов.

Научная новизна. На основе фундаментальных представлений о возникновении тепловых и термоэлектрических эффектов физически обоснованы и математически описаны сопутствующие тепловые и электрические параметры ТЭГ, возникающие при этом термоэлектрические эффекты. Проведена оценка эксергетического КПД установок с ТЭГ.

Разработана и реализована модельная установка с термоэлектрическим генератором.

Дополнена и апробирована уточненная методика расчета параметров ТЭГ, позволяющая оценить количество теплоты, преобразованной в полезную энергию, определить тепловые и электрические параметры ТЭГ. Методика также позволяет проектировать ТЭГ с заданными выходными параметрами. Дополнен существующий алгоритм расчета ТЭГ.

Исследовано влияние изменения параметров теплоносителей (расход, температура) на выходные параметры ТЭГ.

На защиту выносятся:

- модельная установка с ТЭГ и результаты испытаний;

- методика и алгоритм расчета ТЭГ, а также результаты расчетных исследований влияния параметров теплоносителей на выходные параметры ТЭГ;

- регрессионные зависимости выходных параметров ТЭГ от входных параметров теплоносителей.

Достоверность результатов основана на данных, полученных в результате экспериментальных исследований, анализа исследований зарубежных и отечественных авторов. Использованы современные поверенные контрольно-измерительные приборы и другие сертифицированные средства для измерения параметров работы ТЭГ.

Расчётно-теоретические исследования базируются на использовании фундаментальных законов и положений термодинамики, термоэлектрических эффектов. Обработка экспериментальных данных проводилась при помощи современных лицензионных программных продуктов «Mathcad», «Microsoft Office Excel», «Statgraphics Plus».

Расчет скорости горячего теплоносителя на основании измеренного объемного расхода и его температура производились с использованием сертифицированного Germanischer Lloyd (GL) газоанализатора Testo 350-MARITIME .

Практическая значимость

- уточнена и дополнена методика расчета термоэлектрических генераторов;

- изучено влияние режима работы ГД на выходные параметры ТЭГ;

- предложено конструкционное решение, позволяющее преобразовывать тепловую энергию ОГ судовых дизелей в тепловую и электрическую.

Личный вклад автора. В диссертацию внесены результаты экспериментальных и теоретических исследований, полученные лично автором. При создании экспериментальной модельной установки и опытного образца термоэлектрического генератора помощь оказали сотрудники кафедры «Эксплуатация водного транспорта», лаборатории тепловых двигателей кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники» ФГБОУ ВПО «АГТУ» и специалисты ЗАО НПП «Каспрыбтехцентр», за что автор выражает им благодарность.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались и докладывались на конкурсах, выставках, семинарах регионального и федерального значений, а также при ежегодных обсуждениях на заседаниях кафедры «Эксплуатация водного транспорта», заседаниях Ученого совета института «Морских технологий, энергетики и транспорта» ФГБОУ ВПО «АГТУ»; на ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «АГТУ» (2010 - 2013 гг.); на Ш-й Всероссийской конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (г. Москва, МГТУ имени Баумана H Э 09.2010г.); на Международной научной конференции «Фундаментальные и прикладные исследования университетов, интеграция в региональный инновационный комплекс»

(У.М.Н.И.К.) (г. Астрахань, АИСИ 10.2010 г.); на Международной научной конференции «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2011» (г.Астрахань, АГТУ 17-19 мая 2011г.); на конкурсе инновационных проектов в рамках выставки «Образование — инвестиции в успех» (г. Астрахань, 2010 - 2011гг.); на конкурсе «Лучший инновационный проект» (г. Астрахань, Министерство экономического развития Астраханской области, 2011-201 Згг); на конференции в рамках III каспийского инновационного форума и II Межрегиональной конференции молодых ученых и инноваторов «Инно-Каспий» (г. Астрахань, АГТУ, 18-23 Апреля 2011г.); в конкурсах НИОКР по приоритетным направлениям развития науки и техники в рамках реализации Программы «СТАРТ-10» (г. Астрахань, 2010-2012гг); Ш-й международной научно-практической конференции «Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем Каспийского шельфа» (г. Астрахань, АГТУ 07.09.2012г.); на всероссийской выставке НТТМ-2012 (г. Москва, ВВЦ 07.2012г.). В 2014 г. проект участвовал в конкурсе Russian Startup Ratings (RSR).

