Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0113

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0113
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)"
Название доклада
Разработка экспериментального образца источника электрического питания с непосредственным преобразованием теплоты для транспортных систем различного назначения на базе высокоэффективных термогенераторных батарей, работающих в широком диапазоне температур
Докладчик
Онищенко Дмитрий Олегович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью реализуемого проекта является повышение эффективности теплоэнергетических установок на транспорте путем использования прямого преобразования бросовой тепловой энергии выхлопных газов в электричество, снижение расхода потребляемого топлива, а также повышение в целом эффективности термогенераторных источников питания путем создания конструкции и технологии получения высокоэффективных термогенераторных батарей, работающих в широком диапазоне температур.
Основные задачи исследования:
- разработка математической модели термоэлектрического генератора (ТЭГ) для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и проведение имитационного математического моделирования работы ТЭГ для ДВС различного типа с целью определения исходных технических параметров и оценки эффективности применения такого генератора в различных условиях эксплуатации;
- разработка и изготовление стенда для исследования особенностей работы и доводки термоэлектрического генератора;
- разработка конструкции и технологии изготовление термоэлектрических батарей, оптимизированных для работы в автомобильных ТЭГ в широком диапазоне температур, включая термоэлементы с составными ветвями;
- изготовление макета термоэлектрического генератора мощностью до 1 кВт, а также высокоэффективных генераторных батарей;
- проведение исследовательских испытаний макета ТЭГ с цель верификации математических моделей, экспериментального определения эксплуатационных характеристик, а также отработки отдельных конструкторско- технологических решений;
- проведение маркетинговых исследований с целью изучения перспектив коммерциализации РИД, полученных при реализации проекта, бизнес планирование коммерческого их использования.
Актуальность и новизна исследования
Полезная мощность современных автомобильных двигателей составляет в около 35 % энергии сгоревшего топлива, что оставляет большой потенциал как по повышению эффективности рабочего процесса двигателя, так и по утилизации тепловых потерь.
Одним из перспективных методов повышения энергоэффективности транспортных средств (ТС) с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) является прямое преобразование теплоты отработавших выхлопных газов в электричество путем использования термоэлектрических батарей (ТЭБ), в основе работы которых лежит эффект Зеебека. Несмотря на относительно низкий на сегодняшний день КПД таких батарей, количества бросового тепла отработавших выхлопных газов достаточно если не для полного, то для частичного закрытия потребностей в электроэнергии ТС, что в свою очередь ведет к экономии топлива через снижение нагрузки на генератор.
Общая эффективность силовой установки ТС с термоэлектрическим генератором (ТЭГ) будет в значительной мере зависеть от применяемых в нем констр.-технолог. решений и режимов работы двигателя, выбор которых является весьма сложной задачей ввиду необходимости при проектировании учитывать множество физических процессов и показателей качества. Необходимо учесть влияние газодинамики в проточной части, теплопроводности в корпусе ТЭГ, термоэлектрических эффектов в ТЭБ, дополнительных потерь энергии на функционирование ТЭГ, его аэродинамическое сопротивление, режимы работы ДВС.
Новизна исследования заключается в разработке математической модели ТЭГ, учитывающей вышеперечисленные эффекты, позволяющей оптимизировать конструкцию ТЭГ для различных ДВС, а также в в разработанных для различных типов ДВС констр.-техн. решениях, повышающих эффективность ТЭГ.
Описание исследования

В разработанной математической модели ТЭГ сочетаются численно-аналитическая (общая) модель, учитывающая весь комплекс мультифизичных явлений преобразования энергии в ТЭГ, что позволяет в упрощенной постановке проводить расчет параметров ТЭГ, параметрическую и топологическую оптимизацию его конструкции, а также численная модель, решающая задачу определения потока тепла через термоэлектрические батареи ТЭГ путем моделирования трехмерного нестационарного течения газа и теплопередачи с помощью метода конечных объёмов.

