Диссертация (1026340), страница 5
Текст из файла (страница 5)
В России в МГТУим. Н.Э. Баумана также ведутся разработки ТЭГов для автомобильныхдвигателей [76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84].30Одним из перспективных направления можно считать разработкутермоэлектрических генераторов для среднеоборотных двигателей. В работе[85]рассматриваетсявозможностьиспользованиятермоэлектрическогогенератора для утилизации тепла отработавших газов судового дизеля.КомпанияКOMATSU(Япония)провеладемонстрационныеиспытаниятермоэлектрической системы генерирования электроэнергии мощностью длясистемы совместного генерирования тепла и электричества от дизелямощностью 500 кВт [86].
Термоэлектрический материал – теллурид висмута.При расходе отработавших газов через ТЭГ 16.7 м3/мин (40% расходадвигателя) достигается мощность 1060 Вт.Термоэлектрическая батарея (термоэлектрические материалы: p-типBi2Te3, GeTe, n-тип: PbTe) используемая в ТЭГ для легкового автомобиляприведена на Рис. 1.6 – 1.7.Рис. 1.6. Схема термоэлектрической батареиРис. 1.7. Термоэлектрические батареиВеличинатермо-ЭДСвслучаепростейшеймоделитермопары(термоэлемента), входящей в состав ТЭБ зависит от перепада температур Тc иТh на спаях термоэлемента [87]:31где αE=иα!α−α(1.3)– коэффициенты термо-ЭДС (В/К) материалов 1 и 2 (в случаеполупроводниковыхтермоэлектрическихматериаловпринимаютположительное значение для материала p-типа и отрицательное для материалаn-типа).
Если коэффициенты α1, α2 незначительно зависят от температуры,формула (1.3) принимает вид:" = # −#$−%(1.4).КПД термоэлемента вычисляется как [68]:&ТЭГ =* !∙/ 1/, -. с*/ 1//, -. с- !,(1.5)/где Z – добротность, критерий, определяющий качество термоэлектрическогоматериала, К–1:2=3 45,где: λ – теплопроводность, Вт⋅м–1⋅К–1; σ – удельная электропроводность,Ом–1⋅м–1. Строчной буквой z обозначают добротность при данной температуре,заглавной Z – эффективная добротность ТЭГ. В формуле (1.5) первыймножитель выражает КПД цикла Карно, а второй падение КПД за счёттеплопроводностииджоулевойтеплоты [68].Часторассматриваютбезразмерную добротность ZT и zT.Из выражения (1.5) видно, что для увеличения КПД надо увеличиватьразность температур или z термоэлектрического материала.
На Рис. 1.8приведенабезразмернаядобротностьразныхтермоэлектрическихматериалов [88]. Из рисунка видно, что максимум zT большинства материаловнаходится в узком диапазоне температур, поэтому материалы принятоклассифицировать по температуре их работы на низко- (от 0 до 350 °С), средне(от 350 до 650°С) и высокотемпературные (выше 650°С).32Рис. 1.8. Безразмерная добротность (zT)разных термоэлектрическихматериалов [88]Ведутся работы по использованию материалов на основе квантовых ям(quantumwell)вкачестветермоэлектрическогоматериала [89].Ихиспользование позволит увеличить zT и КПД ТЭГ в три и более раза посравнению с теллуридом висмута [89, 90].1.6.
Выводы по главе 11. Наиболее перспективный способ моделирования рабочего процесса дизеля сцелью снижения токсичности – трёхмерное моделирование, основанное навычислительной гидродинамике. Для правильного расчёта рабочегопроцесса необходимо выбрать и настроить модель турбулентности, модельсгорания, модель образования токсичных веществ и другие параметрыматематической модели.2. К основным методам снижения токсичности относятся: оптимизацияконструктивныхирегулировочныхпараметров,постобработкаотработавших газов, снижение концентрации кислорода в воздухе,применение нетрадиционных топлив.3. Одним из перспективных методов увеличение эффективности поршневыхдвигателей является использование энергии отработавших газов.33Наосновепроведенногоанализаработбылапоставленацельдиссертационной работы и определены задачи, решение которых необходимодля ее достижения.Основные задачи работы1.
Разработкаиреализацияобобщеннойматематическоймоделитеплофизических процессов, протекающих в цилиндре и выпускнойсистеме, оснащенном ТЭГ, среднеоборотного дизеля ЧН26,5/31(Д500).2. Анализ влияния конструктивных параметров дизеля (вихревое число,число сопловых отверстий распылителя, форма камеры сгорания) наэкологические и эффективные показатели дизеля ЧН26,5/31(Д500).3.
