Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса по направлению диссертационного исследования. Постановка цели и задач исследования . 10
1.1 Использование вторичных энергетических ресурсов в судовых энергетических установках 17
1.2 Использование термоэлектрических генераторов в транспортной энергетике 25
1.3 Повышение эффективности термоэлектрических генераторов 27
1.4 Постановка целей и задач исследования . 37
Глава 2 Экспериментальная установка. Программа и методика исследования 38
2.1 Анализ существующих конструкций ТЭГ 38
2.2 Разработка конструкции ТЭГ . 42
2.3 Экспериментальная модельная установка с термоэлектрическим генератором . 48
2.4 Программа проведения испытаний . 53
2.5 Обработка экспериментальных данных 58
2.6 Оценка погрешности результатов измерений 64
Глава 3 Математическое моделирование процессов в термоэлектрическом генераторе 67
3.1 Анализ методик и моделей расчета ТЭГ . 70
3.2 Методика расчета ТЭГ 79
3.2.1 Расчет коэффициента теплоотдачи горячего теплоносителя 82
3.2.2 Расчет коэффициента теплоотдачи холодного теплоносителя . 83
3.2.3 Расчет коэффициента теплопередачи 85
3.2.4 Расчет электрических параметров ТЭГ 90
3.2.5 Расчет энергетических параметров термоэлектрического генератора в последующем приближении 92
Глава 4 Статистическая обработка результатов испытаний 95
4.1 Получение регрессионных зависимостей 95
4.2 Проверка достоверности регрессионных зависимостей 101
Заключение . 104
Перечень принятых условных обозначений, сокращений и символов 106 Список использованных источников
- Использование термоэлектрических генераторов в транспортной энергетике
- Экспериментальная модельная установка с термоэлектрическим генератором
- Расчет коэффициента теплоотдачи горячего теплоносителя
- Проверка достоверности регрессионных зависимостей
Использование термоэлектрических генераторов в транспортной энергетике
Установлено, что основным источником энергии на сегодняшний день является ископаемое органическое топливо, относящееся к невозобновляемым топливно-энергетическим ресурсам. Резервы топливно-энергетических ресурсов составляют угол, нефть, газ и др. При этом химическая энергия органического топлива, которая является главным источником применяемых видов энергии, составляет менее 1 % всех запасов энергии на Земле.
По оценкам специалистов мировое потребление невозобновляемых энергетических ресурсов составляет 11–14 млрд. т у. т. в год. Каждый год во всем мире добывается 4,3 млрд. т угля, 3,1-3,4 млрд. т нефти, более 1,6 трлн. м3 газа. Значительная часть извлекаемых запасов органического топлива сосредоточена в странах Северной Америки (39 %) и Азии (36 %), меньше запасов в Западной Европе (11 %), Африке (8 %), Южной Америке (3 %) и Океании (3 %).
Энергосбережение тесно взаимосвязаны с теми сферами жизнедеятельности человека, в которых расходуются энергетические ресурсы. В настоящее время энергопотребление основными сферами хозяйствования в России распределено следующим образом, %: промышленность – 41; транспорт –14,5; сельское хозяйство – 11,5; коммунальное хозяйство – 33.
Среди тепловых двигателей и источников энергии, используемых человечеством, самыми многочисленными являются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Существующее широкое распространение ДВС обусловлено результатом многолетнего развития, ставшего возможным благодаря общему научно-техническому прогрессу, успехам металлургии и машиностроения. Они достигли высоких энергетических и экономических показателей и обладают достаточной надежностью и хорошо освоены в эксплуатации. Несмотря на высокие результаты в области развития ДВС, эффективный КПД современных двигателей с принудительным воспламенением не превышает 33%, а дизелей – 51%.
Теплота, выделяющаяся при сгорании топлива в двигателе, только частично преобразуется в полезную работу, остальная ее часть составляет энергетические потери. Потеря теплоты с ОГ имеет высокий температурный уровень и может быть утилизирована. Величина ее определяется температурой и теплоемкостью выпускных газов. Ниже приводятся значения температуры газов в выпускном газопроводе для дизелей различных типов при номинальной их нагрузке [95].
