Определение технических характеристик термоэлектрического радиатора

 

В настоящее время в Российской Федерации значительно увеличивается парк автотранспортных средств, энергоустановки которых наносят значительный урон окружающей среде. Двигатели внутреннего сгорания, особенно применяемые на транспорте, выбрасывают около четвертивсех антропогенных парниковых газов, причем на долю углекислого газа приходится почти 90 %. Эти выбросы напрямую связаны со сгоранием топлива и пропорциональны его расходу.

На большинстве транспортных средств тепло, выделяемое двигателем внутреннего сгорания, используется лишь частично, путем передачи доли тепловой энергии от системы охлаждения ДВС к системе отопления салона. И даже в этом случае более 30 % энергии сгоревшего топлива рассеивается в атмосферу через охлаждающую жидкость.

Ведущие автопроизводители, в том числе GeneralMotors, BMW и Toyota, разработали собственные термоэлектрические генераторы для утилизации тепловой энергии отработавших газов [1–3] и проводят их моделирование и испытания, как лабораторные [4, с. 685], так и в составе транспортных средств [5, с. 378]. При этом другой не менее перспективный источник выбрасываемой тепловой энергии, такой как система охлаждения двигателя, позволяющий дополнительно улучшить энергоэффективность ДВС, рассматривается гораздо реже. В связи с этим, задача использования тепловой энергии, рассеиваемой системой охлаждения, является актуальной, и позволит повысить энергоэффективность ДВС и снизить расход топлива. Одним из возможных направлений утилизации тепловой энергии, отводимой системой охлаждения ДВС, является прямое преобразование ее в электроэнергию в термоэлектрических генераторах.

В работах [6, с. 525] и [7, с. 813] представлено исследование термоэлектрического генератора, смонтированного в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания на место штатного радиатора охлаждения. Данный генератор представляет собой систему из двух видов охлаждения — жидкостного и воздушного и включает в свою конструкцию тепловые трубки. Горячий блок генератора имеет впускные и выпускные патрубки для циркуляции охлаждающей жидкости, поступающей из системы охлаждения двигателя. Термоэлектрические генераторные модули смонтированы на обеих сторонах горячего блока генератора. Чтобы увеличить эффективную площадь охлаждения термоэлектрического генератора, в конструкции предусмотрен ряд ребер, установленных на тепловых трубках.

На рисунке 1 представлены составляющие элементы термоэлектрического генератора, вид сбоку и внутренняя структура горячего блока. Стрелки указывают направление течения горячего теплоносителя, в качестве которого выступает охлаждающая жидкость.

Рис. 1. Термоэлектрический генератор: а) — составляющие элементы; б) — вид сбоку; в) — внутренняя структура горячего блока

 

Максимальная электрическая мощность представленного генератора, полученная в ходе лабораторных испытаний, составила 75 Вт, что позволило утилизировать лишь 0,4 % тепловой энергии, рассеиваемой двигателем внутреннего сгорания (18 кВт) [6, с. 529] при движении транспортного средства со скоростью 80 км/ч.

Одним из наиболее значимых недостатков данной конструкции является наличие тепловых трубок, что значительно повышает себестоимость термоэлектрического генератора, а также снижает механическую прочность конструкции в целом.

Аналогичный генератор представлен в патенте [8], но в отличие от предыдущего примера, в конструкции могут применяться тепловые трубки различных конфигураций. Примеры конструкции термоэлектрического генератора, предназначенного для утилизации тепловой энергии системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, показаны на рисунке 2.

Рис. 2. Термоэлектрический генератор с тепловыми трубками различных конфигураций

 

Более целесообразным подходом, как с точки зрения снижения себестоимости термоэлектрического радиатора, так и упрощения последующего его внедрения в транспортное средство, является сохранение габаритных и присоединительных размеров с изменением сердцевины радиатора. Это позволит использовать разработанный термоэлектрический радиатор в серийно выпускаемых транспортных средствах с сохранением компоновочной архитектуры подкапотного пространства.

На рисунке 3 показана конструкция, разработанного на базе радиатора 21230–1301012, термоэлектрического радиатора с сохранением его габаритных и присоединительных размеров.

Рис. 3. Конструкция разработанного термоэлектрического радиатора: а) — вид спереди; б) — изометрический вид; в) — увеличенный местный вид; 1 — плоская трубка; 2 — термоэлектрический генераторный модуль; 3 — ребра охлаждения; 4 — вентилятор; 5 — кожух вентиляторов

 

Охлаждающая жидкость проходит по плоским трубкам (1), с двух сторон которых расположены термоэлектрические генераторные модули (2), к холодным сторонам которых примыкают ребра охлаждения (3). Благодаря постоянному подводу теплоты от охлаждающей жидкости к горячим сторонам термоэлектрических генераторных модулей и одновременному отводу теплоты ребрами в окружающий воздух, возникает эффект Зеебека, позволяющий получить электрическую энергию, направляемую либо в бортовую сеть транспортного средства или аккумуляторную батарею.

