Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса по использованию теплоты отработавших газов в судовых энергетических установках. Постановка целей и задач исследований
Глава 2 Расчетно-экспериментальное исследование теплового потен- циала отработавших газов дизелей судов Волго-каспийского региона
Глава 3 Методика расчета энергетических характеристик термоэлектрического генератора в судовых дизелях
Глава 4 Разработка рекомендаций по использованию термоэлектрических генераторов в судовых энергетических установках
Заключение 143
Список использованных источников 145
Приложения 157
- Состояние вопроса по использованию теплоты отработавших газов в судовых энергетических установках. Постановка целей и задач исследований
- Расчетно-экспериментальное исследование теплового потен- циала отработавших газов дизелей судов Волго-каспийского региона
- Методика расчета энергетических характеристик термоэлектрического генератора в судовых дизелях
- Разработка рекомендаций по использованию термоэлектрических генераторов в судовых энергетических установках
Введение к работе
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 50...52% 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. Анаты-чук, 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. Е. 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:
-
предложена уточненная методика с алгоритмом расчёта ТЭГ с учётом специфики условий работы СЭУ;
-
разработана новая конструкция ТЭГ для утилизации теплоты ОГ судовых дизелей;
-
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.
Личный вклад автора. В диссертацию включены теоретические и экспериментальные результаты, полученные лично автором. При проведении отдельных технических работ помощь оказали сотрудники Испытательного центра "Marine technology service", 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», «Омский-143», «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.); Ш-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.); Ш-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 № 108214 «Устройство 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.
Состояние вопроса по использованию теплоты отработавших газов в судовых энергетических установках. Постановка целей и задач исследований
В настоящем время двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и, прежде всего, поршневые и комбинированные двигатели, являются самыми многочисленными среди тепловых двигателей и источников энергии, потребляемой человечеством. Широкое их распространение обусловлено тем, что в результате многолетнего развития, ставшего возможным благодаря общему научно-техническому прогрессу, успехам металлургии и машиностроения, они достигли весьма высоких энергетических и экономических показателей, обладают достаточной надежностью и хорошо освоены в технологическом отношении. Термодинамические показатели современных поршневых ДВС (ПДВС) близки к предельному теоретически возможному уровню. Однако этот предельный уровень обеспечивает превращение в полезную работу не более 50...52 % термохимической энергии топлива. Остальная теплота, выделившаяся при сгорании топлива, «теряется» частично с поверхности двигателя и его систем, час-чично с уходящими из него отработавшими газами (ОГ). Значительная часть «потерь» приходится именно на ОГ. В дизелях они составляют 85...ПО % по отношению к эффективной мощности, в двигателях с принудительным воспламенением топлива превосходят ее на 25...45 % [1, 25, и др.].
Тепловой баланс комбинированного двигателя внутреннего сгорания: Q - теплота сгорания израсходованного топлива; Qt - теплота, эквивалентная индикаторной работе в цилиндре двигателя; Qe - теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя; QeJX - теплота, эквивалентная эффективной работе поршневой части; QeT - теплота, эквивалентная эффективной работе турбины; QTp - теплота, эквивалентная работе трения в подшипниках и включает теплоту, расходуемую на привод обслуживающих механизмов; Q% - теплота, отводимая от двигателя охлаждающей средой (жидкостью или воздухом); QCT, - теплота, отводимая от стенок цилиндра; Q5 - часть теплоты трения, отводимая в охладитель масла, Q6 - часть теплоты трения передаваемая через стенки охладителю; з - теплота, отводимая в холодильнике наддувочного воздуха; Q9 - теплота, переданная подшипниками турбокомпрессора; Q4 - теплота, отводимая от корпуса и коллектора турбины охладителем; 08 - теплота, отводимая от наружных стенок турбокомпрессора; 0Г - теплота, отводимая с выпускными газами; Q3 -энтальпия выпускных газов; QHC- теплота, не выделившаяся при сгорании топлива из-за неполноты сгорания; 0ОСТ - теплота, отводимая в результате лучистого и конвективного теплообменов нагретых частей двигателя с окружающей средой; Qej - часть теплоты превращается в полезную работу силовой турбины; 0ТК - часть теплоты превращается в работу турбины турбокомпрессора; 0ГП -теплота, отводимая с выпускными газами из поршневой части; 0К - теплота, эквивалентная работоспособности сжатого воздуха, подводится обратно в цилиндр двигателя; 0ю - теплота от корпуса турбокомпрессора; 02 - теплота от охлаждающей жидкости во время протекания ее во впускном канале головки цилиндра двигателя; 07 - теплота уносится охлаждающим агентом и рассеивается в окружающую среду через стенки корпуса двигателя. В табл. 1.2 даны составляющие теплового баланса для четырехтактных судовых дизелей при работе на номинальном режиме. Для большинства двигателей потеря теплоты с маслом qM отдельно в таблице не приводится. В этом случае она включается или в состав потери теплоты с охлаждающей водой, или в остаточный член теплового баланса.
