Определение оптимизационных подходов при проектировании горелочного устройства автономного источника тока на основе термоэлектрического генераторного модуля кольцевой геометрии

Энергетика

УДК 537.322

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМИЗАЦИОННЫХ ПОДХОДОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ГОРЕЛОЧНОГО УСТРОЙСТВА АВТОНОМНОГО ИСТОЧНИКА ТОКА НА ОСНОВЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРНОГО МОДУЛЯ КОЛЬЦЕВОЙ ГЕОМЕТРИИ

© 2017 Т.С. Тимошинова, И.Э. Свиридов, Д.П. Шматов

Развитие современной техники и технологий, расширение сфер применения электричества неразрывно связаны, в первую очередь, с поиском новых источников электрической энергии. В настоящее время весьма актуальным решением является использование термоэлектрических генераторных модулей, входящих в состав автономных источников тока. Рассмотрены существующие варианты использования термоэлектрических генераторных модулей. Также в работе приведены данные о современных разработках наноструктурных термоэлектрических материалов нового поколения, которые способны повысить мощностные и удельно-весовые характеристики термоэлектрических генераторных модулей. По результатам проведенного обзора и анализа современных подходов к разработке и созданию автономных термоэлектрических источников тока предложено схемное решение термоэлектрического генераторного модуля кольцевой геометрии. Перечислены основные системы, входящие в состав автономного источника тока. Составлена методика расчета газогорелочного устройства природного газа, которую можно использовать при разработке термоэлектрического генераторного модуля в составе автономного источника тока и проведена топологическая оптимизация конструкции с использованием компьютерного моделирования в программном комплексе ANSYS Fluent c применением Adjoint Solver, в ходе которой была минимизирована вероятность отрыва пламени от кратера газогорелочного устройства путем соблюдения допустимого скоростного режима газовоздушной смеси

Ключевые слова: термоэлектрический генераторный модуль, термоэлектрическая батарея, эффект Зеебека, автономный источник тока, газогорелочное устройство, топологическая оптимизация

Обзор современных подходов к разработке автономных источников тока

В настоящее время трудно представить какие-либо отрасли деятельности человека, энергетическое обеспечение которых не осуществлялось бы с помощью электрической энергии. Развитие современной техники и технологий, расширение сфер применения электричества неразрывно связано с поиском новых источников энергии, в первую очередь - электрической. Основное требование - увеличить объем ее выработки, но в последнее время на передний план выходят дополнительные условия: энергия должна вырабатываться экологически чистым путем, должна быть возобновляемая [1]. Наряду с этими условиями существует необходимость автономного энергообеспечения удаленных и труднодоступных объектов, включая объекты технологической связи и телеметрии, промысловые системы сбора и подготовки газа к транспорту и системы катодной защиты магистральных газопроводов и нефтепроводов.

Тимошинова Татьяна Сергеевна - ВГТУ, младший научный сотрудник, e-mail: rd-vgtu@mail.ru Свиридов Илья Эдуардович - ВГТУ, зав. лабораторией, e-mail: rd-vgtu@mail.ru

Шматов Дмитрий Павлович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: rd-vgtu@mail.ru

Решение данного комплекса вопросов возможно посредством использования термоэлектрических генераторных модулей (ТЭГМ) и автономных термоэлектрических источников тока (АИТТ) на их основе. Весьма значимое положительное качество ТЭГМ -безмашинное преобразование тепловой энергии в электрическую, которая может быть использована для нужд в различных областях.

Основным элементом ТЭГМ является термоэлектрическая батарея (ТБ), по своей конструкции, они могут быть плоскими или цилиндрическими. Принцип работы ТЭГМ, основан на эффекте Зеебека, т.е. возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных полупроводниковых термоэлементов п- и р-типа, контакты между которыми находятся при различных температурах [1, 2].

Учитывая то, что за последние двадцать лет коэффициент полезного действия преобразования современных

термоэлектрических материалов увеличился более чем в три раза, можно утверждать о практически безграничной широте применения ТЭГМ при наличии тепловой энергии.