Постоянное повышение цен на жидкое нефтяное топливо и дефицит топливно-энергетических ресурсов из года в год становится все более ощутимым. Причиной тому служит истощаемость природных ресурсов. Экологическая политика, все более активно реализуемая в экономической стратегии развитых стран, предъявляет высокие требования к безопасности и экологическим критериям энергетических установок [9, 15, 19, 63, 109]. С другой стороны, нефтяное топливо еще продолжительное время будет использоваться в работе тепловых двигателей. Поэтому актуальными становятся вопросы по проблемам рационального использования природных ресурсов и поиску новых источников энергии, которые в будущем могли бы заменить существующие. Одним из путей решения этих проблем, в частности, на морском транспорте – это необходимость увеличения экономичности СЭУ и эффективности его топливоиспользования, которое может быть достигнуто: - повышением КПД отдельных элементов (двигатель, турбина, компрессор, котел и т.д.), которые входят в энергетическую установку, путем усовершенствования их конструкций; улучшение тепловых схем дизельных СЭУ, что позволит обеспечить наиболее полное использование теплоты ОГ дизелей; совершенствованием технической эксплуатации СЭУ; заменой традиционных схем элементов СЭУ радикально новыми типами устройств.
Системы использования вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) на современных судах имеют различные конструкционные решения, теплотехнические характеристики, уровни надежности, методы управления и средства автоматизации. Проблемы экономии топлива и более полного использования ВЭР весьма актуальны и на флоте. Новые правовые условия значительно усложнили работу флота и наряду с ростом энерговооруженности судов обусловили значительное увеличение расхода топлива, что способствовало росту эксплуатационных расходов. В частности эксплуатационные расходы по статье "топливо" для различных типов судов, включая суда Волго-Каспийского бассейна, колеблются в пределах 20-50%.
В последние десятилетия наблюдается рост энерговооруженности судов в несколько раз, соответственно возросла и потребность в жидком нефтяном топливе. Это объясняется увеличением агрегатной мощности главных двигателей, улучшением условий быта экипажей, автоматизацией судовых энергетических установок и т.д. Благодаря развитию дизелестроения удалось добиться снижения удельного расхода топлива (за тот же период) судовых двигателей [12, 15, 22, 42, 53, 66, 95].
Экспериментальная модельная установка с термоэлектрическим генератором
В настоящее время существуют разработки по повышению КПД УК и совершенствованию совместной работы УК и судового дизеля. Среди известных работ по этим вопросу наибольший интерес представляют работы С.В. Виноградова, И. Таманджи и др. В работе Колядина Е.А. предлагается использование винтовых ленточных вставок для повышения эффективности УК. Указанный способ позволяет увеличить коэффициент утилизации и тепловой мощности УК в среднем на 38% и снизить температуру ОГ на 12%. Однако, полное аэродинамическое сопротивление УК увеличивается в среднем на 16%, что составляет 10% увеличения сопротивления системы газовыпуска. УК производят 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.
Наряду с другими устройствами утилизации ОГ интерес составляют двигатели Стирлинга. Двигатели Стирлинга обладают рядом преимуществ: более высокий КПД, чем у других тепловых двигателей, низкая токсичность, низкий расход масла, практически полная уравновешенность и отсутствие вибраций, легкий пуск в условиях низкой температуры окружающего воздуха, допустимость кратковременной перегрузки, возможность получения большой мощности в одном цилиндре. Внешний подвод теплоты, используемый в двигателях Стирлинга, позволяет применять различные источники без каких-либо существенных изменений конструкции двигателя.
В работе [90] рассмотрен двигатель Стирлинга (ДС) в качестве установки утилизации теплоты отработавших газов (ОГ). Автор проанализировалвопросывозможностиицелесообразностииспользованияДСдляути лизациитепловыхпотерь, сопровождающих технологические процессы, работу теплоэнергетических и теплогенерирующих установок. Особенностью этих ДС в том, что в них имеет воздействие высокие температуры на многие элементы и детали, что подразумевает ограничение верхних пределов рабочей температуры нагревателя до 550-640 С. Данные температурный диапазон соответствует температурному диапазону ОГ поршневых ДВС. Из этого следует, что ДС могут эффективно работать на их теплоте.
В работе [44] рассмотрена возможность утилизации ВЭР с использованием теплонасосных установок (ТНУ).
Несмотря на положительные стороны двигателей Стирлинга и тепловых насосов, они не нашли применения на судах в виду различных недостатков: сложность конструкции, малая надежность, громоздкость и др.
Проведенный выше анализ показал наличие различного рода схем утилизации теплоты ВЭР на судах. Их применение ограничивается многими факторами, среди которых сложность конструкции и малая надежность.
Совершенствование энергетических установок судов сопровождается ростом энерговооруженности. Достижение данного условия возможно также при повышении эффективности систем генерации электрической энергии. Электрическая энергия является наиболее предпочтительной среди других видов энергии в виду того, что электрическую энергию с помощью достаточно простых устройств легко превратить в любые другие формы: механическую, тепловую, энергию света и т. д.