Соответственно, абсолютное количество теплоты QT, уносимой из дизелей с ОГ на номинальном режиме представлено на рис. 1.2. Как видно, значительную часть «потерь» энергии в двигателях составляют «потери» с ОГ.
Приведенные данные свидетельствуют о существовании значительных резервов получения дополнительной мощности и повышения экономичности в случае утилизации, теряемой с уходящими в атмосферу продуктами сгораниями. Таблица 1.2 Характеристики четырехтактных судовых дизелей средней мощности [88]
Использование вторичной теплоты дизельных установок на судах исследовалось в работах: Н.В. Голубева, СВ. 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, А.Ю. Смольника, М.Н. Покусаева, СВ. Виноградова, Таманджи И., А.В. Воробьева и др. Большинство работ посвящено использованию вторичной теплоты судовых дизелей для теплоснабжения; исследованию использования утилизируемой теплоты для турбогенераторов и гребных турбозубчатых агрегатов, теплоиспользующих холодильных машин и опреснительных установок в СЭУ с дизелями мощностью более 2000 кВт. В работах вышеуказанных авторов и ряда других отмечено, что наиболее крупным источником ВЭР являются ОГ главных и вспомогательных дизелей. Более того, на рыбообрабатывающих и рыбопромысловых судах в условиях промысла теплота ОГ ВД представляет собой самый крупный, а на транспортных судах - чуть ли не единственный источник ВЭР. В этой связи, отметим высокую эффективность последовательной схемы утилизации теплоты на судах в одном и том же контуре ОГ главных и вспомогательных дизелей в условиях промысловой работы.
Расчетно-экспериментальное исследование теплового потен- циала отработавших газов дизелей судов Волго-каспийского региона
Суда Волго-Каспийского региона (ВКР) эксплуатируются в Каспийском морском бассейне и Волжской речной системе. Для сбора статистического материала по судам ВКР и их энергетическим установкам, для оценки теплового потенциала отработавших газов судовых дизелей, использовались данные Испытательного центра «Marine Technology Service» (ИЦ MTS) с 2000 по 2011 г.; списки судов Астраханского филиала Российского морского Регистра судоходства (РМРС); списки судов Нижне-Волжского филиала Российского речного Регистра; Регистровая книга судов; свежая информация на сайте РМРС [67]. Материал по судам и их энергетическим установкам состоит из списков названий судов (245 судов, находящихся в эксплуатации), типов судов, проектов, регистровых номеров и номеров ИМО, портов приписки, очередных (последних) освидетельствований, символов класса, даты и места постройки судов, валовой вместимости, судовые габариты, года и места постройки главных двигателей (ГД), количества и мощности ГД на одном судне, изготовители и марки ГД, номинальной частоты вращения коленчатого вала ГД, количества и мощности дизель-генераторов (ДГ), количества и типов движителей, типов топлива на судне, а также сведений о собственниках судов (компания и порт приписки). В собранной совокупности представлены суда, плавающие под флагом РФ, в основном под контролем Астраханского филиала РМРС (имеющего четыре участка - Астрахань, Волгоград, Махачкала, Самара).
