Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
НГУЕН КОНГ ДОАН
УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОТЫ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ В ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРАХ
Специальность 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)
Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Астрахань - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Астраханский государственный технический университет (ФГБОУ ВПО АГТУ) на кафедре Эксплуатация водного транспорта
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Виноградов Сергей Владимирович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Яковлев Павел Викторович ФГБОУ ВПО АГТУ доктор технических наук, профессор Иванченко Александр Андреевич ФБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций, заведующий кафедрой судовых энергетических установок, технических средств и технологий
Ведущая организация: ФБОУ ВПО Государственная морская академия им. адм. С.О. Макарова, г. Санкт-Петербург
Защита состоится л27 декабря 2012 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 307.001.07 при ФГБОУ ВПО АГТУ по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева 16, главный учебный корпус, ауд. 313.
Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева 16, ФГБОУ ВПО АГТУ, диссертационный совет Д 307.001.07, тел./факс (8512) 61-41-66, e-mail:
evt2006@rambler.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО АГТУ.
С авторефератом можно ознакомиться на сайте АГТУ Автореферат разослан л26 ноября 2012 г.
Учёный секретарь Диссертационного совета, А.В. Кораблин кандидат технических наук, доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Экономия энергетических ресурсов - одна из важных задач энергетики России и Вьетнама. Значимость ее определяется, с одной стороны, все возрастающим потреблением топлива и энергии в странах (в том числе на транспорте), с другой стороны - невозобновляемостью запасов органического топлива.
С 23 ноября 2009 г. вступил в силу Федеральный закон № 261-ФЗ Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации. Федеральным законом определен комплекс правовых, экономических и организационных мер, направленных на стимулирование энергосбережения и повышение энергетической эффективности.
В государственной программе Вьетнама Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в период с 2006 - 2015 г. правительство отметило, что создание нового высокоэффективного энергооборудования, рациональное и полное использование энергетических ресурсов во всех отраслях народного хозяйства, особенно на транспорте, должны рассматриваться как важнейшие задачи.
Диссертационная работа выполнена в рамках научной тематики кафедры Эксплуатация водного транспорта и госбюджетной научной исследовательской лаборатории Ретрофит технологии на транспорте ФГБОУ ВПО АГТУ.
Известно, что в главных двигателях судовой энергетической установки (СЭУ) в механическую энергию превращается менее 50Е52% теплоты сгорания топлива. Утилизация теплоты - наиболее действенный метод повышения эффективности теплоиспользования в СЭУ. Одним из решений данной задачи является использование термоэлектрических генераторов (ТЭГ) на основе энергии теплоты отработавших газов (ОГ) судовых дизелей.
Благодаря последним достижениям в области разработки термоэлектрических материалов и систем возобновился интерес к применению ТЭГ в СЭУ. Преимущества ТЭГ - значительный моторесурс, отсутствие подвижных частей, бесшумная работа, экологическая чистота, универсальность в отношении способов подвода и отвода теплоты и возможности рекуперации отработанной тепловой энергии.
В настоящее время практически отсутствуют публикации работ по экспериментальным исследованиям ТЭГ и разработке методик расчета, с помощью которых можно определить геометрические параметры ТЭГ при проектировании и рабочие параметры при эксплуатации с учётом специфики условий работы СЭУ.
На основании вышеизложенного была определена необходимость проведения исследований по применению ТЭГ для утилизации тепловой энергии ОГ судовых дизелей.
Объект исследования - система утилизации теплоты ОГ судовых дизелей с термоэлектрическим генератором.
Предмет исследования - тепловой потенциал ОГ дизелей судов Волго-Каспийского региона (ВКР), термоэлектрический генератор.
Цель работы - повышение технико-экономических показателей судовых энергетических установок за счёт применения ТЭГ для утилизации тепловой энергии ОГ судовых дизелей.
В соответствии с целью ставятся следующие задачи исследования:
провести анализ способов утилизации тепловой энергии ОГ судовых дизелей и перспектив использования ТЭГ в судовой энергетике;
выполнить сбор статистического материала по структуре СЭУ, режимам работы дизелей судов ВКР;
провести натурные испытания на судах ВКР с целью оценки теплового потенциала ОГ судовых дизелей;
провести теоретические исследования с разработкой уточненной методики расчета ТЭГ;
провести испытания ТЭГ в составе экспериментальной установки с судовым дизелем;
выполнить расчет и разработать предложения по использованию ТЭГ в СЭУ различных типов судов ВКР.
Методы исследования. Методологической базой диссертации является исследования таких ученых как А.Ф. Иоффе, В. А. Кириллин, А. И. Бурштейн, А. Р. Регель, Л. И. Анатычук, А. С. Охотин, Е. К. Иорданишвили, Г. К. Котырло, Ю. Н. Лобунец, О. В. Марченко, Ю. Г Манасян, Р. В. Ковальский, В. П. Исаченко, М. А. Михеев, L. E. Bell, R. W. Diller, компании ОАО КРИОТЕРМ (г. Санкт-Петербург) и др.
В диссертационной работе использованы метод обработки и анализа статистических данных, метод последовательных приближений.
Научная новизна:
1) предложена уточненная методика с алгоритмом расчёта ТЭГ с учётом специфики условий работы СЭУ;
2) разработана новая конструкция ТЭГ для утилизации теплоты ОГ судовых дизелей;
3) разработаны научно-обоснованные рекомендации по использованию ТЭГ в СЭУ.