Например, ТЭГМ могут применяться для повышения эффективности использования

теплоты отработавших газов дизеля - судового двигателя 6VDS48/42-AL2 (6ЧН 42/48) мощностью 2 650 кВт судна типа Ro-8 [3 ^ 5]. Материал ТЭГМ р-типа - PbTe; п-тиго - 75 % PbTe + 25 % SnTe. Эти сплавы имеют хорошие значения термоЭДС в рабочем диапазоне температур, который достигается за счет выхлопных газов ДВС и потока пресной воды. Возникающую ЭДС по специальным токоотводам направляют в полезную нагрузку общего электрического контура судна.

С целью достижения показателей КПД термоэлектрических генераторных модулей до 15 ^ 20 % в мире активно ведутся разработки наноструктурных термоэлектрических

материалов нового поколения и поиск новых конструктивных решений, которые способны повысить мощностные и удельно-весовые характеристики. Объектом такого исследования является гибкий термоэлектрический элемент на основе кремнеземной стеклоткани и теллурида висмута (Bi2Teз) [6]. В ходе исследований определено, что плотность электронных состояний зависит от размерности системы. Это свидетельствует о том, что для низкоразмерных кристаллов следует ожидать резких скачкообразных увеличений

коэффициента Зеебека, что приведет к увеличению КПД ТЭГМ, но в то же время накладывает и дополнительные ограничения на характеристический размер (диаметр квантовой проволоки/квантовой точки или ширину квантовой ямы).

В настоящее время активно ведутся работы по разработке с последующим изготовлением и проведением испытаний АИТТ на основе ТЭГМ кольцевой геометрии. Применение цилиндрической ТБ в ТЭГМ данного типа является наиболее перспективным

конструктивным решением.

ТЭГМ, собранный на цилиндрических термобатареях, имеет более высокие удельные электрические характеристики, за счет снижения массы конструктивных элементов теплопередающей системы. Кроме того, цилиндрическая конструкция ТЭГМ позволяет обеспечить более высокое сопротивление электрической изоляции между термобатареей и обрамляющей металлоконструкцией. Также проектирование конструкций термобатарей кольцевой геометрии позволяет осуществить надежный контакт сборочных единиц для минимизации тепловых потерь.

Одно из принципиальных схемных решений ТЭГМ цилиндрической конструкции с

радиально-кольцевыми представлено на рис. 1.

термобатареями

Рис. 1. Схематичное изображение ТЭГМ цилиндрической конструкции с радиально-кольцевыми термобатареями

Здесь первичным источником энергии разрабатываемого АИТТ является природный газ. Для сжигания природного газа целесообразно использовать инжекционную газовую горелку, обладающую способностью саморегулирования (сохранения коэффициента инжекции постоянным при изменении нагрузки горелки в определенных пределах) и не требующую устройств для принудительной подачи воздуха.

Методика расчета газогорелочного устройства

В работах [7, 8] описаны методики по расчету геометрических параметров горелочного устройства. Основными элементами инжекционного горелочного устройства являются газовое сопло, конфузор, цилиндрический смеситель, диффузор и носик горелки (рис. 2).

Рис. 2. Принципиальная схема инжекционной атмосферной газовой горелки: 1 - сопло; 2 - конфузор; 3 - смеситель; 4 - диффузор, 5 - носик горелки

Для определения конструктивных размеров горелочного устройства необходимо задать исходные данные:

Уг = 1м3/ ч - объемный расход природного

газа;

<н=35882МДж / м3

- низшая

теплота

сгорания природного газа;

3

у = 0.7168кг / м - плотность природного газа при 0 °С;

3

ув = 1.293кг / м - плотность воздуха при

0°С;

3 3

Ьо = 9.5м / м - теоретически

необходимое количество воздуха на горение;

Рг = 0.05МПа - избыточное давление природного газа;

Р = 0.1МПа - атмосферное давление; ^ = 1.314 - показатель адиабаты природного газа;

Тг = Тв = 273К - температура газа и окружающего воздуха соответственно. Инжекционные горелки работают при коэффициенте избытка воздуха а= 1.05 —1.15 . Следуя [7], скорость истечения газа из сопла определяется по формуле:

й =

^10 = 1.1мм.