Для обработки и анализа первичной статистической информации (материал по судам) использован метод группировки. Группировочными признаками являются марки двигателей, номинальная мощность (NCH, кВт) и частота вращения коленчатого вала ГД (пн, об/мин), мощность дизель-генераторов (кВт), т. е. комбинированная группировка [39, 47]. Число групп определяется количеством соответствующих наименований марки двигателей. В каждой группе или подгруппе подсчитывается число судов, число ГД и др.
Дизели 6NVD48A(2)U (6ЧРН32/48) - шестицилиндровый, четырехтактный, тронковой, реверсивный с газотурбинным наддувом, выпускающиеся фирмой SKL ГДР, имеет ряд номинальной мощности 485, 567, 515, 588, 640 кВт и ряд номинальной чистоты вращения коленчатого вала 330, 300, 335, 375 об/мин. В количестве - 151 ед., применяются в качестве ГД на 76 судах типа «Нефтерудовоз» проект 1570, «Нефтеналивное» проект 621, и др. На таких судах, установлены вспомогательные дизели (дизель-генераторы) с мощностью 100 кВт (кроме на судне типа «Исследователь Каспия» 6NVD 48-2AU с NeH = 588 кВт, пн = 335 об/мин установлен дизель-генератор с мощностью 214 кВт).
Дизель 8NVD48-2U (8ЧР32/48) - восьмицилиндровый, четырехтактный, тронковой, реверсивный без наддува, установлен на рыболовных траулерах проект РМС типа Каспий с 9 ед. На таких судах установлены дизель-генераторы с мощностью 192 и 272 кВт. Характер ДГ\ГчсвыО 370,700 100 100 150,300 25 70 152,400 Группы судов по марке ГД 6L27,5 PN 6VDS 29/24 AL-1 6ЧН24/29 6ЧН23/3 0 6ЧСПН27,5/35 8481 10-07 (ТМЗ) 8ASL 25/30 8DR 43/61-В 1 8М35BF62 8R22HF-D 8V396TC82 9L20 D25A-МТ DM 726МТ ВН-40 GL275 PN SBV6М 628 TBD 440-8К Volvo Penta D12D-СМН Подгруппы судов по Nc„ ГД 386 700 330 515 216 1595 1470 1942 1160 611 1620 470 850 386 1015 441 367 74 6 Поді руппы судов по п„ ГД 600 1000 1000 600 1500 1000 310 900 1745 639 800 1165 1800 Число судов 1 1 1 1 1 1 і 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Число ГД 2 2 I 2 1 I 1 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 2 Характер ДГ (N„„0 44 160 50 50 100 352 200 75 348 62 288 44 85 124 Общее число судов 245 Общее число ГД 434 Дизель Г70 (6ЧРН36/45) - шестицилиндровый, четырехтактный, тронко-вой, реверсивный с наддувом, установлен на буксир-толкачах проект пр.Н329, проект пр.3291 с 22 ед. На таких судах установлены дизель-генераторы с мощностью 160 кВт. Аналогично, для других марок двигателей в таблице указано число судов, на которых установлены двигатели в качестве ГД и их количество, а также мощность дизель-генераторов. При разработке статистической базы данных судов Волго-Каспийского региона и их энергетических установок необходимо по вспомогательной статистической таблице составить таблицу основных характеристик наиболее распространенных главных и вспомогательных дизелей судов Волго-Каспийского региона. В таблице 2.2 представлены характеристики наиболее распространенных главных и вспомогательных дизелей судов Волго-Каспийского региона. В таблице 2.3 и на рис. 2.2 представлена группировка судов ВКР и их состав, а также ГД по группам, где указываются марки двигателей, а в скобках - номинальная мощность (кВт) и частота вращения (об/мин). Суда с количеством меньше 5 входят в группе «прочие (по разным)». На рис. 2.3 представлен состав ГД судов ВКР. ГД с количеством меньше 10 входят в группе «прочие (по разным)».
Методика расчета энергетических характеристик термоэлектрического генератора в судовых дизелях
Термоэлектрические процессы в термоэлементе обусловливаются тремя термоэлектрическими эффектами: Зеебека, Пельтье и Томсона, которые обратимы и связаны друг с другом. Физические процессы, обусловленные этими эффектами, обратимы, так как могут быть проведены в обратном направлении, в результате чего система возвратится в первоначальное состояние.
