Особенности конструкции термоэлектрического генератора
Описание конструкции и работы системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания с разработанным термоэлектрическим генератором. Анализ результатов моделирования процессов теплообмена и определение технических характеристик термоэлектрического радиатора.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 06.05.2018 |
Размер файла | 172,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА
Папкин Б. А., Коротков В.С., Татарников А. П.
Аннотация
охлаждение двигатель термоэлектрический генератор
В статье описаны конструкция и работа системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания с разработанным термоэлектрическим генератором. Приведены результаты моделирования процессов теплообмена и, определенные на их основании, технические характеристики термоэлектрического радиатора.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, термоэлектрический модуль, система охлаждения.
Annotation
DESIGN FEATURES OF THERMOELECTRIC GENERATOR
The article describes the structure and operation of the internal combustion engine cooling system with the thermoelectric generator. The results of modeling of heat exchange processes and are defined on the basis of their technical characteristics of a thermoelectric radiator.
Keywords: internal combustion engine, thermoelectric module, cooling system.
Основная часть
Энергия, полученная в результате сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания, преобразуется в полезную работу, передаваемую на колеса транспортного средства и дополнительное оборудование, с относительно невысоким КПД, при этом до двух третей данной энергии отводится в виде теплоты отработавшими газами и системой охлаждения. Эти потери неизбежны, но частично могут быть рекуперированы, что позволит значительно повысить энергоэффективность силовых установок транспортных средств, оснащенных двигателями внутреннего сгорания.
Среди возможных способов рекуперации тепловой энергии выделяется термоэлектрическая рекуперация, которая позволяет получить электрическую энергию, используемую как для питания вспомогательного электрооборудования, так и, в случае гибридного транспортного средства, направляемую на тяговые электродвигатели привода колес. Неоспоримым преимуществом термоэлектрической рекуперации тепловой энергии отработавших газов с помощью генераторных модулей, работа которых основана на эффекте Зеебека, является отсутствие каких-либо движущихся частей и, как следствие, бесшумность работы. К недостаткам можно отнести высокую стоимость элемента, однако, учитывая постоянный интерес к разработкам в данной области и результаты исследований в области получения материалов для термоэлектрических материалов, можно предположить их существенное удешевление уже в ближайшие годы.
С точки зрения рекуперации тепловой энергии, наиболее часто рассматриваются отработавшие газы, что обусловлено их относительно высокой температурой и, следовательно, возможностью получения большей выходной мощности термоэлектрического генератора прямо пропорциональной градиенту температур на термоэлектрических элементах. Разработаны термоэлектрические генераторы, предназначенные для установки в системы выпуска отработавших газов, а также проводятся работы не только по моделированию процессов теплообмена и оптимизации конструктивных параметров [1], но и влияния их внедрения в состав транспортных средств с учетом реальных условий эксплуатации [2].
С другой стороны, тепловая энергия, отводимая от двигателя внутреннего сгорания системой охлаждения, представляет собой не мене перспективный и, самое главное, емкий ресурс для осуществления рекуперации. Отдельно стоит заметить, что при реализации термоэлектрической рекуперации основанной на эффекте Зеебека, описанной в работах [1,2], суммарная доля энергетических потерь транспортного средства, рассеиваемых системой охлаждения, может вырасти с 30 до 50%, что значительно увеличивает актуальность разработки термоэлектрических генераторов для систем охлаждения.
Разработка, моделирование [3] и лабораторные испытания [4] термоэлектрического генератора, устанавливаемого на место штатного радиатора системы охлаждения, показывают возможность практической реализации данного подхода. Данный термоэлектрический генератор состоит из двух жидкостного и воздушного теплообменных аппаратов соединенных тепловыми трубками. В ходе лабораторных испытаний, при имитации движения транспортного средства со скоростью 80 км/ч, была осуществлена рекуперация 0,4% тепловой энергии, отводимой системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания. При этом максимальная выходная электрическая мощность генератора составила всего 75 Вт.
Использование в конструкции тепловых трубок следует отнести к его недостаткам, поскольку они имеют низкий уровень прочности при воздействии механической нагрузки и узкий диапазон рабочих температур. Узкий диапазон рабочих температур обусловлен тем, что при температуре выше расчетной вся охлаждающая жидкость внутри трубки испаряется, что приводит к катастрофическому снижению теплопроводности трубки и, наоборот, при недостаточной температуре жидкость плохо испаряется.
Основными отличиями разработанного термоэлектрического генератора являются непосредственный контакт воздушных охладителей и термоэлектрическими модулями и сохранение габаритных и присоединительных размеров. В данной работе в качестве прототипа для разработки термоэлектрического радиатора, как ключевого элемента ТЭГ, был использован автомобильный радиатор 21230-1301012. Конструкция разработанного термоэлектрического радиатора [5], предназначенного для установки в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания, показана на рисунке 1.