На защиту выносятся:
- результаты анализа состава, структуры, режимов работы энергетических установок для различных групп судов на примере Волго-Каспийского региона;
- результаты оценки теплового потенциала ОГ судовых дизелей;
- конструкция ТЭГ;
- алгоритм и методика расчета ТЭГ;
- результаты испытаний ТЭГ в составе экспериментальной установке с судовым дизелем;
- рекомендации по проектированию ТЭГ на судах.
Достоверность результатов основана на экспериментальных исследованиях, теоретических обобщениях большого количества исследований отечественных и зарубежных авторов. Использованы современные, сертифицированные средства и другие поверенные контрольно-измерительные приборы для измерения параметров ТЭГ и судовых дизелей.
Расчётно-теоретические исследования и обработка экспериментальных данных проводились с использованием современных лицензионных программных продуктов Astech Electronics, Mathcad 14, Microsoft Office Excel 2007.
Измерения температуры ОГ производились с использованием газоанализатора testo 350-MARITIME, сертифицированного Germanischer Lloyd (GL). Измерения крутящих моментов производились с использованием тензометрического комплекса Astech Electronics (Англия), который одобрен и разрешен к применению Lloyd`s Register of Shipping.
Практическая значимость работы:
- дополнен обширный материал по судам Волго-Каспийского региона и их энергетическим установкам, режимам работы главных дизелей (ГД) и вспомогательных дизелей (ВД);
- результаты испытаний на судах и оценки теплового потенциала ОГ могут использоваться для проектирования систем утилизации ОГ;
- разработана и предложена к использованию конструкция ТЭГ;
- результаты расчетов по уточненной методике могут использоваться для проектирования и разработки ТЭГ на судах.
ичный вклад автора. В диссертацию включены теоретические и экспериментальные результаты, полученные лично автором. При проведении отдельных технических работ помощь оказали сотрудники Испытательного центра УMarine technology serviceФ, кафедры Эксплуатация водного транспорта, лаборатории тепловых двигателей кафедры Судостроение и энергетические комплексы морской техники ФГБОУ ВПО АГТУ и машинные команды судов Казань-сити, НРВ-50М, НРВ-21М, Аксиома, Омский143, Бегей, Композитор Гасанов и др., за что автор выражает им признательность.
Апробация работы. Основное содержание исследований по мере их выполнения обсуждалось и докладывалось: 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 - 2012 гг.); III-й Всеросс. конф. молодых ученых и специалистов Будущее машиностроения России (г. Москва, МГТУ им. Баумана Н.Э., 09.2010г.); Международная научная конференция Фундаментальные и прикладные исследования университетов, интеграция в региональный инновационный комплекс (У.М.Н.И.К.) (г. Астрахань, АИСИ 10.2010 г.); Международный научный семинар Перспективы использования результатов фундаментальных исследований в судостроении и эксплуатации флота Юга России (г.
Астрахань, ФГБОУ ВПО АГТУ 10.2010 г.); Конкурс инновационных проектов в рамках выставки Образование - инвестиции в успех (г. Астрахань, 2010 - 2011гг.); III-й международный научно-практическая конференция Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем Каспийского шельфа (г. Астрахань, АГТУ 07.09.2012г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 10 научных работ, в том числе 4 по списку ВАК Министерства образования и науки России, а также патент РФ № 1082Устройство для утилизации теплоты отработавших газов в судовых энергетических установках.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения. Общий объем составляет 156 страницы, 69 рисунков, 39 таблиц. Список использованных источников включает 130 наименования.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрывается актуальность темы, научная новизна, практическая ценность, область реализации результатов, дается краткое изложение глав работы.
В первой главе проведен анализ энергетических параметров ОГ, способов утилизации тепловой энергии ОГ судовых дизелей и перспектив использования ТЭГ в судовой энергетике.
Проведен анализ теплового баланса комбинированного двигателя внутреннего сгорания. Отмечено, что потери энергии с ОГ составляют 25-45% от теплоты сгорания использованного топлива. Приведенные данные свидетельствуют о существовании значительных резервов получения дополнительной мощности и повышения экономичности в случае утилизации теплоты, теряемой с уходящими в атмосферу продуктами сгорания.
Приведен обзор работ, посвященных исследования утилизации теплоты на судах. Показано, что большой вклад в области повышения эффективности СЭУ внесли исследования Н.В. Голубева, С.В. Камкина, М.М. Коркурошникова, Л.П. Коршунова, В.Г. Кривова, В.В. Маслова, М.К. Овсянникова, В.М. Селиверстова, И.Г. Беляева, В.К. Камнева. За рубежом большое внимание этим вопросам придают в Японии, Франции, Великобритании, США.
Проведен анализ перспектив использования ТЭГ в судовой энергетике. Отмечено, что дальнейшие исследования и разработки по практическому применению термоэлектричества развивались по направлениям: разработка технологии и получение новых более эффективных материалов; проектирование и оптимизация характеристик термоэлектрических генераторов различных конструкций; экспериментальные исследования ТЭГ различного назначения; совершенствование методов расчета энергетических характеристик ТЭГ.
Все более широкому развитию и применению ТЭГ способствуют такие их специфические возможности 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 теплоты и различных источников тепловой энергии, возможность подвода теплоты непосредственно от источника и др.
Отмечено, что одной из основных областей применения ТЭГ является утилизация бросовой теплоты для производства электрической энергии на транспортных установках (автомобилях, судах).
Проведен анализ работ и патентов по использованию ТЭГ в качестве элемента выхлопной системы. Рассмотрены различные конструкции ТЭГ, использование которых возможно в системах газовыхлопа дизелей. Отсюда следует, что вопрос применения ТЭГ в СЭУ является актуальным, и нуждаются в проведении научных исследований в этой области.