Помимо термоэлектрических эффектов, градиент температур на термоэлементе обусловливает передачу теплоты через термоэлемент теплопроводностью, а наличие тока в цепи приводит к выделению Джоулевой теплоты. Указанные процессы протекают лишь в одном энтропийном направлении и исключают возможность самопроизвольного возвращения системы в первоначальное состояние, что говорит об их необратимости [49].
Эти явления объясняются тем, что термоэлектрические процессы, в результате которых возникает электрический ток или которые являются результатом прохождения электрического тока по термоэлектрической цепи, сопровождаются обычными процессами, имеющими место в теплообменных аппаратах и электрических цепях.
С точки зрения термодинамики ТЭГ представляет собой тепловую машину, заключенную между двумя тепловыми источниками с разной температурой. Поток теплоты от горячего источника к холодному пронизывает все элементы конструкции, при этом часть теплоты превращается в полезную работу, а остальное воспринимается источником с холодной температурой. Отношение полезной работы к подведенной теплоте определяет энергетическую эффективность ТЭГ.
Прежде чем приступить к выводу расчетных соотношений сделаем некоторые допущения, не влияющие на результаты исследований: материал ветвей однороден и изотропен; площади поперечных сечений ветвей термоэлементов одинаковы и постоянны по высоте; эффектом Томсона пренебрегаем, так как в однородных полупроводниковых материалах он пренебрежимо мал [41]; теплота Джоуля распределена поровну между противоположными спаями термоэлементов; боковые поверхности термоэлементов теплоизолированы и рассеяние теплоты в окружающую среду отсутствует.
Термоэлектрические генераторные модули (ТГМ) вместе со средствами подвода и отвода тепла образуют ТЭГ. Для того, чтобы создать перепад температуры на сторонах ТГМ, к его горячей стороне необходимо подвести тепловой поток Qr, а с холодной стороны отвести тепловой поток Qx. Из формулы (3.15) следует, что к. п. д. термоэлектрического процесса преобразования энергии является функцией температур горячего и холодного спаев Тг и Гх, коэффициента добротности Z полупроводниковых материалов термоэлемента и отношения электрического сопротивления внешней цепи к внутреннему электрическому сопротивлению термоэлемента т.
Выбирая определенным образом параметр т, можно изменять к.п.д., и при этом будет изменяться электрическая мощность термоэлектрического генератора. Максимальную мощность с ТЭГ можно получить при равенстве внешней и внутренней нагрузок (wi=l), а максимальный к.п.д. достигается при т, равном[49].
Анализ формулы (3.17) показывает, что чем больше разность (т2 - 1), т. е. чем больше произведение Z.rcp, тем выше значение максимального к. п. д. Следовательно, для получения максимального к. п. д. необходимо иметь наибольшие значения к. п. д. цикла Карно и величины Z Гср.
Инженерный расчет термоэлектрических устройств связан с известными трудностями, которые заключаются в том, что термоэлементы одновременно представляют собой и один из участков электрической цепи, и теплопередаю-щее звено. Тесная взаимосвязь между электрическими и теплофизическими процессами требует при расчете термоэлектрических систем одновременного учета как электрических, так и теплотехнических параметров. Кроме того, процесс теплопередачи через термоэлемент оказывается значительно более сложным, чем обычные процессы теплопроводности, с которыми приходится встречаться в судовых теплообменных аппаратах. Это объясняется тем, что тепловой поток, проходящий через термоэлемент, не остается постоянным по его высоте. Последнее объясняется наличием распределенных и сосредоточенных источников и стоков теплоты, обусловливаемых термоэлектрическими эффектами.
ТЭГ отличается от обычного теплообменника тем, что при неизменных параметрах теплоносителей его тепловое сопротивление и тепловой поток могут меняться при изменении электрической нагрузки, следовательно, меняться перепад температур на спаях термоэлементов. В итоге ТЭГ отличается не только от теплообменника, но и от других генераторов электроэнергии тем, что при изменении электрической нагрузки изменяется не только его напряжение, но и ЭДС из-за изменения перепада температур на полупроводниковом слое.