Рисунок 1 Конструкция термоэлектрического радиатора
На горизонтальных поверхностях труб для охлаждающей жидкости 3 расположены термоэлектрические модули 4, при этом они контактируют с трубами 3 горячей стороной. Между термоэлектрическими модулями 4 и непосредственно контактируя с их холодной стороной, расположены охладители 5. Каждый охладитель имеет две теплопроводные стенки, контактирующие с холодной стороной термоэлектрических модулей, и перпендикулярные им ребра. Правый и левый концы труб для охлаждающей жидкости 3 жестко соединены, соответственно с правым 1 и левым 2 баками. Термоэлектрические модули 4 соединены электрически между собой последовательно, либо последовательно-параллельно. Принципиальная схема термоэлектрического генератора системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания показана на рисунке 2.
Рисунок 2 Принципиальная схема термоэлектрического генератора системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания
Охлаждающая жидкость, нагретая двигателем внутреннего сгорания, под воздействием давления, создаваемого жидкостным насосом, через термостат поступает в правый бак термоэлектрического радиатора. Далее охлаждающая жидкость по нескольким трубам поступает в левый бак, а по остальным трубам возвращается в правый бак, откуда она попадает в жидкостный насос. По мере прохождения внутри труб температура охлаждающей жидкости падает, а температура труб растет. Одновременно воздух из окружающей среды проходит через охладители. Таким образом, при постоянной подаче охлаждающей жидкости от ДВС и прохождения воздуха через охладители между горячими и холодными сторонами термоэлектрических модулей, поддерживается градиент температуры, вызывающий эффект Зеебека, заключающийся в возникновении электродвижущей силы при наличии разницы температур в контактах замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных проводников. На этом основании в термоэлектрических модулях происходит преобразование тепловой энергии охлаждающей жидкости в электрическую энергию с определенным коэффициентом полезного действия, который зависит от разницы температур холодной и горячей стороны. Полученная в термоэлектрических модулях электрическая энергия передается в блок управления и, далее, питает потребителей бортовой сети транспортного средства или заряжает аккумуляторную батарею.
С учетом геометрических параметров разработанной конструкции термоэлектрического радиатора, а также термодинамических параметров охлаждающей жидкости и окружающего воздуха, была определена его выходная электрическая мощность, а также рассеиваемая тепловая мощность. При стандартных условиях (Tож=80°С, Твозд.=20°С) мощность, вырабатываемая термоэлектрическим радиатором составила 708 Вт [6], а суммарная тепловая мощность, рассеиваемая им, составила 17,2 кВт.
Одновременно были проведены предварительные расчеты, подтверждающие, что в случае применения термоэлектрического генератора системы охлаждения ДВС, обладающего достаточной электрической мощностью, можно полностью отказаться от использования генератора, и, при этом снижение потребления топлива транспортным средством составит более 3%.
Также использование в конструкции радиатора термоэлектрических модулей позволяет не только получить электрическую энергию при утилизации тепловой энергии, что снизит потребления топлива в целом, но и увеличить эффективность охлаждения двигателя. При этом экономически обоснована разработка конструкции термоэлектрического радиатора с учетом габаритных и присоединительных размеров автомобильных радиаторов, что позволит снизить его стоимость и сохранить архитектуру подкапотного пространства транспортного средства.
Литература
1. Khripach N.A., Papkin B.A., Korotkov V.S., Zaletov D.V. Study of the Influence of Heat Exchanger Body Design Parameters on the Performance of a Thermoelectric Generator for Automotive Internal Combustion Engine // Biosciences Biotechnology Research Asia (ISSN 0973-1245), 2015, Vol. 12 (Spl. Edn. 2), p. 677-689. doi: http://dx.doi.org/10.13005/bbra/2084.
2. Khripach N.A., Papkin B.A., Korotkov V.S., Nekrasov A.S., Zaletov D.V. Effect of a Thermoelectric Generator on the Fuel Economy of a Vehicle Operating in a Real-world Environment // Biosciences Biotechnology Research Asia (ISSN 0973-1245), 2015, Vol. 12 (Spl. Edn. 2), p. 375-386. doi: http://dx.doi.org/10.13005/bbra/2049.
3. Baatar, N., Kim, S. A thermoelectric generator replacing radiator for internal combustion engine vehicles. Telkomnika. 2011. Vol.9, No.3 P. 523-530.
4. Kim, S., Park, S., Kim, S. and Rhi, S.-H. A thermoelectric generator using engine coolant for light-duty internal combustion engine powered vehicles. Journal of electronic materials. 2011. Vol. 40, No. 5 P. 812-816.
5. Папкин Б.А., Коротков В.С., Татарников А.П. Термоэлектрический радиатор системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. №9(40). С. 80-84.
6. Папкин Б.А., Иванов Д.А., Коротков В.С. Определение технических характеристик термоэлектрического радиатора // Молодой ученый. 2015. №20. С. 61-67.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Изучение физических принципов устройства генератора и аккумулятора, основных технологических процессов и инструментов. Преимущества двигателя внутреннего сгорания. Конструкция системы подачи топлива, охлаждения двигателя, зажигания, тормозной системы.
презентация [2,0 M], добавлен 27.04.2015Принцип работы и возможности современных термогенераторов. Физические процессы, которые можно использовать для создания эффективного автомобильного термоэлектрического генератора, упрощающего обслуживание автомобиля и уменьшающего расход топлива.