Первая глава заканчивается выводами и постановкой задач исследования.
Вторая глава посвящена анализу ЭУ судов, расчетно-экспериментальному исследованию теплового потенциала ОГ судовых дизелей на примере судов Волго-Каспийского региона (ВКР).
Дополнена база данных судов ВКР, в которую входят 245 судов, плавающих под флагом РФ и под контролем Астраханского филиала ФАУ Российский морской регистр судоходства (имеющего четыре участка - Астрахань, Волгоград, Махачкала, Самара).
Анализ энергетических установок судов ВКР позволяет сделать следующие выводы:
99,8% судов имеют машинно-движительный комплекс, представляющий собой двигатели с прямой передачей мощности на ВФШ; 98% судов являются двухвинтовыми, 2% - одновинтовыми или с винторулевыми колонками; 94,3% судов, СЭУ которых имеют в своем составе ГД и ВД мощностью, не превышающей 1000 кВт; топливо, применяемое на судах, в основном дизельное.
С помощью метода группировки проведена структура ГД судов ВКР по их характеристикам (рисунок 1), где указываются марки двигателей, а в скобках - номинальная мощность (кВт) и частота вращения (об/мин).
6NVD48-2AU (485, 330);
18,0% Прочие (по разным);
28,0% 6NVD48-2AU (567, 330);
4,2% 4Г Д 6NVD48-2AU (515 300);
9,7% 6-27,5A2L(515, 600);
2,8% 6ЧНСП18/22(165, 750);
6NVDS48A2U (640, 375);
2,8% 3,2% Г 70(736, 350); 2,3% 8NVD48-2U (647, 428);
2,1% Г 70(883, 375); 5,1% 8VD36/24A1U(441, 500); 8NVD48AU (736, 375);
6,0% 7,6% 8NVDS48A2U (970, 428);
8NVDS48A2U (852, 375);
8NVDS48A2U (882, 390);
2,3% 2,8% 3,0% Рисунок 1 - Состав ГД судов ВКР Проведен анализ режимов работы ГД и ВД судов ВКР, который показал, что ГД и ВД работают в широком диапазоне нагрузок. Работа ВД, как правило, характеризуется значительными отклонениями от номинальной мощности. В условиях промысловой работы нагрузка ГД не столь стабильна, как на ходовом режиме. В рамках отдельных рейсов нагрузка охватывает практический весь рабочий диапазон, причем 0Е12% времени нахождения на промысле ГД не работают. Для нефтеналивных, транспортных и судов специального назначения диапазон нагрузок ВД еще более широк и составляет от 40 до 95% от номинальных.
С целью оценки теплового потенциала ОГ дизелей судов ВКР проведены натурные экспериментальные исследования на судах для определения параметров дизелей, таких как: мощность, частота вращения, часовой расход топлива, температура ОГ после турбины турбокомпрессора на различных режимах работы.
Температура и состав ОГ определены с помощью штатных приборов и газоанализатора testo 350-MARITIME, сертифицированного Germanischer Lloyd. Общий вид газоанализатора testo 350-MARITIME показан на рисунке 2.
Рисунок 2 - Газоанализатор Рисунок 3 - Тензометрический комплекс УAstech Testo 350-MARITIME ElectronicsФ Крутящий момент на гребном и коленчатом валах определялся по усредненной тензограмме при наклейке тензодатчиков на любой доступный участок валопровода с использованием тензометрического комплекса фирмы УAstech ElectronicsФ, одобренного LloydТs Register of Shipping (Англия). Тензометрический комплекс УAstech ElectronicsФ представлен на рисунке 3. Для измерения частоты вращения используются штатные приборы-тахометры.
Натурные испытания проводились после тщательной регулировки дизелей на судах РК-2091 типа Ярославец с ГД 3Д6С2-01 (110, 1500); НРВ-50М, НРВ-21М с ГД 6NVD48AU (485, 330); Омский-143 с ГД 6NVD48-2AU (515, 300); Аксиома с ГД 8NVD48AU (736, 375); Казань-сити с ГД 8NVDS48-2AU (882, 390); Бегей с ГД 6T 23LU-2 (460, 800) при работе дизелей на дизельном топливе; паром Композитор Гасанов с ГД 6VDS48/42 AL-2 (2650, 500) при работе дизелей на высоковязком топливе. В качестве примера на рисунке 4 показаны результаты измерения температуры ОГ ГД испытанных судов.
На основе данных, полученных в результате испытаний, проведены расчёты количества теплоты, уносимой ОГ и расход ОГ.
Относительное количество теплоты ОГ, которое можно использовать в системе утилизации теплоты определяется по формуле:
г в L' 1 cр tг L' cр tв 0 qг , н Qр L' где: - суммарный коэффициент избытка воздуха; - теоретическое количество г в cр cр воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, кг;, - средняя удельная массовая изобарная теплоёмкость продуктов сгорания и воздуха, кДж/(кг.К); tг - темперао н о Qр С тура ОГ, ; tв- температура воздуха на входе в цилиндр дизеля, С. - низшая рабочая теплота сгорания топлива, кДж/кг.
44o tг, C o tг, C 4333322221n, % n, % 100 260 70 80 90 140 50 60 70 80 90 1Дизель 8NVD48AU Дизель 8NVDS48-2AU Дизель 6NVD48A-U Дизель 6NVD48-2AU 400 4o o tг, C tг, C 433332222n, % Ne, % 2260 70 80 90 100 20 40 60 80 1Дизель 6T 23LU-2 Дизель 6VDS48/42 AL-Рисунок 4 - Результаты измерения температуры ОГ главных дизелей Эффективная мощность (Nе) в кВт каждого режима обеспечивается частотой вращения двигателя, крутящим моментом и вычисляется по формуле:
Ttg n Ne , 95где: Ttg - крутящий момент, Н.м; n - частота вращения вала, об/мин.