0.785^с

Оптимальное соотношение площадей смесителя и газового сопла ^, следуя [7], получим = /с // = 177.8 . Тогда диаметр смесителя

йс = dJ.Fi = 14.3мм.

Остальные конструктивные размеры инжекционных горелок, близкие к оптимальным, определяются из

экспериментально найденных соотношений: - диаметр кратера:

^3 = (1.05.. 1. 1)йс = 16мм ;

- длина конфузора:

11 = (1.5..2.0)йс = 14.5мм

при угле конусности 30 ^ 45

- длина смесителя:

и>с. = 2.944рРь

Т

-1 а

(

УгТг Р2

ГрЛ

1.54

Р1

ГрЛ

1.77 ^

Р1

,

где Р1 , Р2 - абсолютное давление газа перед соплом и на выходе из сопла соответственно, равное атмосферному;

р = 0.9 - коэффициент, учитывающий распределение скоростей потока газа по сечению сопла и сопротивление потоку, зависящий от формы сопла.

При таких исходных данных

м>с = 306.3м/с . Относительно скорости

истечения газа из сопла определяются основные конструктивные размеры:

/ =

Уг10

6

3600в^

= 1.295мм

2

где в - коэффициент истечения, учитывающий сжатие струи, принимаемый в пределах 0.7 ^ 0.87.

Диаметр сопла й определяется по формуле

¡с = (3..5)йс = 57.3мм;

- угол расширения диффузора обычно берут в пределах 6 ^ 8

- длина диффузора:

¡д = 1с = 57.3мм-

Угол конусности кратера 12 ^ 15. Правильность расчета проверяется по допустимым значениям выходной скорости газовоздушной смеси из кратера:

и>3 =

(1 + аЬ0)ТсмУг 10 0.785й3Тв

,6

В работе [9] указана рекомендуемая для природного газа допустимая скорость газовоздушной смеси на выходе из горелки 10 ^ 20 м/с. Данные ограничения необходимы, чтобы избежать возможности отрыва и погасания пламени. Из (9) получим

wз = 15.3м / с .

Полученные конструктивные размеры горелочного устройства являются

приблизительными и требуют уточнения. Используя методы компьютерного

моделирования (вычислительный

эксперимент), переопределим скорость газовоздушной смеси на выходе из кратера. В программном комплексе ANSYS Fluent было смоделировано течение природного газа и его смешение с эжектирующим окружающим воздухом, где в качестве расчетной области использовалась геометрия горелочного устройства, рассчитанного ранее (рис. 3).

Рис. 3. Твердотельная модель горелочного устройства, рассчитанного по инженерной методике

Граничные условия также соответствуют исходным данным, использованным в инженерной методике для определения конструктивных размеров. В качестве модели турбулентности была выбрана к — s Realizable c масштабируемой пристеночной функцией, позволяющая рассчитать заданное

турбулентное течение с достаточной точностью. Константы модели заданы по умолчанию. По результатам вычислительного эксперимента были получены следующие данные:

- wc = 320.15м / с (рис. 4), (рис. 5) скорость истечения газа из сопла;

- максимальная скорость на выходе из кратера горелки W3 составила 24.1 м/с (рис. 6).

Завышенное значение скорости относительно допустимой на выходе из кратера (10 ^ 20 м/с) говорит о необходимости оптимизации геометрии горелочного устройства.

Топологическую оптимизацию формы горелочного устройства можно провести с помощью ANSYS Fluent Adjoint Solver. Используя изначально полученное сошедшееся решение, Adjoint Solver вычисляет поля чувствительности геометрии заданной области, исходя из указанной целевой функции. Была проведена однокритериальная оптимизация

горелочного устройства, где в качестве целевой функции использовался поверхностный интеграл осредненный по массе полного давления на поверхности среза кратера. Оптимизация заключалась в минимизации полного давления для достижения допускаемого скоростного режима. Так как в модерировании использовалась модель идеально несжимаемого газа, то оценить необходимую величину динамического давления можно по формуле Бернулли. В результате 6-ти итераций топологической оптимизации было получено снижение целевой функции, при которой максимальное значение скорости на срезе кратера горелки является допустимым м'з = 15.4м/с (рис. 7).