Создано малое инновационное предприятие «Энергосервисная компания», в рамках деятельности которого ведутся научные исследования.

Данные исследования в указанной области используются в рамках госбюджетной научно-исследовательской лаборатории «Ретрофит технологий на транспорте».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 научных работ, из них 7 по перечню ВАК Министерства образования и науки России, в том числе 1 журнале, включенном в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий Scopus, а также получен патент на полезную модель РФ № 108214 «Устройство для утилизации теплоты отработавших газов в судовых энергетических установках».

Соответствие диссертации области исследования специальности. Диссертация выполнена в соответствии с пунктом 2.1 паспорта специальности 05.08.05 Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения. Общий объем составляет 122 страницы, 38 рисунков, 11 таблиц. Список использованных источников включает 141 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе рассмотрены вопросы использования энергетических ресурсов, способы использования вторичных энергетических ресурсов в СЭУ, способы утилизации теплоты ОГ СЭУ, определены способы повышения эффективности судовых утилизационных комплексов.

Установлено, что эффективный КПД современных судовых дизелей составляет около 50% от теплоты, выделяющейся при сгорании топлива. Остальную долю составляют потери, причем доля теплоты, уносимой ОГ, достигает 40%. Это обстоятельство предопределяет целесообразность утилизации теплоты ОГ судовых ДВС.

Большой вклад в исследования по утилизации теплоты в СЭУ и по термоэлектрическим генераторам внесли такие ученые как: А.Ф. Иоффе, A.C. Бернштейн, Л.И. Анатычук, А.И. Бурштейн, Р.В. Ковальский, Н.В. Голубев, C.B. Камкин, М.М. Коркурошников, Л.П. Коршунов, В.Г. Кривов, В.В. Маслов, М.К. Овсянников, В.М. Селиверстов, И.Г. Беляев, В.К. Камнев, А.Ю. Смольник, М.Н. Покусаев, C.B. Виноградов, Таманджа И., A.B. Воробьев, Е.А. Колядин и др., а также ряда зарубежных авторов в области термоэлектричества и утилизации теплоты вторичных энергетических ресурсов. На основании анализа сделан вывод о целесообразности исследований в области повышения эффективности СЭУ.

В настоящее время наибольшее распространение в системах утилизации теплоты ОГ получили УК, позволяющие получить только пар или горячую воду, в чем не во всех случаях

есть необходимость. На определенных режимах ГД тепловая энергия не в полной мере реализуется для потребителей, а в некоторых случаях вырабатывается ее избыток.

По мнению многих авторов, перспективным направлением является прямое преобразование теплоты в электрическую энергию. В этой связи предпочтенье отдается термоэлектрическим генераторам, которые являются альтернативой УК. Накопленный мировой опыт разработки и эксплуатации термоэлектрических преобразователей, приводят сегодня к необходимости пересмотра приоритетов при выборе способов преобразования энергии и областей применения, где преимущества термоэлектричества могут сделать этот способ определяющим фактором при выборе соответствующего технического решения.

На основании проведенного анализа была предложена классификация источников энергии по группам, в которой обобщены все пути и методы получения энергии нетрадиционным способом (рисунок 1).

Конструкционные особенности ТЭГ, в которых используется теплота ОГ, определяются специфичными методами организации теплообмена. В этих случаях ТЭГ неразрывно связан с газовым циклом установки. Повышение эффективности совместной работы ТЭГ и судового дизеля подразумевает выбор его оптимального режима работы. Особенно это актуально при смене режима работы судового дизеля.

Первая глава завершается постановкой цели и задач диссертационного исследования, перечисленных выше.

I—[Нетрадиционные источники энергии|—|

-{Солнечная энергия)

| Твердые бытовые отходы]— -¡Ветровая энергия!

Возобновляемые источники энергии

Вторичные возобновляемые источники энергии

Тепло промышленных. И бытовых стокпв

-{Энергия биомассМ

Нетрадиционные технологии использования невозобновляемых и возобновляемых источников энергии

IТепло газовых вентиляпицН -{Геотермальная энергия!

Низкопотенциальная энергия

-{Водородная энергетика!