Часовой расход топлива на долевом режиме, кг/ч, определяется по формулам [Руководящий технический материал (РТМ 212.0142-86). Схемы утилизации теплоты судовых дизелей. Л.: Транспорт, 1989, - 42 с.], для дизеля с наддувом, работающего по винтовой характеристике:
0,78 Ne 0,19 Ne Neн ном Gт 0,826 Gт e, Neн для дизеля с наддувом, работающего по нагрузочной характеристике:
0,5 Ne 0,55 Ne Neн ном Gт 0,577 Gт e, Neн ном Gт где: - часовой расход топлива дизеля на номинальном режиме, кг/ч; Neн, Ne - эффективная мощность дизеля на номинальном и долевом режимах соответственно, кВт.
Абсолютное количество теплоты, уносимой с ОГ, кДж/ч, определяется по формуле:
н Qт qг Gт Qр, Часовой расход ОГ, кг/ч, определяется как сумма часового расхода воздуха на входе в цилиндры и часового расхода топлива:
Gг Gв Gт, Gв где: - часовой расход воздуха на входе в цилиндры, кг/ч, определяемый через суммарный коэффициент избытка воздуха и часовой расход топлива:
Gв 14,32 Gт По результатам испытаний и расчётов получены зависимости расхода ОГ Gг и количества теплоты ОГ Qт от нагрузки ГД. Графики зависимости показаны на рисунке 5.
2500 6000 1400 44Qт.10-3, Qт Qт.10-3, Qт Gг, кг/ч Gг, кг/ч кДж/ч Gг кДж/ч Gг 1200 402000 501000 361500 40800 321000 30600 28500 20400 24n, % n, % 0 1000 200 2040 50 60 70 80 90 100 60 70 80 90 1Дизель 8NVD 48A-U Дизель 6NVD 48A-U 3000 701600 42Qт.10-3, Qт.10-3, Qт Gг, кг/ч Gг, кг/ч Qт кДж/ч кДж/ч1400 Gг Gг 382500 601200 341000 302000 50800 261500 40600 22400 181000 30200 14n, % n, % 500 200 1060 70 80 90 140 50 60 70 80 90 1Дизель 6NVD48A-2U Дизель 8NVDS48-2AU 12000 3201400 38Qт.10-3, Qт.10-3, Qт Qт Gг, кг/ч Gг, кг/ч кДж/ч кДж/ч Gг Gг 10000 3001200 348000 2801000 306000 260800 264000 240600 222000 220400 18Ne, % n, % 0 200200 1460 70 80 90 120 40 60 80 1Дизель 6T 23LU-2 Дизель 6VDS48/42 AL-Рисунок 5 - Зависимость количества теплоты Qт и расхода ОГ Gг от нагрузки главных дизелей Отмечено, что полученные данные используются для расчетов геометрических и рабочих параметров при проектировании ТЭГ, с помощью которых преобразовывается теплота ОГ в электрическую энергию, а также других систем утилизации ОГ.
В третьей главе содержатся исследование термоэлектрических процессов, проходящих в ТЭГ, анализ существующих методик и моделей расчета ТЭГ, разработка методики расчета энергетических характеристик ТЭГ, экспериментальные исследования с ТЭГ.
Отмечено, что инженерный расчет термоэлектрических устройств связан с известными трудностями, которые заключаются в том, что термоэлементы одновременно представляют собой и 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.
В общем виде для расчета ТЭГ применяют численные методы (например, метод последовательных приближений, метод средних параметров) с использованием компьютерных программ, которые позволяют решать задачи оптимального управления термоэлектрическими процессами, рассчитывать ряд конструкции ТЭГ и определять рациональные режимы их работы.
В данной главе представлена методика расчета энергетических параметров ТЭГ как устройства для утилизации теплоты ОГ на основе существующих методик расчета ТЭГ и теплообмена, описанных в работах Иоффе А.Ф., Кириллина В.А., Бурштейна А.И., Ковальского Р.В., Манасяна Ю.Г., Исаченко В.П. и др.
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 элементы теории термоэлектрических эффектов (эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона) и процессов теплопередачи.
ТЭГ представляет собой съемную конструкцию (рисунок 6), которая встраивается в систему газовыхлопа дизеля. 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 осуществляется при помощи патрубков 8.
Рисунок 6 - Термоэлектрический генератор Устройство работает следующим образом: ОГ 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 холодный спай модуля. В результате разности температур между спаями возникает термоЭДС.
Отмечено, что рассмотренная методика расчета тепловых параметров ТЭГ не исключает полностью необходимости уточнений путем повторных вычислений, т.е. ряда последовательных приближений. Поэтому для первого приближения в расчете необходимо задаваться предварительными значениями этих температур. Начальные значения температур спаев термоэлементов приняты равными температурам спаев в режиме холостого хода.
Так как в этом режиме ток отсутствует, температуры спаев в ТЭГ определяются точно также как в теплообменнике.
Для упрощения расчета приняты круглые сечения узлов ТЭГ, площади которых эквивалентны площадям соответствующих шестиугольных сечений узлов ТЭГ. На рисунке представлен характер изменения температуры через слои ТЭГ.