Рис. 4. Распределение поля скоростей газовоздушной смеси в меридиональном сечении горелки

Рис. 5. Распределение скорости газовоздушной смеси вдоль оси симметрии горелки

На рис. 8 представлена оптимизированная геометрия горелочного устройства, геометрию которой можно сохранить в формате STL.

24 00 _ . .

22.00 , * 20.00

18.00 \

Velocity 16.00 s

Magnitude 4

(m/s) moo

y * #

12.00 /

4

10.00 • *

8.00

0008 -0006 -0004 -0.002 0 0 002 0 004 0 006 0.008

Position

Рис. 6. Распределение скорости газовоздушной смеси вдоль диаметра среза кратера горелки

14.00 -

12.00 - .

Velocity ю оо -Magnitude

8.00 -

6.00 - *

4,00 ......'-г--..................... --т-—-ч

-0.0125 -0.01 -0.0075 -0.005 -0.0025 0 0.0025 0.СЮ5 0.0075 0.01 0.0125

Position

Рис. 7. Распределение скорости газовоздушной смеси вдоль диаметра среза кратера горелки

Рис. 8. Оптимизированная геометрия горелочного устройства

Заключение

Представленный подход к расчету и оптимизации конструкции горелочного устройства возможно использовать при разработке ТЭГМ кольцевой геометрии для АИТТ с учетом расчета и моделирования горения природного газа. Помимо горелочного устройства АИТТ должен включать в себя следующие основные системы:

- система газораспределения, предназначенная для подключения к источнику природного газа и его распределения;

- автоматизированная система управления и измерения.

При этом ТЭГМ должен быть оборудован:

- ТБ кольцевой геометрии;

- системой нагрева, включая горелочное устройство;

- системой охлаждения

Планируется, что разрабатываемый АИТТ обеспечит отвод теплоты за счет использования замкнутого контура охлаждения с жидкостью, имеющей низкую температуру кипения. Это позволит эксплуатировать АИТТ в любых климатических зонах, в диапазоне температуры окружающей среды от

минус 50 °С до плюс 40 °С. Работа такого АИТТ на основе ТЭГМ с кольцевой геометрией не будет воздействовать на экологию окружающей среды.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218 (Договор № 03.G25.31.0246).

Литература

1. Шостаковский П. Термоэлектрические источники альтернативного электропитания / П. Шостаковский // Компоненты и технологии.- СПб.: Издательство Файнстрит. - 2010. - № 12 (113) - С. 131138.

2. Бурштейн А.И. Физические основы расчета полупроводниковых термоэлектрических устройств / А.И. Бурштейн. - М.: Физматгиз, 1962.

3. Виноградов С.В. Проектирование термоэлектрического генератора, работающего от теплоты выхлопных газов судовых дизелей / С.В. Виноградов, М.М. Горбачёв, К.Р. Халыков // Вестник АГТУ. Серия: Морская техника и технология. - 2010. - № 1 - С. 89-94.

4. Виноградов С.В. Применение термоэлектрических генераторов как средство утилизации сбросной теплоты судовых дизелей / С.В. Виноградов, К.Р. Халыков, Нгуен Конг Доан // Вестник АГТУ. Серия: Морская техника и технология. - 2011. - № 3 - С. 78-83.

5. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена / С.С. Кутателадзе. М.: Атомиздат, 1979. -416 с.

6. Беспалов Е.С. Разработка гибкого термоэлектрического модуля на основе кремнеземной стеклоткани и теллурида висмута (В12Те3) / Е.С. Беспалов, А.Н. Головяшкин // Вестник ПГУ. - 2016. - № 2 (14) - С. 117-124.