Для оценки работоспособности и эффективности разработанной конструкции термоэлектрического радиатора необходимо провести расчет его основных технических характеристик. Целью данного расчета является определение электрической мощности термоэлектрического радиатора, которая может быть получена в результате утилизации теплоты, рассеиваемой системой охлаждения двигателя, а, следовательно, и тепловой мощности радиатора в целом и сравнение ее с аналогичной характеристикой радиатора, используемого в качестве прототипа.

Как видно из представленной конструкции термоэлектрического радиатора, его расчетную модель можно значительно упростить, выделив основной многократно повторяющийся функциональный модуль. Такой модуль будет состоять из плоской трубки, одного термоэлектрического генераторного модуля и ребер охлаждения. Расчеты, проведенные для упрощенной модели, с учетом их взаимного расположения, позволят оценить технические характеристики разработанного термоэлектрического радиатора в целом. Графическое отображение расчетной модели термоэлектрического радиатора представлено на рисунке 4.

Рис. 4. Расчетная модель термоэлектрического радиатора

 

В общем случае, мощности тепловых потоков можно определить исходя из уравнений теплоотдачи и теплопроводности, следующих из закона Ньютона-Рихмана.

(1)

(2)

,(3)

где  — коэффициенты теплоотдачи, Вт/м2*К;

A — площади поверхности теплообмена, м2;

Т — температуры, К;

 — средний коэффициент теплопроводности термоэлектрического генераторного модуля с учетом дополнительных горячей и холодной стенок, Вт/м2*К.

Применяемые в рассматриваемых уравнениях, коэффициенты теплоотдачи от горячего и к холодному теплоносителю зависят от вида теплоносителя и его температуры, температурного напора, режима течения, состояния поверхности теплообмена и геометрии тела, поэтому они являются функциями процесса теплоотдачи и должны определяться в каждый момент времени независимо.

Средний коэффициент теплопроводности термоэлектрического генераторного модуля с учетом дополнительных горячей и холодной стенок также зависит от конструкции термоэлектрического генераторного модуля и используемых материалов и может быть определен по формуле:

,(4)

где  — толщина элемента, м;

 — теплопроводность, Вт/м*К.

Тепловой поток, рассеиваемый в окружающем воздухе, прямо пропорционален площади стенки и температурному перепаду между стенкой и воздухом. Если поверхность теплоотдачи одной стороны стенки увеличить с помощью металлических ребер, как это сделано в данном случае, то следует ожидать, что тепловой поток, относящийся к единице поверхности стенки, несущей оребрение, увеличится прямо пропорционально площади поверхности теплоотдачи. Однако, вследствие температурного градиента вдоль ребра, величина эффективного температурного напора значительно снизится. Поэтому общее увеличение теплового потока будет меньше ожидаемого. Для ребер с изолированной вершиной можно использовать следующее выражение:

(5)

где  — площадь межреберного пространства, м2;

 — площадь ребер, м2;

 — коэффициент эффективности оребрения.

Коэффициент эффективности оребрения определяется геометрическими параметрами ребер:

(6)

где П — периметр ребра, м;

 — площадь одного ребра, м2;

l — длина ребра, м.

При этом отдельно, необходимо учитывать преобразование тепловой энергии отработавших газов в термоэлектрических генераторных модулях в электрическую энергию с определенным коэффициентом полезного действия, который зависит от разницы температур холодной и горячей стороны [9, с. 143]:

(7)

Указанные зависимости (1–7), а также другие закономерности, применимые к процессам стационарного теплопереноса позволяют определить суммарную мощность теплового потока от охлаждающей жидкости к окружающему воздуху, а, следовательно, и электрическую мощность, вырабатываемую термоэлектрическим радиатором.

Как уже указывалось ранее, для разработки конструкции термоэлектрического радиатора был использован радиатор 21230–1301012. Суммарная тепловая мощность, рассеиваемая радиатором-прототипом при стандартных условиях (TОЖ=80°С, Твозд.=20°С), составляет 34,8 кВт. Определение тепловой мощности при стандартных условиях производится при определенных расходах горячего и холодного теплоносителей. В данном случае они составляют, соответственно 5,5 м3/час и 5000 кг/час. Данные параметры необходимо использовать в качестве начальных условий при определении технических характеристик термоэлектрического радиатора.