Рисунок 7 - Характер изменения температуры через слои ТЭГ: 1 - стенка горячего узла; 2 - термогенераторный модуль; 3 - стенка холодного узла; 4 - межэлементный зазор; 5 - термоэлемент Расчет начинается с задания длины всей поверхности теплообмена L (рисунок 6), температуры газа на выходе tг2, температуры воды на выходе tв2, температуры стенки горячего узла tст1, температуры стенки холодного узла tст6 в первом приближении.
Далее рассчитывают в первом приближении коэффициенты теплоотдачи газа г и воды в.
Отметим, что теплопроводность через стенку шестиугольной трубы рассматривается как через плоскую, поскольку толщина стенки мала по сравнению с эквивалентным диаметром газохода. Кривизной стенок во всех частях общего уравнения теплообмена можно пренебречь. Теплопередача через межэлементные зазоры мала и ею можно пренебречь.
Теплопроводность через термоэлементы (с высотой 3) термогенераторных модулей рассматривается с учетом коэффициента f, определяемого отношением площади термогенераторного модуля к суммарной площади поперечного сечения термоэлементов модуля.
Коэффициент теплопередачи определяется по формуле 1 Вт k , 1 1 2 3 f 4 5 м2 К г 1 2 3 4 5 в где 1 - толщина стенки горячего узла, м; 2 - толщина керамической изоляции модуля со стороны стенки горячего узла, м; 3 - высота термоэлемента термоэлектрического модуля, м; 4 - толщина керамической изоляции модуля со стороны стенки холодного узла, м;
5 - толщина стенки холодного узла, м; 1 - коэффициент теплопроводности стенки горячего узла, Вт/(м.К); 2 - коэффициент теплопроводности керамической изоляции модуля со стороны стенки горячего узла, Вт/(м.К); 3 - коэффициент теплопроводности термоэлемента термоэлектрического модуля, Вт/(м.К); 4 - коэффициент теплопроводности керамической изоляции модуля со стороны стенки холодного узла, Вт/(м.К); 5 - коэффициент теплопроводности стенки холодного узла, Вт/(м.К).
Затем рассчитывают плотность теплового потока q, значения tст1 и tст6 во втором приближении. Если предыдущие и последующие приближения температур tст1 и tст6 совпадают с заданной точностью, то расчет продолжается, если же такого совпадения нет, то расчеты повторяют до тех пор, пока не достигнут требуемого совпадения. Далее рассчитывают температуры горячего спая tст3 и холодного спая термоэлемента tст4 в первом приближении.
После этого, рассчитывают площадь поверхности теплообмена F, с помощью которой определяют значение L, tг2 и tв2 во втором приближении. Если предыдущие и последующие приближения L, tг2 и tв2 совпадают с заданной точностью, то расчет продолжается, если же такого совпадения нет, то расчеты повторяют до тех пор, пока не достигнут требуемого совпадения.
Расчет продолжается с определением электрических параметров: сила тока в цепи I, напряжение на нагрузке U, электрическая мощность P, к.п.д. ТЭГ .
При включении нагрузки в модулях возникают термоэлектрические эффекты Пельтье, Томсона и Джоуля. При этом к горячим спаям надо подвести тепловой поток Qг, а от холодных спаев отвести тепловой поток Qх, которые увеличивают 30Е40% по сравнению с тепловым потоком в режиме холостого хода ТЭГ.
Qг и Qх являются данными для определения температур на спаях tст3 и tст4 в последующем приближении. Если предыдущие и последующие приближения tст3 и tст4 совпадают с заданной точностью, то расчет продолжается, если же такого совпадения нет, то расчеты повторяют до тех пор, пока не достигнут требуемого совпадения (на рисунке они показаны штрих-пунктиром). Расчет решается методом последовательных приближений с использованием компьютерных программ. Для реализации данной методики автором предложен алгоритм расчета ТЭГ. Схема алгоритма расчета ТЭГ показана на рисунке 8.
Отмечено, что данная методика позволяет определить геометрические параметры ТЭГ при их проектировании и рабочие параметры (теплофизические и электрические) при различных режимах, варьировать соотношение между входными и выходными параметрами ТЭГ для определения рациональных режимов их работы.
С целью проверки адекватности методики расчета энергетических параметров ТЭГ была разработана методика экспериментальных исследований, согласно которой проводились исследования в лаборатории тепловых двигателей ФГБОУ ВПО АГТУ.
Начало Задание L, tг2, tв2, tст1, tств первом приближении Расчет чисел подобия Re, Nu, Re, Nu, Gr.
г г в в в Расчет г и в Расчет k и q Расчет tст3, tст4. Расчет tст1, tств последующем приближении Сопоставление предыдующих и последующих приближений t и t ст1 стCовпадают СопоставРасчет F, L ние L L не задавали Расчет tг2, tвCовпадают Сопоставление предыдуНе совпадают ющих и последующих приближений t и t г2 вCовпадают Сопоставление Расчет I, U, P, , Q, Q.
предыдующих и г х Расчет tст3, tст4 в последпоследующих приблующем приближении ижений tст3 и tстCовпадают Конец Рисунок 8 - Схема алгоритма расчета ТЭГ Испытания проводились на экспериментальной установке, включающей в себя одноцилиндровый отсек дизеля 3NVD24 с номинальной мощностью 16 кВт и частотой вращения 630 об/мин; нагрузочное устройство дизеля - нагреватель воздуха; ТЭГ; нагрузочное устройство ТЭГ; системы, обслуживающие дизель и ТЭГ; контрольно-измерительные приборы (рисунок 9).