Энергетические установкиГ работающие независимо от вида энергии_

МИКРОУГОЛЬ|

-{Турбины в малой энергетике!

¡Тепловой насос I машина СтирлингаЬ

I Вихревая трубка}-■I Газификация и пиролиз! 1 Гидропаровая турбинаЬ

Каталитические методы сжигания

и переработки органического _топлива__

Синтетическое топливо - диметиловый

эфир, метанол, этанол, моторные _топлива__

Установки прямого преобразования энергии

Гидравлическая энергий

Электрохимическая установка

Фотоэлектрические преобразователи

Термоэлектрические генераторы

Термоэмиссионные _установки

1М ГД- ге н ерато р ы Н Рисунок 1 - Схема классификации нетрадиционных источников энергии

Вторая глава посвящена разработке устройства для утилизации теплоты ОГ с ТЭГ. Проведен обзор информации по термоэлектрическим генераторам, которые могли бы быть применены в судовых системах утилизации теплоты ОГ.

Отмечено, что промышленностью выпускается огромное количество термоэлектрических модулей различных геометрических размеров, вырабатываемой мощности, назначения и т.д. В ТЭГ эти модули устанавливаются таким образом, чтобы была хорошая теплопередача от стенки газовыхлопного тракта. Поскольку, газовыхлопной тракт имеет форму круга в поперечном сечении, следовало бы устанавливать модули с кривизной поверхности соответствующего радиуса. Однако для большого ряда диаметров труб изготовить соответствующее количество модулей не представляется возможным. Поэтому все модули выпускаются с плоской поверхностью.

Для того чтобы установить модули на поверхность газовыхлопной трубы предлагается заменить участок системы газовыхлопа трубой призматической формы, в поперечном сечении - многоугольник. Благодаря этому появляется возможность установки термоэлектрических модулей на поверхность газовыхлопной трубы.

Для определения формы многоугольника, которую будет иметь в сечении участок трубы, необходимо проанализировать влияние этих форм сечений на гидравлическое сопротивление.

Рассмотрим пример влияния формы трубы квадратного сечения на коэффициент местного сопротивления. На рисунке 2 схематично изображено движение потока при внезапном расширении.

При внезапном расширении поперечного сечения трубы возникают так называемые потери на «удар». Коэффициент местного сопротивления удара в случае равномерного распределения скорости по сечению узкого канала и турбулентного течения (Ке>104) зависит только от отношения диаметров узкого Эо и широкого сечений (степени расширения п„=01ЛЗо) и вычисляется по формуле Борда - Карно:

(1)

Из формулы видно, что чем меньше D0/Di, тем меньше коэффициент местного сопротивления при внезапном расширении

После прохождения потоком участка призматической трубы, возникает сопротивление при внезапном сужении сечения (рисунок 3).

Рисунок 2 — Схема движения потока при Рисунок 3 - Схема движения потока при внезапном расширении трубы внезапном сужении трубы

В данном случае, коэффициент местного сопротивления внезапному сужению может быть определен приближенно по формуле:

(2)

Очевидно, что при уменьшении Do/Di, уменьшается коэффициент местного сопротивления при внезапном сужении <f м.

Сопротивление расширяющегося и сужающегося участков можно значительно уменьшить при осуществлении перехода плавно с помощью коллектора с криволинейными или прямолинейными образующими. Однако данный способ применить в ТЭГ сложно ввиду его особенностей.

При анализе формул (1) и (2) видно, для того чтобы коэффициент местного сопротивления был как можно ниже, необходимо соблюдать условие при котором В[—>Оц.

Этого можно добиться увеличением числа ребер призматической трубы. Для сравнения, коэффициент местного сопротивления в трубах с различной формой сечения при внезапном расширении составляет: 4-угольник 0,012, 6-угольник 0,002, 8-угольник 0,001. Коэффициент местного сопротивления при внезапном сужении призматической трубы составляет: 4-утольник 0,098, 6-угольник 0,051, 8-угольник 0,032.

Таким образом, очевидно влияние формы поперечного сечения призматической трубы: чем больше количество граней, тем меньше сопротивление при внезапном изменении сечения. Однако увеличение числа граней трубы ведет к трудностям при ее изготовлении.