По мнению многих авторов [11, 40, 52, 66, 69, 70 - 77, 128, 140и т.д.]перспективным направлением является прямое преобразование теплоты в электрическую энергию. В этой связи предпочтенье отдается термоэлектрическим генераторам (ТЭГ), которые являются альтернативой УК. Положительный опыт разработки и эксплуатации термоэлектрических преобразователей, появление новых эффективных термоэлектрических материалов, экологическая безопасность и низкая стоимость в свете современных энергетических и экологических проблем, а также перспективных задач, стоящих перед энергетикой, приводят сегодня к необходимости пересмотра приоритетов при выборе способов преобразования энергии.
Использование термоэлектрических генераторов в транспортной энергетике. Идея использования ТЭГ для утилизации теплоты ОГ не новая [7, 11, 48. 52, 85, 92, 136, 139 – 141]. Ранее замена УК термоэлектрическим генератором считалась экономически неоправданной, так как КПД ТЭГ составлял несколько процентов. С развитием нанотехнологий и появлением новых термоэлектрических материалов вопрос об использовании ТЭГ в составе СЭУ является уместным. Действительно, ведь КПД современных ТЭГ вырос и достигает 20…30%.
Работа ТЭГ основана на эффекте Зеебека – возникновении ЭДС в замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, контакты которых находятся при различной температуре. С одной стороны нагрев производится ОГ, с другой стороны – охлаждение водой. Соответствующие контакты (спаи) принято называть «горячими» и «холодными».
Конструкционные особенности ТЭГ, в которых используется теплота ОГ, определяются специфичными методами организации теплообмена. В этих случаях ТЭГ неразрывно связан с газовым циклом установки.
В большинстве случаев для использования части энергии ОГ судовых двигателей внутреннего сгорания применяются утилизационные котлы. Генерируемый ими пар используется в системах общесудового назначения (отопление, кондиционирование, камбуз, палубные механизмы и т. д.) и во вспомогательных турбогенераторах.
Расчет коэффициента теплоотдачи горячего теплоносителя
Исследования на модельной установке проводились на 8 режимах: 4 режима с постоянным массовым расходом воздуха (этап 1) и 4 с постоянным массовым расходом воды (этап 2). Каждый режим характеризовался различной температурой воздуха, который задавался с шагом 100С. На каждом режиме проводилось 4-5 экспериментов, отличающихся между собой массовым расходом воздуха и воды, которые позволили впоследствии оценить теплофизические и электрические процессы ТЭГ. Выработанная электрическая энергия направлялась на нагрузочное устройство, представляющее собой последовательно-параллельно соединенные лампы. Все измерения проводились с учетом рекомендаций [18, 23, 37, 45, 46, 82, 101, 102, 103, 124].
По показаниям КИП наблюдалось изменение температуры горячего воздуха и охлаждающей воды на входе и выходе из теплообменного участка (tг1,tг2, tв1, tв2). После установления стационарного режима (постоянство tг1,tг2, tв1, tв2) проводились основные испытания, во время которых фиксировались замеры, и осуществлялась запись показаний всех приборов. Таким образом, измерение всех величин, которые необходимы для оценки электрических и тепловых параметров ТЭГ, производилось в условиях тепловой стабилизации, которая характеризовалась постоянством расходов и температуры воздуха и воды на входе и выходе из экспериментального участка.
Для определения температуры воздуха до и после ТЭГ, температур стенок теплопередающих поверхностей применялись хромель-копелевые термопары с диаметром спая 0,5 мм, установленных по противоположным граням в трех сечениях экспериментального участка (рисунок 2.12). Для изоляции между узлами плотно укладывалась асбестовая нить, которая при затяжке болтовых соединений прижимала рабочий спай термопары к той или иной стороне.
Измерение скоростного напора (динамического давления) производилось при помощи трубки Пито-Прандтля, пределы допускаемой относительной погрешности которого для всего диапазона скоростей не превышает 5%.Установка скоростной трубки на впускном трубопроводе проводилась на расстоянии 6 диаметров воздуходувки. По динамическому давлению рассчитывалась скорость потока, а затем определялся массовый расход воздуха.
Перед экспериментальным участком и после него были просверлены отверстия: два во взаимно перпендикулярных направлениях для измерения статического давления и одно отверстие для установки термопар. Для измерения давления использовалась трубка Пито-Прандтля совместно с газоанализатором TESTO-350.