ТЭГ установлен на газовыхлопном тракте дизеля. Конструкция ТЭГ представлена на рисунке 6. Горячим теплоносителем являются ОГ, поступающие от дизеля. Холодным теплоносителем является вода, подвод которой в ТЭГ осуществляет насос. В ТЭГ применяются 30 термогенераторных модулей типа ТГМ-287-1,0-1,5 (изготовитель ОАО КРИОТЕРМ г. Санкт-Петербург).
Не совпадают Не совпадают Не совпадают Рисунок 9 - Общий вид экспериментальной моторной установки: 1 - дизель 3NVD24;
2 - ТЭГ; 3 - выхлопная труба; 4 - термопары; 5 - входная труба воды; 6 - выходная труба воды; 7 - нагрузочное устройство ТЭГ Нагрузочное устройство ТЭГ состоит из электрических ламп накаливания с номинальной мощностью 10 Вт и напряжением 60 В.
Частота вращения коленчатого вала двигателя измерялась тахометром. Часовой расход топлива определялся объёмным способом при использовании штихпробера и секундомера. Расход воды на входе в ТЭГ определялся счетчиком горячей воды. Температуры газа и воды определялись термопарами. Расход газа определялся суммарными расходами топлива и воздуха. Сила тока и напряжение в цепи определялись мультиметром.
Дизель работал по нагрузочной характеристике на 4 режимах 10%, 25%, 50% и 75% о от номинальной мощности. Температура воды на входе в ТЭГ tв1 = 15 С. Расход воды в ТЭГ Gв = 5,5 л/мин. Проведены экспериментальные исследования рабочих параметров ТЭГ при изменении нагрузки дизеля, нагрузочного коэффициента m = Rн/R, равным отношению электрического сопротивления нагрузки Rн к внутреннему сопротивлению термоэлемента R. Результаты экспериментальных исследований и расчета по предлагаемой методике показаны на рисунках 10 и 11.
Результаты сравнения экспериментальных данных и расчета показали удовлетворительную сходимость (погрешность не больше 10%), что говорит об адекватности предлагаемой уточненной методики.
Анализ результатов показывает, что при работе дизеля на режиме 75% от номинальной мощности и с нагрузочным коэффициентом m =1,097 достигается максимальная мощность ТЭГ Р = 45,84 Вт, напряжение U = 130 В, сила тока I = 0,353 А, коэффициент полезного действия = 2,35 %.
Тепловые и электрические параметры ТЭГ изменяются при изменении параметров горячего теплоносителя (газа). При увеличении мощности дизеля, происходит увеличение температуры и расхода газа, в результате этого температура газа и воды на выходе из ТЭГ, сила тока, напряжение, мощность и к.п.д. увеличиваются (рисунок 10).
220 2o tг2, C U, B 22111111110 10 20 30 40 50 60 70 o 1tв2, C 0,0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,I, A 0,0,0,0,10 10 20 30 40 50 60 70 0,U, В 10,50 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,1P, Вт 0,0 10 20 30 40 50 60 70 I, A 0,0,0,0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,2,0,, % 0,2,0 10 20 30 40 50 60 70 P, Вт 1,1,0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,m 2,6 0 10 20 30 40 50 60 70 экспер иментальнные данные , % 2,р асчет по пр едлагаемой методике 2,Рисунок 11 - Зависимость рабочих параметров ТЭГ от нагрузочного коэф1,фициента m при работе дизеля на ре1,жиме 75% от номинальной мощности 1,0 10 20 30 40 50 60 70 Ne, % экспер иментальные данные р асчет по пр едлагаемой методике Рисунок 10 - Зависимость рабочих параметров ТЭГ от режимов работы дизеля Электрические параметры ТЭГ также изменяются при изменении нагрузочного коэффициента m. При увеличении m сила тока увеличивается, напряжение, мощность и к.п.д уменьшаются (рисунок 11).
Четвертая глава посвящена разработке рекомендаций по использованию ТЭГ в СЭУ различных типов судов на примере Волго-Каспийского региона.
Проведено теоретическое обоснование возможности применения ТЭГ в СЭУ. Вопрос установки ТЭГ требуют тщательного технико-экономического анализа с учетом конкретных исходных данных экономической эффективности, необходимости в надежном источнике электроэнергии и ограничений по температуре ОГ, а также многих других факторов.
Отмечено, что ТЭГ, использующие теплоту ОГ судовых дизелей можно 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.
На основе анализа статистического материала по структуре СЭУ, режимов работы судовых дизелей, результатов натурных испытаний на судах, проведенных расчетно-теоретических и экспериментальных исследований с использованием уточненной методики расчета ТЭГ, разработанной конструкции ТЭГ с конкретным техническим решением были проведены расчеты рабочих параметров ТЭГ в СЭУ судов различных проектов на примере Волго-Каспийского региона.
Расчеты ТЭГ проводились для судов РК-2091 типа Ярославец с ГД 3Д6С2-(110, 1500); НРВ-21М с ГД 6NVD48AU (485, 330); Омский-143 с ГД 6NVD48-2AU (515, 300); Аксиома с ГД 8NVD48AU (736, 375); Казань-сити с ГД 8NVDS48-2AU (882, 390); Бегей с ГД 6T23LU-2 (460, 800); паром Композитор Гасанов с ГД 6VDS48/42AL-2 (2650, 500).
Расчет начинается с определением геометрических параметров при работе ГД на номинальном режиме. Конструктивными характеристиками ТЭГ являются длина поверхности теплообмена L, размер грани горячего узла a, размер грани холодного узла b, размер грани кожуха c (рисунок 7). Далее рассчитывают число термогенераторных модулей, число секций, электрические и тепловые параметры ТЭГ.