Так как основным назначением ТЭГ является прямое преобразование энергии, и, учитывая необходимость охлаждения, поскольку мощность ТЭГ зависит от градиента температуры между спаями, целесообразным было бы использование воды в качестве охлаждающей среды и использование теплоты, переданной воде.

Для проведения расчетно-теоретических и экспериментальных исследований разработана конструкция ТЭГ, на которую получен патент на полезную модель №108214 «Устройство для утилизации теплоты отработавших газов в судовых энергетических установках». В основу расчета ТЭГ положены термоэлектрические эффекты и процессы теплопередачи.

Термоэлектрический генератор, состоит из горячего узла 1, выполненного в виде шестиугольной трубы, холодного узла 3, и термоэлектрических модулей 2, (рисунок 4). Холодный узел 3 и кожух 4 образуют рубашку охлаждения.

Нагрев поверхности термоэлементов происходит за счет конвективного теплообмена горячего теплоносителя с горячим узлом 1. Охлаждение холодных спаев термоэлементов происходит за счет потока пресной воды протекающей в полости, ограниченной кожухом и стенкой 3 холодного узла, что обеспечивает разность температуры между холодными и горячими спаями термоэлементов. На спаях, согласно эффекту Зеебека, возникает ЭДС, а при подключении полезной нагрузки, в цепи возникает электрический ток, который может быть использован в общей электрической цепи судна. Каждый термоэлектрический модуль представляет собой последовательно соединенные термоэлектрические пары (термопары). На рисунке 5 изображена конструкция термоэлектрического модуля.

ШШР

Рисунок 4 - Термоэлектрический генератор Рисунок 5 - Термоэлектрический модуль

Судовая энергетическая установка характеризуется непостоянством режимов работы, и, следовательно, параметров горячего теплоносителя. Последний влияет на выходные и рабочие параметры ТЭГ. Для более детального исследования этих процессов была разработана модельная установка с термоэлектрическим генератором, позволяющая варьировать параметрами горячего и холодного теплоносителей, моделировать переходные режимы ГД, исследовать влияние параметров теплоносителей на выходные параметры ТЭГ (рисунок 6 а).

В состав установки входит: термоэлектрический генератор 1, отводная труба 3, система трубопроводов и регулирующая арматура 2, насос для подачи охлаждающей воды 5, расходомер 4, фильтр 6, термопары 7 и нагрузочное устройство 8. Расход Gv охлаждающей жидкости измерялся при помощи расходомера СВ-15Г, позиция - 16 (рисунок 6 б); измерение температуры горячего теплоносителя на входе и выходе, температуры узлов ТЭГ производилось при помощи хромель-копелевых термопар ХК ТПЬ011-0,5/1,5 позиции - 10 и 12, температура на входе и выходе из ТЭГ холодного теплоносителя контролировалась при помощи хромель-копелевых термопар ТПЬ094-00,10/2к, позиции - 11, 13; электрические параметры измерялись при помощи мультиметра М8900, позиция - 15; измерение объемного расхода горячего теплоносителя производилась при помощи трубки Пито с дифференциальными манометрами, позиция 13; давление в системе охлаждения контролировалась при помощи манометра.

Рисунок 6 - Модельная установка с термоэлектрическим генератором

Исследования на модельной установке проводились на 8 режимах: 4 режима с постоянным массовым расходом воздуха и 4 с постоянным массовым расходом воды. Каждый режим характеризовался различной температурой воздуха, который задавался с шагом 100°С. На каждом режиме проводилось 4-5 экспериментов, отличающихся между собой массовым расходом воздуха и воды, которые позволили впоследствии оценить теплофизические и электрические параметры ТЭГ. Выработанная электрическая энергия направлялась на нагрузочное устройство, представляющее собой последовательно-параллельно соединенные лампы. Скорость горячего теплоносителя определялась по измеренному объемному расходу по формуле:

а) Общий вид

б) Принципиальная схема

. Q K..F,

м/с

(3)

где Ку - отношение средней скорости потока в данном сечении к скорости потока в точке измерения;

О - объемный расход горячего теплоносителя, м3/с ^ - площадь поперечного сечения трубы, м2.

Окончательная обработка исследований производилась в виде зависимостей основных рабочих параметров ТЭГ от параметров теплоносителей.