Расход горячего теплоносителя определялся по скорости потока. [16] При определении расхода данным методом необходимо измерить первичным преобразователем местную скорость в одной точке поперечного сечения трубы и площадь данного измерительного сечения. Расход Ggv, м3/с определяют по формуле:
Местную скорость потока измеряют в точках, где она равна средней скорости в данном сечении или на оси трубы. Точки средней скорости при развитом турбулентном течении измеряемой среды расположены на расстоянии (0,242±0,013)r от внутренней поверхности стенки трубы, где r - внутренний радиус трубы в измерительном сечении. Расстояние от измерительного сечения до конца прямого участка в любом случае должно быть больше или равным 5 диаметрам трубы.
Нагрузочное устройство представляет собой набор ламп мощностью 10 Вт, напряжением 60 В, подключенных таким образом, чтобы была возможность изменения нагрузки в широком диапазоне.
В ходе всех исследований температура нагретого воздуха на входе в экспериментальный участок для двух этапов изменялась в пределах от 170 до 464С, температура воздуха на выходе из экспериментального участка - от 68,5 до 170 С. Температура воды на входе в экспериментальный участок изменялась от 3 до 4,5 С, на выходе из него - от 4,5 до 20 С. Во время исследований все результаты измерений заносились в журнал измерений и использовались для дальнейшей обработки.
Проверка достоверности регрессионных зависимостей
Регрессионные зависимости былиполучены на основе метода наименьших квадратов,регрессионного анализа и данных, полученных в ходеэкспериментального 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, были использованы следующие величины: средние температуры горячего теплоносителей, расходы горячего и холодного теплоносителей.
Регрессионное уравнение величины вырабатываемой ЭДС, коэффициента утилизации имеет вид: у = f(Тгср, Твср, Gв), где у – значение параметра ТЭГ (ЭДС, мощность, напряжение и т.д.).
Целью такого множественного регрессионного анализа является установление статистической зависимости значения одной случайной величины Y от нескольких других величин х1, х2, ..., хк[5].Эта статистическая зависимость находит свое выражение в уравнении Y = а0 + а1х1 + а2х2 + ... + акхк.
Для проведения регрессионного анализа был использован программный продукт «StatgraphicsPlus». По результатам анализа получена сводная множественная линейная регрессионная модель, которая описывает взаимосвязь E и 3влияющих фактора Тгср, Твср, а также Gв или Gг, для режима с постоянным расходом горячего теплоносителя и постоянным расходом охлаждающей воды соответственно.
Факторы Gв,Gг,Тгср, Твср были подвергнуты регрессионному анализу, в результате чего была получена сводная множественная линейная регрессионная модель, описывающая взаимосвязь Е и 3 влияющих фактора, указанных в таблицах 4.1 и 4.2.
Отметим, что связь переменных, зафиксированные в модели, являются статистически значимыми на 99% доверительного уровня.Согласно статистике,R-квадрат показывает, что модель отражает 97,8% непостоянства переменной Е, а скорректированный R-квадрат с учетом степеней свободы составил 97,3%. Стандартная ошибка составила 2,66, и ее использование для задания границ новых наблюдений, возможно. Средняя абсолютная ошибка, которая представляет собой среднее значение величины остатков, составляет 2,11%. Проведена проверка при помощи статистики «Durbin-Watson» (DW), с целью определения существующей корреляции между остатками. Т.к. значение DWбольше 0,05 есть признак возможной последовательной корреляции.
В этом случае, R-квадрат показывает, что модель отражает 99,0% непостоянства переменной Е, а скорректированный R-квадрат с учетом степеней свободы составил 98,8%. Стандартная ошибка составила 2,18, и ее использование для задания границ новых наблюдений, возможно. Средняя абсолютная ошибка, которая представляет собой среднее значение величины остатков, составляет 1,64%. Проведена проверка при помощи статистики «Durbin-Watson» (DW), с целью определения существующей корреляции между остатками. Так как значение DWвыше 0,05 есть признак возможной последовательной корреляции.
Для того, чтобы оценить количество теплоты, преобразованной в полезную энергию, был рассчитан коэффициент утилизируемой теплоты, который используется для возможности оценки совместной работы дизеля и утилизационной установки. Коэффициент утилизируемой теплоты рассчитывается по формуле 4.3: переменной у, а скорректированный R-квадрат с учетом степеней свободы составил 88,1%. Стандартная ошибка составила 0,0 и ее использование для задания границ новых наблюдений, возможно. Средняя абсолютная ошибка, которая представляет собой среднее значение величины остатков, составляет 0,0%. Проведена проверка при помощи статистики «Durbin-Watson» (DW), с целью определения существующей корреляции между остатками. Так как значение DWвыше 0,05 есть признак возможной последовательной корреляции.