курсовая работа [3,0 M], добавлен 08.09.2012Основные типы двигателей: двухтактные и четырехтактные. Конструкция двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Принцип зажигания двигателя. История создания и принцип работы электродвигателя. Способы возбуждения электродвигателей постоянного тока.
реферат [1,1 M], добавлен 11.10.2010Описание идеальных и реальных циклов двигателей внутреннего сгорания. Рассмотрение термодинамических процессов, происходящих в циклах. Изучение основных формул для расчета энергетических характеристик циклов и параметров в их характерных точках.
курсовая работа [388,1 K], добавлен 13.06.2015Исследование схемы системы, набора необходимых для расчета исходных данных. Методика гидравлических и тепловых расчетов применительно к системе охлаждения ДВС, в которой радиатор выполнен в виде системы с гидравлически параллельно-соединенных трубок.
курсовая работа [398,7 K], добавлен 03.03.2015Описание конструкции и технических характеристик котельного агрегата ДЕ-10-14ГМ. Расчет теоретического расхода воздуха и объемов продуктов сгорания. Определение коэффициента избытка воздуха и присосов по газоходам. Проверка теплового баланса котла.
курсовая работа [2,4 M], добавлен 23.01.2014Описание двигателя внутреннего сгорания - тепловой машины, в которой химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Сравнительная характеристика четырёхтактного и двухтактного двигателей, их применение.
презентация [9,0 M], добавлен 11.12.2016Коэффициент полезного действия теплового двигателя. Основные элементы конструкции и функции газовой турбины. Поршневые двигатели внутреннего сгорания, их классификация. Два основных класса реактивных двигателей и характеризующие их технические параметры.
презентация [3,5 M], добавлен 24.10.2016Расчет конструкции асинхронного двигателя, выбор технических параметров рабочего режима. Расчет обмоток статора и ротора магнитной цепи. Определение пусковых характеристик с учетом влияния вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния; тепловой расчет.
курсовая работа [580,0 K], добавлен 06.05.2014Исследование изобарных, изохорных, изотермических и адиабатных процессов. Определение показателя политропы для заданного газа, изменения энтропии, начальных и конечных параметров рабочего тела. Изучение цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания.
контрольная работа [347,5 K], добавлен 12.02.2012Описание конструкции, условного обозначения асинхронного двигателя 4А200L8У3 и его эксплуатационных параметров. Определение фазных зон и схемы обмотки статора. Построение схемы замещения двигателя и определение ее параметров. Обоснование схемы обмотки.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 06.09.2012Принципиальная схема двигателя внутреннего сгорания и его характеристика. Определение изменения в процессах цикла внутренней энергии и энтропии, подведенной и отведенной теплоты, полезной работы. Расчет термического коэффициента полезного действия цикла.
курсовая работа [209,1 K], добавлен 01.10.2012Предварительный выбор двигателя по мощности. Выбор редуктора и муфты. Приведение моментов инерции к валу двигателя. Определение допустимого момента двигателя. Выбор генератора и определение его мощности. Расчет механических характеристик двигателя.
курсовая работа [81,3 K], добавлен 19.09.2012Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания. Определение параметров в начале и в конце сжатия, а также давления сгорания. Построение политропы сжатия и расширения. Индикаторная диаграмма расчетного цикла. Конструктивный расчет деталей дизеля.
дипломная работа [501,1 K], добавлен 01.10.2013Порядок расчета теоретически необходимого количества воздуха для сгорания топлива. Определение параметров процессов впуска. Вычисление основных параметров процесса сгорания, индикаторных и эффективных показателей двигателя. Основные показатели цикла.
контрольная работа [530,4 K], добавлен 14.11.2010Основные схемы теплообмена. Схемы движения теплоносителей в теплообменных аппаратах. Классификация рекуператоров по материалу, преимущественному механизму теплообмена и схеме движения. Описание многоходового металлического противоточного рекуператора.
презентация [867,3 K], добавлен 07.08.2013Температура - параметр, характеризующий тепловое состояние вещества. Температурные шкалы, приборы для измерения температуры и их основные виды. Термодинамический цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания с подводом тепла при постоянном давления.
контрольная работа [124,1 K], добавлен 25.03.2012Определение расхода охладителя для стационарного режима работы системы и расчет температуры поверхностей стенки со стороны газа и жидкости. Расчет линейной плотности теплового потока, сопротивления теплопроводности, характеристик системы теплоотвода.
курсовая работа [235,2 K], добавлен 02.10.2011Описание работы и конструкции печи. Тепловой расчет нагрева металла в индукционной печи. Конструктивный, теплотехнический и электрический расчеты. Определение охлаждения индуктора. Техническая характеристика печи с учетом рассчитанных показателей.
контрольная работа [68,0 K], добавлен 17.07.2010Нахождение работы в обратимых термодинамических процессах. Теоретический цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания с комбинированным подводом теплоты. Работа расширения и сжатия. Уравнение состояния газа. Теплоотдача при свободной конвекции.
контрольная работа [1,8 M], добавлен 22.10.2011