Из рисунков 7-8 видно, что при увеличении расхода одного из теплоносителей растет вырабатываемая термоэлектрическим генератором ЭДС. Объясняется это тем, что при увеличении расхода одного из теплоносителей возрастает коэффициент его теплоотдачи, следовательно, возрастает градиент температуры на стенке, разделяющей эти теплоносители. Поскольку вырабатываемая в ТЭГ ЭДС прямо пропорциональна градиенту температуры, происходит ее увеличение.

Однако, на рисунке 7 видно, что при увеличении расхода охлаждающей воды происходит сначала увеличение ЭДС, а затем ее некоторое падение. Объясняется это тем, что при постепенном увеличении расхода воды растет градиент температуры. При дальнейшем увеличении расхода воды градиент температуры между спаями ТЭГ растет незначительно, а коэффициент термоЭДС снижается, т.к. последний зависит от средней температуры термоэлементов.

■Температурный режим 20ОС .♦Температурный режим ЗООС

Д Температурный режим 400С ЖТемпературный режим 500С

ШЗ* OJJCJS В.а!К Ш97 ♦Температурный режим 200 С ■Температурный режим 300 С

З.КГЭ5 одаэ 0,№1 О.Ш Ш12 Д Температурный режим 400 С ХТемпературный режим 500 С

Рисунок 7 - Зависимость вырабатываемой Рисунок 8 - Зависимость вырабатываемой ЭДС Е, В ТЭГ от расхода воды (Расход ЭДС Е, В ТЭГ от расхода горячего воздуха горячего воздуха Gr = const). (Расход охлаждающей воды Gb = const).

На рисунках 9-10 представлены графики зависимостей рабочих параметров ТЭГ от коэффициента нагрузки т, равном отношению внешнего сопротивления потребителя к внутреннему сопротивлению ТЭГ. На графиках видно, что при т=1 достигается наибольшая мощность. Эффективность работы ТЭГ оценивается коэффициентом полезного действия и рассчитывается по формуле (4):

_ТГ-Т, _I_

2' Т

1 + —+ ■

m ZT

Максимальный КПД ТЭГ достигается в пределах т= 1,3+1,4. С ростом электрической нагрузки растет напряжение в цепи ТЭГ, а сила тока снижается. Также, с ростом нагрузки, незначительно (на 1%) снижается коэффициент утилизации.

По всем измеренным величинам, полученным в процессе проведения экспериментальных исследований, проводилась оценка погрешности измерений. Значение относительной погрешности результатов измерений 5 не превышает для всех вариантов исследования 4%.

— Моя,ностъТЭГ.0т Силатока.А

—♦— Напряжением и Коэффициент

утилизации

^ етдтэг Рисунок 9 - Зависимость электрических параметров ТЭГ и КПД установки при Gr = const

" ф....... МощностъТЭГ.Вт ф Силатока.А

у Напряжение, в Коэффициент

утилизации

-♦— етдтэг Рисунок 10 - Зависимость электрических параметров ТЭГ и КПД установки при Gb = const

В третьей главе подробно рассмотрены эффекты, происходящие в термоэлектрических материалах, проведен обзор существующих методик расчета термоэлектрических генераторов. Дополнена методика и алгоритм расчета ТЭГ. Представлены принципы построения математической модели термоэлектрического генератора как устройства для утилизации теплоты отработавших газов на основе существующих методик расчета ТЭГ и теплообмена. Предлагаемая математическая методика термоэлектрического генератора основана на известных методах расчета термоэлектрических устройств и теплообменных аппаратов.

Расчет термоэлектрических устройств связан со сложностью математического описания процессов теплообмена, при попытке математического описания влияния режима теплоносителей (температура, расход) на выходные параметры ТЭГ.

Для простоты расчета введены следующие допущения: -материал термоэлектрических стержней однороден и изотропен; -площади сечений термоэлектрических стержней одинаковы и постоянны; -теплота Джоуля распределена поровну между противоположными спаями термоэлементов;

—боковые поверхности термоэлементов теплоизолированы;

Характер изменения температуры через стенки ТЭГ представлены на рисунке 11.