Основными исходными данными для расчета являются температура газа на входе о ТЭГ tг1,оС; расход газа Gг, кг/с; температура воды на входе в ТЭГ tв1, С; диаметр газовыхлопной трубы d, м; конструктивные и электрические характеристики генераторных модулей; сопротивление нагрузки Rн, Ом.
Основными результатами расчета являются температура газа на выходе из ТЭГ tг2,оС;
о обеспечивающий расход воды Gв, м3/ч; температура воды на выходе из ТЭГ tв2, С; сила тока в цепи I, А; напряжение на нагрузке U, В; мощность ТЭГ Р, кВт; коэффициент полезного действия .
250 2С целью избежания низкотемпературной U, B U I I, A коррозии трубопровода ОГ в расчетах (при ра- 200 2боте ГД на номинальном режиме) принята тем150 1о пература газа на выходе ТЭГ tг2 = 200 С. Тем100 1пература воды на входе в ТЭГ принята tв1 = о о С. Температура воды на выходе ТЭГ tв2 = 25 С.
50 В расчетах использовались генераторные моду0 ли ТГМ-287-1,0-1,5.
12 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 P, кВт , % P В расчетах также проведено исследование 10 2,рабочих параметров ТЭГ при работе ГД на экс8 плуатационном режиме, с изменением нагру6 1,зочного коэффициента m, с регулированием температуры воды на выходе ТЭГ tв2. 4 Расчеты выполняются методом последо2 0,вательных приближений с использованием ли0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 цензионного программного продукта Mathcad m 14 по алгоритму, предложенному в главе 3.
Рисунок 12 - Зависимость рабочих В качестве примера на рисунках 12 и параметров от нагрузочного коэффипредставлены результаты расчета ТЭГ на судне циента m ТЭГ ГД 8NVDS48-2AU Казань-сити. В графиках приняты следующие судна Казань-сити обозначения:
350 tг2 ном tг2 эксп ном - номинальный режим; o Gв, м3/ч tг2, C Gв ном Gв эксп 325 эксп - эксплуатационный режим.
300 Анализ результатов расчета пока275 зывает, что при работе ГД на номиналь250 ном режиме и m =1 достигается макси225 мальная мощность ТЭГ Р = 10,95 кВт, на200 пряжение U = 93 В, сила тока I = 118 А, 175 коэффициент полезного действия = 2,150 %, расход воды Gв = 70 м3/ч. 120 30 40 50 tв2, оС U ном U, B U эксп При работе ГД на эксплуатационном режиме и m = 1 достигается максимальная мощность ТЭГ Р = 5,5 кВт, напряжение U = 66 В, сила тока I = 84 А, коэффициент полезного действия = 1,8 %, температура газа на выходе из ТЭГ tг2 = 120 30 40 50 о I ном I, A 170 С, расход воды Gв = 49,63 м3/ч.
1I эксп Максимальный коэффициент по1лезного действия max = 2,6 % достигается при значении m = 1,42. Тепловые и электрические пара- метры ТЭГ зависят от изменения пара30 40 50 Pmax12 Рmax ном метров горячего (газа) и холодного (вода) кВтPmax эксп теплоносителей. При уменьшении температуры и расхода газа температура газа на выходе ТЭГ, сила тока, напряжение, мощность и к.п.д. уменьшаются. При уве- личении температуры воды на выходе из ТЭГ то есть уменьшение расхода воды 3 20 30 40 50 температура газа на выходе из ТЭГ уве ном , % эксп личивается, а сила тока, напряжение, 2,мощность и к.п.д. ТЭГ уменьшаются.
Электрические параметры ТЭГ 1,также зависят от нагрузочного коэффициента m. При увеличении m сила тока уве0,личивается, напряжение уменьшается.
20 30 40 50 o tв2, C Мощность ТЭГ достигает максимального значения при m = 1, а к.п.д. при m 1,4.
Рисунок 13 - Зависимость рабочих параПо результатам расчетов спроекти- метров от температуры воды на выходе из рованы ТЭГ на газовыхлопных системах ТЭГ ГД 8NVDS48-2AU судна Казаньдвух дизелей 8NVDS48-2AU (882, 390) сити судна Казань-сити мощностью 10,95 х = 21,9 кВт, дизеля 8NVD48AU (736, 375) судна Аксиома с мощностью 8,9 кВт, двух дизелей 6T23LU (460, 800) судна Бегей мощностью 5,39 х 2 = 10,78 кВт, дизеля 3Д6С2-(110, 1500) судна РК-2091 мощностью 1,86 кВт, двух дизелей 6VDS48/42 AL-2 (2650, 500) судна Композитор Гасанов мощностью 48,51 х 2 = 97,02 кВт, двух дизелей 6NVD48AU (485, 330) судна Нефтерудовоз-21М мощностью 6,23 х 2 = 12,46 кВт, двух дизелей 6NVD48-2AU (515, 300) судна Омский-143 мощностью 6,14 х 2 = 12,28 кВт.
Для удобства и наглядности результаты расчетов ТЭГ на судах представлены на гистограмме (рисунок 14).