Общая модель описывает следующие физические процессы: теплоотдачу выхлопных газов, в проточной части корпуса ТЭГ с учетом неравномерности нагрева различных секций ТЭГ; теплопроводность теплообменников и ТЭБ; термоэлектрический эффект Зеебека; теплоотдачу корпуса ТЭГ системе охлаждения, которая может быть изготовлена с водяным или с воздушным охлаждением; потери электрической мощности при использовании гидравлического охлаждение на работу водяного насоса и радиатора; приращение механической мощности двигателя или сокращение расхода топлива за счёт уменьшения нагрузки генератора двигателя с учётом уменьшения механической мощности двигателя от «запирания» потока отработавших гадов дополнительным сопротивлением ТЭГ.

Общая модель ТЭГ реализована в среде MATLAB. Расчет и оптимизация конструкции проводится путем предварительного поиска локального условного минимума с помощью генетического алгоритма решения и уточнения решения методом Нелдора-Мида.

Численное моделирование проводится в программных комплексах AVL Fire и FlowSimulation. Для проточной части решаются задачи течения сжимаемой жидкости и теплообмена, для металлической части – теплообмена.

Моделирование влияния аэродинамического сопротивления на работу ДВС проводилось с программной комплексе «DIESEL-RK» [http://www.diesel-rk.bmstu.ru], в котором реализована нульмерная многозонная математическая модель. Для расчёта тепловыделения (для бензиновых двигателей) используется закон Вибе. Расчёты проводились на режимах внешней скоростной характеристики (при полностью открытой дроссельной заслонке).

При иммитацинном моделировании был проведен сравнительный анализ различных конструкций проточной части ТЭГ  для определения метода интенсификации теплообмена, обладающего наибольшей газодинамической эффективностью. При этом были рассмотрены следующие конструкции интенсификаторов теплообмена: гладкая стенка, оребрение на турбулизаторе, продольное оребрение, оребрение под углом к потоку, луночная поверхность, лунки с оребрением на турбулизаторе, оребрение гофрой, разнонаправленные ребра. Некоторые из этих интенсификаторов были изготовлены и испытаны в ходе экспериментальных исследований.

Для проведения экспериментальных исследований  с целью верификации разработанной математической модели, определения эксплуатационных характеристик ТЭГ и отработки конструкторско-технологических решений разработан и изготовлен экспериментальный стенд. Входящий в состав стенда ступичный мощностной стенд 4WD DAQ32 компании DynaPack (США) позволяет проводить испытания ТЭГ в составе транспортного средства, моделируя в лабораторных условиях различные режимы движения автомобиля.

При отработке технологических режимов изготовления термоэлектрических элементов и батарей на их основе использовалась теория планирования эксперимента.

Измерение свойств термоэлектрических материалов при отработке технологических процессов их получения проводилось в едином цикле измерений при гармоническом тепловом и электрическом возбуждении образцов, что позволило  определять основные параметры исследуемой полупроводниковой структуры, необходимые для оценки термоэлектрической добротности материалов.

 

 

Результаты исследования

Разработана математическая модель ТЭГ, которая позволяет проводить расчет генераторов как с воздушным, так и водяным охлаждением, учитывает затраты электрической мощности на работу управляющей электроники, а также впервые позволяет учесть обратное влияния ТЭГ на ДВС за счёт создания аэродинамического сопротивления в канале движения выхлопных газов.

Проведено имитационное моделирование работы ТЭГ, в том числе для ДВС мотоциклетного типа, водородный и теплоизолированный двигатели, по результатам которого были выбраны наиболее эффективные конструкции теплообменников, даны рекомендации по конструкции проточной части ТЭГ для различных типов ДВС, включая стационарные установки. Показана перспективность использования лунок с целью интенсификации теплопередачи от выхлопных газов к спаям термоэлектрической батареи.

Проведена конструкторская проработка специализированных ТЭГ на ДВС мотоциклетного типа (перспективные снегоходы для нужд Крайнего Севера, квадроциклы и спортивные автомобили малого класса). Показана возможность увеличения мощности бортового электропитания более чем в 2 раза.