Рисунок 11 - Характер изменения температуры через слои ТЭГ

1 - стенка горячего узла; 2 - термоэлектрический модуль ТГМ-287-1,0-1,5; 3 - стенка

холодного узла.

Методика расчета термоэлектрической установки должна учитывать:

- тепловой поток от источника теплоты;

- способ отвода теплоты от термоэлектрического генератора;

- генерирование электрической энергии;

- влияние внешней электрической нагрузки на выходные параметры ТЭГ.

Расчет тепловых и электрических параметров ТЭГ осуществляется последовательными приближениями.

Теплопроводность через стенку шестиугольной трубы рассматривается как через плоскую, поскольку толщина стенки мала по сравнению с эквивалентным диаметром газохода. Теплопередача между термоэлектрическими элементами пренебрежимо мала. Дискретность термоэлектрического модуля учитывается поправочным коэффициентом / равным отношению площади термогенераторного модуля к суммарной площади поперечного сечения термоэлементов модуля.

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

,.=_I__

1 I . с5, \ + ^' ? + £ + 1 ' Вт/м2К (5)

а, Л, Я, Л, Л, Д3 ая где - толщина стенки горячего узла, м; ¿2 - толщина керамической изоляции модуля со стороны стенки горячего узла, м; <5з - высота термоэлемента термоэлектрического модуля, м;

¿4 - толщина керамической изоляции модуля со стороны стенки холодного узла, м; S5 -толщина стенки холодного узла, м; Я| - коэффициент теплопроводности стенки горячего узла, Вт/(м-К); Я2 - коэффициент теплопроводности керамической изоляции модуля со стороны стенки горячего узла, Вт/(м-К); Я3 - коэффициент теплопроводности термоэлемента термоэлектрического модуля, Вт/(м-К); л4 - коэффициент теплопроводности керамической изоляции модуля со стороны стенки холодного узла, Вт/(мК); 15 - коэффициент теплопроводности стенки холодного узла, Вт/(м-К).

Для оценки термодинамического совершенства процесса служит эксергетический коэффициент полезного действия, рассчитываемый по формуле 6:

(6)

где То - температура окружающего воздуха, К;

ASC„C - изменение энтропии системы, кДж/К;

ЕМтр - затрата эксергии, кДж.

Характер изменения эксергетического КПД в зависимости от режимов теплоносителей графически представлен на рисунке 12а и 126.

0,04 0.05 0.06 »-Температурный режим 300 С —Томперат\рныйрежим 500C

0.0034 0.0035 0.0036 0.0037 0.0038 0.0039 0.004 0.0041 0.0042

—»—Температурный режим 200С-—ж— Температурный режим 400 С -

—Температурный режим 300 С -Температурный режим 500C

О 0.01 0.02 0,03

Температурный режим 200с —I -*-темпсраутрный режим 400С —

Рисунок 12а - Зависимость Рисунок 126 - Зависимость эксергетического эксергетического КПД с постоянным КПД г^ с постоянным расходом холодного расходом горячего теплоносителя теплоносителя

Как отмечалось ранее, в ТЭГ используется охлаждающая вода, которая циркулирует в его системе охлаждения. Электрическая мощность, отдаваемая потребителю с учетом потерь, затрачиваемых на привод циркуляционного насоса:

, Вт (7)

Расчет проводился методом последовательных приближений с использованием ЭВМ. Основные дополнения, введенные в методику, касаются, прежде всего, постановки задачи. Исходя из заданных геометрических параметров ТЭГ рассчитываются его тепловые и энергетические параметры. Поскольку, в процессе работы изменяются параметры теплоносителей, изменяются их средние температуры и, как следствие, теплофизические свойства теплоносителей. Кроме того, это влияет на теплофизические и электрические характеристики термоэлектрического материала. Предложен уточненный алгоритм расчета ТЭГ, в котором происходит постоянное уточнение вышеуказанных параметров с учетом изменения температуры.

Принимая во внимание условия эксплуатации термоэлектрических генераторов в судовых энергетических установках, важно оценивать влияние эксплуатационных загрязнений. В газовом тракте будут наблюдаться отложения сажи, загрязняющие поверхности нагрева и стенки газоходов. Причины отложений - плохая организация

процесса горения в двигателе, особенно при продолжительной работе на малых нагрузках и переходных режимах, унос смазочных масел и присадок во время продувки двигателя, и неудовлетворительная очистка поверхностей нагрева ТЭГ. Это учитывается путем ввода в формулу для определения коэффициента теплопередачи (5) значений теплопроводности и толщины сажистых отложений.

В четвертой главе проводился регрессионный анализ на основе метода наименьших квадратов и данных экспериментального исследования на модельной установке с регулированием расхода охлаждающей воды в одном случае и с регулированием расхода горячего воздуха - в другом.

Для исследования характеристик ТЭГ при различных параметрах теплоносителей в качестве определяющих факторов, задающих режим работы ТЭГ, использовались следующие величины: средние температуры горячего Тгср и холодного Твср теплоносителей, их массовые расходы Ог и Ge соответственно.

При проведении регрессионного анализа был использован программный продукт «Statgraphics Plus». В результате была получена сводная множественная линейная регрессионная модель, описывающая взаимосвязь Е и 4 влияющих фактора Тгср, Твср, а также G, или G„ для режима с постоянным расходом горячего теплоносителя и постоянным расходом охлаждающей воды соответственно.

Таким образом, регрессионная зависимость ЭДС при постоянном расходе горячего теплоносителя имеет вид:

Е= -18,36 - 43.90-G.+ 0,2-Г^ - 0,11-Г„ср, В (8)

ЭДС при постоянном расходе холодного теплоносителя:

Е= -17,48 + 4183,61 G, + 0,3 \-Т,ср + 37,39-Гвср, В (9)

Установлено, что эти формулы могут быть использованы для предварительных расчетов значения ЭДС и коэффициента утилизации теплоты ТЭГ при проектировании и модернизации их СЭУ, а также расчете возможных режимов работы ТЭГ.

Основные выводы

1. Предложена схема классификации НИЭ, в которой обобщены все пути и методы получения энергии нетрадиционным способом. Определено перспективное направление использования ТЭГ в СЭУ.

2. Разработана модельная установка с термоэлектрическим генератором, позволяющая проводить полномасштабные испытания с различными режимами, моделирующими работу судового утилизационного комплекса. Получен патент на устройство с ТЭГ для утилизации теплоты ОГ судовых дизелей №108214 «Устройство для утилизации теплоты отработавших газов в судовых энергетических установках».

3. Исследовано влияние параметров теплоносителей (температура, расход) на выходные параметры ТЭГ, которое показало, что повышение температуры горячего теплоносителя (газа) на каждые 100 °С ведет к увеличению ЭДС ТЭГ от 25 до 100%, в зависимости от режима работы.

4. Дополнена существующая методика расчета ТЭГ с учетом параметров теплоносителей и алгоритмом расчета с использованием метода последовательных приближений, которая позволяет определить выходные параметры ТЭГ на различных режимах работы СЭУ, а также производить оценку количества теплоты, преобразованной в полезную тепловую и электрическую энергии.

5. Установлено, что применение ТЭГ как устройства для утилизации теплоты ОГ позволяет увеличить КПД до 33%.

6. Определено влияние параметров горячего и холодного теплоносителей на эксергетический КПД и установлены их значения, при которых достигается максимальный tj„ на различных режимах.

7. Сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных показал, что погрешность не превышает в среднем 4%, что говорит об удовлетворительной адекватности разработанной математической модели.

8. Для оценки параметров совместной работы дизеля и ТЭГ получены регрессионные зависимости, позволяющие оценивать показатели совместной работы утилизационного комплекса дизель - ТЭГ.

9. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе и научно-исследовательской работе профильных кафедр ФГБОУ ВПО «АГТУ» и переданы для использования в ЗАО КБ «Астрамарин».

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Хапыков K.P. Проектирование термоэлектрического генератора, работающего от теплоты выхлопных газов судовых дизелей [Текст] / C.B. Виноградов, М.М. Горбачев, K.P. Халыков // Вестник АГТУ. Сер.: морская техника и технология,- 2010. - № 1. - С. 89-94. ISSN 2073-1574.

2. Халыков K.P. Модельная экспериментальная установка с термоэлектрическим генератором [Текст] / C.B. Виноградов, K.P. Халыков, К.Д. Нгуен // Вестник АГТУ. Сер.: морская техника и технология - 2010. - № 2. - С. 66-70. ISSN 2073-1574.