Р, кВт 1 - 8NVDS48-2AU (882, 390) судна Казань-сити 2 - 8NVD48AU (736, 375) судна 35 Аксиома 3 - 6T23LU (460, 800) судна Бегей 4 - 3Д6С2-01 (110, 1500) судна РК-2091 5 - 6VDS 48/42 AL-2 (2650, 500) судна Композитор Гасанов 6 - 6NVD48AU (485, 330) судна Нефтерудовоз-21М 7 - 6NVD48-2AU (515, 300) судна Омский-143 1 2 3 4 5 6 Номина льный режим Эксплуа та ционный режим Рисунок 14 - Электрическая мощность ТЭГ Полученное электричество может использоваться для освещения, подзарядки аккумуляторных батарей или для других потребителей с использованием инвертора. Полученная горячая вода может быть использована для общесудовых нужд.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Результаты анализа энергетических параметров ОГ, способов утилизации тепловой энергии ОГ судовых дизелей и перспектив использования ТЭГ в судовой энергетике свидетельствуют о существовании резервов получения дополнительной мощности и повышения экономичности СЭУ в случае утилизации теплоты ОГ в ТЭГ.
2. Результаты экспериментальных исследований и оценки теплового потенциала ОГ испытанных судов могут использоваться для проектирования систем утилизации ОГ на судах.
3. Предложенная уточненная методика с алгоритмом расчета ТЭГ позволяет определить геометрические параметры ТЭГ (длина, площадь поверхности теплообмена) при их проектировании и рабочие параметры (теплофизические и электрические) при различных режимах.
4. Разработана новая конструкция ТЭГ для утилизации теплоты ОГ судовых дизелей и получен на него патент №108214 Устройство для утилизации теплоты отработавших газов в судовых энергетических установках.
5. Результаты исследования ТЭГ в составе экспериментальной установке с судовым дизелем 3NVD24 подтверждают удовлетворительную сходимость (погрешность не больше 10 %) экспериментальных и расчетных данных по предлагаемой методике. Анализ графиков теоретического и экспериментального исследований (рисунки 10 и 11) показывает, что электрические параметры ТЭГ не только зависят от параметров теплоносителя (газа) но и от электрической нагрузки (нагрузочный коэффициент m).
6. Выполнены расчеты ТЭГ в СЭУ различных типов судов. Получены конструктивные параметры (длина, площадь поверхности теплообмена), теплофизические параметры (температура и расход теплоносителей) и электрические параметры (мощность, сила тока, напряжение, к.п.д.) ТЭГ при различных режимах. Полученная взаимосвязь между входными и выходными параметрами ТЭГ позволяет определить рациональные режимы их работы.
7. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе ФГБОУ ВПО АГТУ и переданы для использования в ООО Конструкторское бюро ФЛОТПРОЕКТ (г. Астрахань).
Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:
в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Нгуен К.Д. Модельная экспериментальная установка с термоэлектрическим генератором [Текст] / С.В. Виноградов, К.Р. Халыков, К.Д. Нгуен // Вестник АГТУ. Сер.: морская техника и технология. - 2010. - № 2. - С. 66-70. ISSN 2073-1574.
2. Нгуен К.Д. Методика расчета и оценки параметров экспериментального термоэлектрического генератора [Текст] / С.В. Виноградов, К.Р. Халыков, К.Д. Нгуен // Вестник АГТУ. Сер.: морская техника и технология. - 2011. - № 1. - С. 84-91. ISSN 2073-1574.
3. Нгуен К.Д. Применение термоэлектрических генераторов как средство утилизации сбросной теплоты судовых дизелей [Текст] / С.В. Виноградов, К.Р. Халыков, К.Д. Нгуен // Вестник АГТУ. Сер.: морская техника и технология. - 2011. - № 3. - С. 78-83. ISSN 20731574.
4. Нгуен К.Д. Теоретический и экспериментальный анализ тепловых выбросов с отработавшими газами судовых дизелей [Текст] / К.Д. Нгуен // Вестник АГТУ. Сер.: морская техника и технология. - 2012. - № 1. - С. 117-122. ISSN 2073-1574.
5. 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 6.. Нгуен К.Д. Создание инновационного предприятия по проектированию и изготовлению термоэлектрических генераторов [Текст] / К.Р. 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.
7. Нгуен К.Д. Утилизация теплоты отработавших газов в судовых энергетических установках при помощи термоэлектрического генератора [Текст] / С.В. Виноградов, К.Р. Халыков, К.Д. Нгуен // Высокие технологии и фундаментальные исследования: Сб. трудов десяткой международной научно-практической конференции лисследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности (г. Санкт-Петербург, 0911.12.2010г.). - С.: Изд-во Политехнический университет, 2010. - Том 2. - С. 176-178.
8. Нгуен К.Д. Некоторые результаты расчетно-теоретического анализа использования термоэлектрических генераторов в судовой энергетике [Текст] / С.В. Виноградов, К.Д.
Нгуен, К.Р. Халыков // Тез. докл. меж. отрас. науч. конф. АГТУ (г. Астрахань, 19 - 23.04.2010г.). - Астрахань: Изд-во АГТУ, - 2010. - Том. 1. - С. 263. ISBN 978-5-89154-3485.
9. Нгуен К.Д. Расчетно-теоретические исследования использования термоэлектрического генератора на судах типа РО-8 [Текст] / К.Д. Нгуен, К.Р. Халыков // Будущее машиностроения России: сб. тр. Всеро. конф. молодых ученых и специалистов. (г. Москва, 2225.09.2010г.) / МГТУ имени Н.Э. Баумана. ЦМ.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. - С. 183184. ISBN 978-5-4253-0016-4.
10. Нгуен К.Д. Целесообразность внедрения нетрадиционных источников энергии [Текст] / С.В. Виноградов, К.Р. 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.
_____________________________________________ Подписано в печать л21 ноября 2012 г. Тираж 100 экз. Заказ № 6Типография ФГБОУ ВПО АГТУ, тел. 61-45-г. Астрахань, Татищева 16ж.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям