Энергосберегающие технологии в топливной отрасли и древесной угледобыче на основе термоэлектрических генераторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Энергосберегающие технологии в топливной отрасли и древесной угледобыче на основе термоэлектрических генераторов

С.И. Плеханов, В.Э., Новиков, к.т.н.,

А.Я. Тереков, к.т.н., А.И. Кукшин, д.э.н.

Использование термоэлектрических преобразователей тепловой энергии в электрическую в автономных отопительных системах (отопительные котлы, печи, камины), а также в промышленных печах для получения древесного угля является одним из путей создания энергосберегающих технологий и разработки на их основе эффективного экологически безопасного энерго- и ресурсосберегающего оборудова-ния.

В режиме генерирования электрической энергии термоэлектрический генератор (ТЭГ) осуществляет передачу теплоты от более горячего к более холодному объекту, например окружающему воздуху в отапливаемом помещении, т.е. работает как тепловой насос и при этом еще и вырабатывает электрическую энергию, а если ТЭГ установили на дымовой трубе внутри помещения, то при этом не только не требуется дополнительного расхода топлива, а наоборот происходит его экономия, повышается тепловая эффективность печи или камина за счет возврата бросового тепла в отапливаемое помещение.

Кроме того ТЭГ обладает рядом существенных преимуществ по отношению к другим источникам электрической энергии: бесшумность в работе, отсутствие механических деталей и узлов, высокая надежность, компактность, полная экологическая безопасность, гибкость конструктивных решений. Все это прошло почти полувековую проверку на практике в ОАО «НПП «Квант».

Особенно перспективно использование ТЭГ в современных отопительных системах, использующих сравнительно новый альтернативный вид топлива на основе древесных гранул или пеллет, получаемых из отходов деревообрабатывающей промышленности. Полная автоматизация процесса горения, подачи топлива и удаление дымовых газов при использовании пеллет в котлах и каминах для обогрева частных домов, кафе, ресторанов, небольших административных зданий требует разработки автономных альтернативных источников электрической энергии на основе ТЭГ, делающих эти отопительные системы полностью энергонезависимыми от внешних линий электроснабжения. Как показал «Ледяной дождь», тысячи жилых домов остались не только без света, но и без отопления.

Основными преимуществами пеллет как биотоплива является:

1. Возобновляемость, поскольку древесные гранулы как производные от древесины являются возобновляемым сырьем.

2. Экологичность, обеспечивающая уменьшение парникового эффекта.

3. Уменьшение кислотных дождей, так как наряду с уменьшением выбросов углекислоты при использовании пеллет происходит уменьшение выброса двуокиси серы, что в свою очередь приводит к уменьшению кислотных дождей и снижению гибели лесов.

Рис. 1. Схема установки ТЭГ на дымовой трубе компании «Pelleg»:

А - емкость для пеллет; Б - отверстие для подачи пеллет в камеру сгорания; В - элеваторный шнек, подающий пеллеты в камеру сгорания; Г - очаг из огнеупорного материала; Д - съемная горелка; Е - вентиляторы для подачи нагретого воздуха и отвода дымовых газов; Ж - дымоход; З, И, М - каналы для выхода нагретого воздуха; Н - крышка емкости для пеллет; 1 - дымоход; 2, 5 - воздушные радиаторы; 3, 4 - термоэлектрические модули ТЭГ.

Необходимо отметить, что из всех видов древесного топлива пеллеты обладают самой высокой колорийностью, составляющей 5 кВт/час на один килограмм, что равно по колорийности половине литра дизельного топлива, при этом энергозатраты на производство пеллет в три раза меньше, чем при добыче нефти.

Несмотря на большую привлекательность использования пеллет в качестве «термоэлектрического» топлива, представляется целесообразным рассмотреть на первоначальном этапе проектирования возможность работы ТЭГ за счет утилизации тепла газового потока движущегося в дымовой трубе. Большим опытом проектирования ТЭГ для такого применения обладает ОАО «НПП «Квант» [1].

В первом приближении можно рассмотреть конструкцию ТЭГ с симметрично расположенными воздушными радиаторами, которые не требую каких либо изменений и нововведений в уже созданных системах отопления (см. рис. 1).

На основании созданной в ОАО «НПП «Квант» методики расчета воздушных радиаторов с естественной конвекцией можно оценить их основные конструктивные параметры [2].

Коэффициент теплопередачи Косв. от потока воздуха к плоскости основания радиатора определяется как:

, (1)

где ? коэффициент теплопроводимости материала ребра радиатора; ? толщина ребра; д ? зазор между ребрами; h ? высота ребра; ? толщина основания радиатора , () ? среднее значение коэффициента теплоотдачи воздуха к стенкам канала: ? среднеинтегральное число Нуссельта при ламинарном стабилизированном течении воздуха в канале между радиаторами; ? коэффициент теплопроводности воздуха; ? эквивалентный тепловой диаметр канала радиатора.

Тогда коэффициент теплопередачи от потока воздуха при естественной циркуляции к плоскости оребрения составили:

Используя метод последовательных приближений и измерив, теплофизические параметры потока нагретых газов в дымовой трубе, можно произвести окончательный расчет радиаторов и термоэлектрического генератора в целом, его удельной мощности и высоты полупроводникового слоя термоэлектрического материала.

Весьма важным показателем ТЭГ является стоимость единицы мощности , которая может быть определена из соотношения:

,

где ? стоимость единицы массы полупроводникового вещества; ? стоимость конструкции ТЭГ на единицу поверхности полупроводникового слоя; ? удельная мощность ТЭГ; ? удельная масса полупроводника.

Дополнительно следует отметить, что цена единицы мощности сильно зависит от колебаний цен на рынке на полупроводниковые и другие материалы, так, например, цена на теллур высокой чистоты в 2012 году упала в четыре с лишним раза, поэтому зависимости от используемых материалов технологии их получения, технологии сборки ТЭГ цена единицы мощности колеблется от 4 до 40 $/Вт.

Выводы

энергосберегающий топливный термоэлектрический генератор

Применение термоэлектрических генераторов ТЭГ для утилизации тепла отводимых дымовых газов позволяет разработать новые энергосберегающие технологии в бытовых отопительных системах при промышленном получении нового вида топлива древесного угля в специальных угледобывающих печах. Отопительной особенностью новой технологии является отсутствие расхода топлива на получение электроэнергии с помощью автономного ТЭГ, кроме того отопительная система является энергонезависимой и продолжает работу в номинальном режиме в условиях чрезвычайной ситуации, например, при аварийном отключении электроэнергии во внешней сети. Срок службы ТЭГ в рассматриваемых выше системах составил порядка 25 лет. Существенно, что в течение всего жизненного цикла ТЭГ не требует обслуживания и регулировки, он собран по модульной схеме и при замене отопительной системы легко демонтируется и устанавливается вновь, сохраняя при этом свои энергетические параметры. Окупаемость затрат на установку ТЭГ составила приблизительно 2 - 3 года.

Литература

1. Плеханов С.И., Новиков В.Э., Тереков А.Я./Термоэлектрический генератор для утилизации тепла судовой двигательной установки, доклад на международной конференции «VII школа по термоэлектричеству», 16-19 июля 2012 г., г. Яремча, Украина.

2. Ковальский Р.В. «Инженерные методы расчета термоэлектрических генераторов», М.: Наука, 1990, с. 52, 122.

Размещено на Allbest.ru