Исследование методики расчета ТЭГ исследовались в работах: А.Ф. Иоффе [33], А. И. Бурштейн [10], А. Р. Регель, А. С. Охотин [68], Л. И. Анаты-чук [4], Е. К. Иорданишвили [32], Г. К. Котырло [45], Ю. Н. Лобунец [54], О. В. Марченко[55], Ю. Г Манасян [49], Р. В. Ковальский [41], А. И. Новиков [64], В. Я. Михайловский [57], L. Е. Bell [112], R. W. Diller [115], В. Mathiprakasam [121], Milan Н. Cobble [122] и др. 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 [4], рассчитывать ряд конструкции ТЭГ [68] и определять рациональные режимы их работы [45].
Разработка рекомендаций по использованию термоэлектрических генераторов в судовых энергетических установках
Разработка рекомендаций по использованию ТЭГ в СЭУ основана на предложенной в главе 3 методике расчета. Методика позволяет определить геометрические размеры, выходные параметры ТЭГ на различных режимах работы а также оптимальные параметры ТЭГ с учетом специфики условий работы СЭУ.
В данной главе приведены обоснования применения, результаты работы применения ТЭГ в СЭУ различных типов судов на примере Волго-Каспийского региона, основные выводы.
Результаты проведенного исследования в первой и второй главах показывают, что температура ОГ судовых дизелей может достигать 300 - 450С (573 -723 К). Использование в качестве холодного приемника теплоты забортной воды, максимальная температура которой не превышает 30 С (303 К), позволяет рассчитывать на возможность получения на термоэлементах перепада температуры не менее 270 420 град. При современном состоянии развития техники получения термоэлектричества эта величина температурного перепада может обеспечить утилизацию около 2-3% тепловой энергии, бесполезно теряемой в СЭУ [49]. Правда, абсолютная величина выигрыша при этом может оказаться несколько меньшей. Это объясняется во-первых возникновением дополнительных затрат энергии на прокачку забортной воды, необходимой для охлаждения холодных спаев термоэлементов, и, во-вторых, некоторым увеличением гидравлического сопротивления газового тракта.
Кроме того, ТЭГ утилизационного типа, безусловно, вызовет увеличение построечной стоимости энергетической установки. Естественно, все эти вопросы требуют тщательного технико-экономического анализа с учетом конкретных исходных данных экономической эффективности, необходимости в надежном статическом источнике электроэнергии и ограничений по температуре ОГ, а также многих других факторов. Тем не менее, следует указать, что существенное уменьшение стоимости и постепенное увеличение к. п. д. термоэлементов позволяют считать вполне обоснованным самое серьезное внимание, которое следует уделить вопросу термоэлектрической утилизации теплоты ОГ в СЭУ.
Отмечено, что ТЭГ, использующие теплоту ОГ судовых дизелей могут размещать непосредственно на газовыхлопном тракте в любой его части. Весьма важен и тот факт, что для охлаждения ТЭГ может быть использовано оборудование системы охлаждения дизелей. При проектировании утилизационных систем с ТЭГ необходимо учесть, что температура ОГ после ТЭГ, должна быть выше точки росы во избежание низкотемпературной коррозии поверхностей нагрева из-за выпадения из продуктов сгорания оксида S02, образующего с водой при точке росы H2S04 - серную кислоту, разрушающую элементы газовыхлопной системы. Значение температуры точки росы зависит от парциального давления водяных паров в ОГ и от содержания серы в топливе. Точка росы рассчитывается по эмпирической формуле [86]: fp=fJ+98,5 (4.1) где ts - температура насыщения водяного пара, соответствующая его парциальному давлению в ОГ, С; Sp - приведенное содержание серы в топливе, %.
На основе анализа статистического материала по структуре СЭУ, режимам 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 ЗД6С2-01 (ПО, 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 а, размер грани холодного узла Ь, размер грани кожуха с (рис. 4.1). Далее рассчитывают число термогенераторных модулей NM, число секций Nc, электрические и тепловые параметры ТЭГ.