Основным отличием термоэлектрического радиатора от традиционного, является наличие в его конструкции термоэлектрических генераторных модулей. В связи с этим необходимо задаться их характеристиками, которые повлияют не только на величину полезной электрической мощности, но и на процессы теплообмена. В данном расчетном исследовании используется модель термоэлектрических генераторных модулей H-127–10–05-L2 производства ф.CrystalLtd, основные характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основные характеристики модуля H-127–10–05-L2

Наименование параметра	Единица измерения	Значение
Максимальная температура применения	°С	150
Габаритные размеры (длина х ширина, высота)	мм х мм, мм	30 х 34, 2.8
Выходная электрическая мощность при температуре горячей стороны 150°С и градиенте температур 100°С	Вт	4.1
Мощность теплового потока, подводимого к горячей стороне, для получения максимальной мощности	Вт	97

 

Исходя из габаритных размеров термоэлектрических генераторных модулей и размеров радиатора-прототипа и ранее разработанной конструкции термоэлектрического радиатора, общее количество ТГМ составит 440, причем они могут быть равномерно распределены по 12 плоским трубкам для циркуляции охлаждающей жидкости, выполненным из алюминиевого сплава. Геометрические параметры элементов термоэлектрического радиатора, применяемые в расчетах процессов теплообмена по разработанной модели, показаны на рисунке 5.

Рис. 5. Геометрические параметры элементов термоэлектрического радиатора

 

В результате расчета теплообмена с учетом начальных данных и геометрических параметров элементов термоэлектрического радиатора, была определена средняя температура на горячей стороне термоэлектрических генераторных модулей, которая составила 67,8°С. Итоговое значение тепловой мощности, отводимой от охлаждающей жидкости термоэлектрическим радиатором при стандартных условиях (TОЖ=80°С, Твозд.=20°С), составило 17,2 кВт. А полезная электрическая мощность, вырабатываемая термоэлектрическими генераторными модулями, составила 708 Вт.

При стандартных условиях тепловая мощность термоэлектрического генератора, полученная в результате расчетных исследований, значительно ниже аналогичной характеристики штатного радиатора, что может негативно отразиться на работе двигателя внутреннего сгорания, а в частности, значительно увеличить тепловые нагрузки. Для увеличения тепловой мощности термоэлектрического генератора могут быть применены следующие решения:

        замена материалов элементов термоэлектрического генератора (трубок и ребер охлаждения) для увеличения их теплопроводности;

        изменение геометрических параметров элементов термоэлектрического генератора для снижения общего термического сопротивления;

        установка термоэлектрических генераторных элементов только на части трубок для охлаждающей жидкости.

Замена используемых в термоэлектрическом радиаторе материалов и оптимизация геометрических параметров позволит увеличить не только тепловую мощность, отбираемую от охлаждающей жидкости, но и электрическую мощность, получаемую в результате прямого преобразования в ТГМ. Однако, вследствие относительно небольшого коэффициента теплопроводности термоэлектрических модулей, достижение требуемого значения тепловой мощности при реализации данных решений труднореализуемо.

Установка термоэлектрических генераторных элементов только на части трубок для охлаждающей жидкости значительно увеличит тепловую мощность, но негативно отразится на степени рекуперации тепловой энергии, отводимой системой охлаждения от двигателя внутреннего сгорания, т. к. часть энергии будет рассеиваться в окружающей среде без участия ТГМ. Таким образом, для достижения требуемых результатов по тепловой мощности термоэлектрического радиатора при сохранении эффективности рекуперации требуется комбинирование всех технических решений, приведенных ранее.

Разработанный термоэлектрический радиатор предназначен для утилизации части тепловой энергии, отводимой системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания, с получением электроэнергии. Внедрение в конструкцию транспортных средств, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, разработанного термоэлектрического генератора позволит снизить потребление топлива и уменьшить отрицательное техногенное воздействие вредных выбросов с отработавшими газами на окружающую среду.

Работа проводится при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках договора № 14.Z56.15.3290-МК от "16" февраля 2015 года об условиях использования гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых с организациями — участниками конкурсов, имеющими трудовые отношения с молодыми учеными МК-3290.2015.8.

 

Литература:

 

1. Gregory P. Prior, GM global technology operations LLC. Internal combustion engine exhaust thermoelectric generator and methods of making and using the same // ПатентСША № 2013/0000285, 03.01.2013.
2. K. Shimoji, K. Suzuki, Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha. Thermoelectric generator for internal combustion engine // ПатентСША № 7687704, 30.03.2010.
3. Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh, Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft. Thermoelektrische Vorrichtung mit Rohrbündeln // ПатентГермании № 102009033613, 20.01.2011.
4. 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.
5. 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.
6. Baatar, N., Kim, S. A thermoelectric generator replacing radiator for internal combustion engine vehicles. Telkomnika. 2011. Vol.9, No.3 P. 523–530.
7. 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.
8. Kim, S., Park, S, Chungbuk National University Industry Academic Cooperation Foundation. Thermoelectric cooling and power-generating apparatus // ПатентКореи № 100986657, 10.08.2010.
9. Meng, F., Chen, L. and Sun, F. (2012). Effects of temperature dependence of thermoelectric properties on the power and efficiency of a multielement thermoelectric generator. International Journal of Energy and Environment, Volume 3, Issue 1, 137–150.