Разработаны экспериментальные стенды, которые позволяют проводить определение параметров математической модели и её верификацию, исследовать особенности работы, оптимизацию и доводку ТЭГ, в том числе в составе  в составе транспортного средства, моделируя в лабораторных условиях различные режимы движения автомобиля, проводить комплексные измерения физико-механических параметров экспериментальных образцов термоэлементов и термоэлектрических генераторных батарей.

Разработана программа и методики исследовательских испытаний макета ТЭГ для ДВС.

Разработаны эскизная конструкторская документация на экспериментальные образцы термоэлементов с составными ветвями и опытная технология их изготовления. Изготовлены опытные образцы таких термоэлементов, генераторные термоэлектрические батареи на их основе, конструкция которых оптимизирована для работы в автомобильном ТЭГ, а также проведены их исследовательские испытания.

По результатам испытаний термоэлектрических батарей получено увеличение их эффективности от 20 до 30 % по сравнению с традиционными батареями соответствующих размеров. Разработанные для автомобильного ТЭГ керамические ТЭБ имеют
до полутора раз большую удельную мощность и в 1,7 раз больший КПД при идентичных условиях работы по сравнению с очехлованными ТЭБ.

Для предварительной отработки конструкции разработан и собран предварительный макет термоэлектрического генератора для легкового автомобиля с максимальной электрической мощностью до 500 Вт, а также изготовлен макет термоэлектрического генератора для двигателя внутреннего сгорания мощностью до 1 кВт. 

Проведены испытания макета ТЭГ для проверки результатов теоретических исследований на разработанном стенде, которые позволили скорректировать используемые формулы для математической модели и определить её неизвестные параметры.

Проработана возможность и показана эффективность использования термоэлектрического генератора для утилизации избыточной теплоты отработавших газов дизеля с частичной теплоизоляцией камеры сгорания. Литературный анализ и патентные исследования показали, что направление использования теплоизолированного двигателя в совокупности с термоэлектрическим генератором в литературных источниках не встречается и является новым не только в России, но и в мире.

Практическая значимость исследования
В результате выполнения проекта создан удобный инструмент разработки и оптимизации конструкции термоэлектрических генераторов (ТЭГ), включая разработанные модели, учитывающие основные физические процессы, экспериментальные стенды. Изготовлены макетные образцы термоэлектрических генераторов для различного типа двигателей мощностью до 1 кВт, разработаны отдельные конструкторско-технологические решения, повышающие эффективность данных систем.
Полученные в рамках реализация проекта результаты позволяют повысить эффективность теплоэнергетических установок на транспорте путем использования прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, снижения расхода потребляемого топлива, а также повышения в целом эффективности термогенераторных источников питания.
Результаты проекта могут быть использованы при разработке и производстве термоэлектрических генераторов для дизельных и бензиновых ДВС различного применения: стационарные (элек-трогенераторы), автомобильные, судовые, двигатели тепловозов, различные поршневые двигатели военного назначения. Результаты могут быть использованы как для повышения эффективности существующих термогенераторных автономных источников питания, которым в настоящее время практически нет альтернативы (станции катодной защиты газопроводов и газорегуляторных пунктов (ГРП), находящиеся вдали от линий электропередач, космические системы освоения дальнего космоса, спутники специального назначения с радиоизотопной энергетической установкой на борту ), так и для расширения областей применения таких источников питания.
Внедрение в конструкцию ДВС термогенераторов, эффективно утилизирующих часть тепла выхлопных газов двигателя, позволит повысить его энергоэффективность, снизить расход потребляемого топлива до 7%, а в некоторых случаях отказаться от штатного генератора.
Внедрение результатов ПНИ на предприятиях по выпуску термоэл. генераторных систем позволит им перейти на новый качественный уровень выпуска продукции, снизить производственные издержки, расширить область применения выпускаемой продукции.
Перспективным направлением использования результатов проекта является решение вопросов повышения энергоэффективности предприятий литейной и горнодобывающей промышленности.