ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА

Папкин Б. А.^1,2, Коротков В. С.², Татарников А. П.²

¹Кандидат технических наук, ²Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)

Работа выполнена 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

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА

Аннотация

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.  

Papkin В. A.^1,2, Korotkov V. S.², Tatarnikov A.P.²

¹PhD in Engineering, ²Moscow state university of mechanical engineering (MAMI)

DESIGN FEATURES OF THERMOELECTRIC GENERATOR

Abstract

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.  

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 (T_ож=80°С, Т_возд.=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.

References

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. Papkin B.A., Korotkov V.S., Tatarnikov A.P. Termojelektricheskij radiator sistemy ohlazhdenija dvigatelja vnutrennego sgoranija // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. — 2015. — №9(40). — p. 80-84
6. Papkin B.A., Ivanov D.A., Korotkov V.S. Opredelenie tehnicheskih harakteristik termojelektricheskogo radiatora // Molodoj uchenyj. — 2015. — №20. — p. 61-67.