3. Халыков K.P. Методика расчета и оценки параметров экспериментального термоэлектрического генератора [Текст] / C.B. Виноградов, K.P. Халыков, К.Д. Нгуен // Вестник АГТУ. Сер.: морская техника и технология,- 2011. - № 1. - С. 84-91. ISSN 20731574.

4. Халыков K.P. Применение термоэлектрических генераторов как средство утилизации сбросной теплоты судовых дизелей [Текст] / C.B. Виноградов, K.P. Халыков, К.Д. Нгуен //

Вестник АГТУ. Сер.: морская техника и технология,- 2011. - № 3. - С. 78-83. ISSN 2073-1574.

5. Халыков K.P. Результаты испытаний экспериментального комплекса термоэлектрический генератор - судовой дизель 3417,5/24 [Текст] / C.B. Виноградов, K.P. Халыков, // Вестник АГТУ. Сер.: морская техника и технология.- 2013. - № 2. - С. 93-100. ISSN 2073-1574.

6. Халыков K.P. Экспериментальная установка с термоэлектрическим генератором. Программа и методика исследования. [Текст] / K.P. Халыков // Химическое и нефтегазовое машиностроение.-2014.-№5.-С. 14-17. ISSN 0023-1126.

7. Патент № 108214 РФ, МПК H01L 35/02. Устройство для утилизации теплоты отработавших газов в судовых энергетических установках / С. В. Виноградов, К. Р. Халыков, К. Д. Нгуен, Е. Г. Корниенко, С. А. Слепухин. Опубл. 10.09.2011 Бюл. № 25.

в других изданиях

8. Халыков K.P. Создание инновационного предприятия по проектированию и изготовлению термоэлектрических генераторов [Текст] / K.P. Халыков, К.Д. Нгуен // Материалы Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования университетов, интеграция в региональный инновационный комплекс» Сек. Машиностроение, электроника, приборостроение. - Астрахань: Изд-во АГТУ, - 2010. - Том 4-С. 14-17.

9. Халыков K.P. Утилизация теплоты отработавших газов в судовых энергетических установках при помощи термоэлектрического генератора [Текст] / C.B. Виноградов, K.P. Халыков, К.Д. Нгуен // Высокие технологии и фундаментальные исследования: Сб. трудов десятой международной научно-практической конференции «исследование, разработка и применение высоких технологий а промышленности» (г. Санкт-Петербург, 09-11.12.2010г.). - С.: Изд-во Политехнический университет, 2010. - Том 2. - С. 176-178.

10. Халыков K.P. Некоторые результаты расчетно-теоретичсского анализа использования термоэлектрических генераторов в судовой энергетике [Текст] / C.B.

Виноградов, К.Д. Нгуен, K.P. Халыков // Тез. докл. меж. отрас. науч. конф. АГТУ (г. Астрахань, 19-23.04.2010г.). - Астрахань: Изд-во АГТУ, - 2010. - Том. 1. - С. 263. ISBN 9785-89154-348-5.

11. Халыков K.P. Расчетно-теоретические исследования использования термоэлектрического генератора на судах типа РО-8 [Текст] / К.Д. Нгуен, K.P. Халыков // Будущее машиностроения России: сб. тр. Всерос. конф. молодых ученых и специалистов, (г. Москва, 22-25.09.2010г.) / МГТУ имени Н.Э. Баумана. -М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. -С. 183-184. ISBN 978-5-4253-0016-4.

12. Халыков K.P. Целесообразность внедрения нетрадиционных источников энергии [Текст] / C.B. Виноградов, K.P. Халыков, К.Д. Нгуен // Материалы Международной научно-практической конференции «Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем Каспийского шельфа» (г. Астрахань, 07.09.2012г.). - Астрахань: Изд-во АГТУ, - 2012. - С. 73-77. ISBN 978-5-89154-469-7.

Личный вклад в статьях и докладах, опубликованных в соавторстве, составляет не менее 75%.

Подписано в печать «06» декабря 2014 г. Тираж 100 экз. Заказ № 608 Типография ФГБОУ ВПО «АГТУ», тел. 61-45-23 г. Астрахань, Татищева 16ж.