7. Гусовский В.Л. Сожигательные устройства нагревательных и термических печей / В.Л. Гусовский, А.Е. Лифшиц, В.М. Тымчак. - М.: Металлургия, 1981.

8. Агеев М.А. Расчет газовых горелок / М.А. Агеев, Э.М. Атоян, Ю.В. Мусатов. - Саратов, 2006.

9. Горелочные устройства: отраслевой каталог. -М.: НИИЭИНФОРМЭнергомаш, 1982.

Воронежский государственный технический университет

OPTIMIZATION APPROACHES DETERMINATION IN THE DESIGN OF AN AUTONOMOUS CURRENT SOURCE BURNER DEVICE ON THE BASIS OF THE THERMOELECTRIC GENERATOR MODULE OF RING GEOMETRY

T.S. Timoshinova1, I.E. Sviridov2, D.P. Shmatov3

'Junior Researcher, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation,

e-mail: rd-vgtu@mail.ru 2Head of laboratory, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation,

e-mail: rd-vgtu@mail.ru 3PhD, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation,

e-mail: rd-vgtu@mail.ru

The development of modern equipment and technology, the expansion of the sphere of application of electricity is inextricably linked primarily with the search for new energy sources. At present, a very topical solution is the use of thermoelectric generator modules, which are part of autonomous current sources. Existing options for the use of thermoelectric generator modules are considered. Also, the article presents data on modern developments of nanostructured thermoelectric materials of a new generation that can increase the power and specific weight characteristics of thermoelectric generator modules. Based on the results of the review and analysis of modern approaches to the development and creation of autonomous thermoelectric current sources, a circuitry of the thermoelectric generator module of circular geometry was proposed. The main systems included in the autonomous current source are listed. A methodology for calculating a natural gas-fired device that can be used to design a thermoelectric generator module as a part of an autonomous current source was developed and topological optimization of the design was carried out using computer simulation in the ANSYS Fluent software complex using Adjoint Solver, during which the probability of flame separation from the gas-burning device's crater was minimized by observing the permissible speed regime of the gas-air mixture

Key words: thermobattery, thermoelectric generator, Seebeck effect, autonomous current sources, gas burner, topology optimization

References

1. Shostakovskiy P. "Thermoelectric sources of alternative power supply" ("Termoelektricheskiye istochniki al'ternativnogo elektropitaniya"), Components and technologies, SPb, Publishing house FineStreet, 2010, no. 12 (113), pp.131-138.

2. Burshtein A.I. "The physical basis for calculation of semiconductor thermoelectric devices" ("Fizicheskiye osnovy rascheta poluprovodnikovykh termoelektricheskikh ustroystv"), Moscow, Fizmatgiz, 1962.

3. Vinogradov S.V., Gorbachyev M.M., Halykov K.R. "Design of a thermoelectric generator operating on the heat of exhaust gases of marine diesel engines", The Bulletin of the Astrakhan State Technical University. Series: Marine equipment and technology, 2010, no. 1, pp. 89-94.

4. Vinogradov S.V., Halykov K.R., Nguyen Cong Doan "Application of thermoelectric generators as a means of utilization of waste heat of marine diesel engines", The Bulletin of the Astrakhan State Technical University. Series: Marine equipment and technology, 2011, no. 3, pp. 78-83.

5. Kutateladze S.S. "Fundamentals of heat transfer theory" ("Osnovy teorii teploobmena"), Moscow, Atomizdat, 1979, 416 p.

6. Bespalov E.S., Golovyashkin A.N. "Development of a flexible thermoelectric module based on silica fabric glass and bismuth telluride (Bi2Te3)", Bulletin of the PSU, 2016, no. 2 (14), pp. 117-124.

7. Gusovskiy V.L., Lifshits V.L., Tymchak A.E. "Burning devices of heating and thermal furnaces", Moskow, Metallurgiya,

1981.

8. Ageev M.A., Atonyan E.M., Musatov U.V. "Calculation of gas burners", Scientific and Technical Library of the SGTU,

2006.

9. "Burners: industrial catalog", Moscow, NIIEINFORMEnergomash, 1982.