ПроведениерасчётнойоценкивихревогочисладвигателяЧН26,5/31(Д500) на разных режимах по нагрузочной характеристике.4. Совершенствование конструктивных параметров дизеля (вихревогочисла, числа сопловых отверстий распылителя, формы камеры сгорания).5. Моделирование процессов течения газа и теплообмена в проточной частитермоэлектрического генератора и оценка возможности использованиятермоэлектрическогогенераторапоказателей среднеоборотного дизеля.дляповышенияэффективных34ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГОПРОЦЕССА СРЕДНЕОБОРОТНОГО ДИЗЕЛЯ ИТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА2.1.Обобщенная система уравнений переносаТечение жидкости описывается уравнениями сохранения количествадвижения (Навье-Стокса), сохранения энергии (Фурье-Кирхгофа), диффузии(Фика) и сохранения массы (неразрывности) [39]:78G:8789:=8=; −HH>?H<=+<>:HJ<<>?<9@A B <> : +H?<9?<>:−C<9D<>DEF,BI H> E + H + H> KL M N + ; M + O P +?8ST8<Y<<=+<>?<<>??<STBUV <> E + WX,<QR?<>?,(2.1)?K7 ∙ M N = 0,[[[\ – вектор скорости, м/с; WX – интенсивностьгде ρ – плотность кг/м3; Mисточника массы (скорость изменения массы химической компоненты вединице объема, кг·м-3·с-1); p – давление, Па; ; – проекция вектора плотностиобъемных сил (Н/м3) на ось Oxi прямоугольной декартовой системы координат;λ – теплопроводность, Вт.м-1.К-1;энтальпия;<QR?<>?– символ Кронекера;=ℎ+9; ℎ = ^= –– радиационный тепловой поток, Вт/м2, τij – касательныенапряжения трения, Па; Qr – количество выделяемой теплоты на единицумассы, Дж/кг, в результате химической реакции, идущей со скоростью wr, кг·м3·с-1; µ – динамическая вязкость, Па·с;88– субстациональная производная; _V –концентрация компонента l, кг/м3; Dl – коэффициент диффузии компонентаl, м2/с;L = AB<9:<>?+<9?<>:−C<9D<>DE–тензорвязких(турбулентных)напряжений, определенный по осредненным значениям компонент скорости.35Уравнения (1.1) можно также записать в виде обобщённого законасохранения [39]:[[[\ ΦN = ab Γd efg Φ + Sd ,7 ∙ Φ + abK7M<<(2.2)где Φ – произвольная зависимая переменная, Γd – коэффициент обмена(диффузии), Sd – источниковый член, равный разности генерации Sdi ианнигиляции Sdj потоков, т.е.
Sd = Sdi − Sdj . Конкретный вид Γd и Sd зависит отсмысла переменной Φ и представлен в Таблице 7.Значения Φ, Γd и Sd в (2.2)ΓdТаблица 7.SdУравнениеΦколичествадвижения (НавьеСтокса)Wiэнергии (ФурьеКирхгофа)HI^=сохранения массы(неразрывности)klk+KL M N + 7; M + O PkL kmkno+km100_V7DlρWXVдиффузии (Фика); −µ<=<>:[[[\ N+ A ∙ efg K abMCДля решения уравнений переноса используется метод контрольныхобъёмов, основы которого были заложены Патанкаром и Сполдингом [9, 91],реализованный в программном комплексе FIRE [10]. Метод основан на том, чтодля каждого контрольного объёма, на которые разбивается расчётная область,записывается интегральная форма решаемого дифференциального уравнения (вданном случае система уравнений Навье-Стокса в форме Рейнольдса,замыкаемаямодельютурбулентности).Спомощьюинтегрированиядифференциальных уравнений по контрольным объёмам записываютсядискретные аналоги, которые составляют систему линейных алгебраических36уравнений.
Важным свойством МКО является консервативность, то естьвыполнение законов сохранения массы, энергии и количества движения налюбом участке расчётной области. Как было отмечено в главе 1, на основеМКО создано большое количество коммерческих программных пакетов.2.2. Моделирование турбулентности2.2.1. Подходы к моделированию турбулентных теченийСуществует три основных подхода к моделированию турбулентныхтечений:- Прямое численное моделирование (Direct numerical simulation,DNS) [92]. Подразумевает прямое решение уравнений Навье-Стокса внестационарной постановке. Наиболее точный метод.
Однако для вычислениятурбулентных пульсаций нуждается в чрезвычайно мелкой расчётной сетке ииспользованиималогошагаповремени,чтотребуетогромныхвычислительных ресурсов [8]. Поэтому этот метод используется только внаучных исследованиях.- Метод решения уравнений Навье-Стокса в форме Рейнольдса(Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS) [39, 53, 54]. Мгновенное значениепараметра Φ представляется в виде суммы пульсационного и среднего значенийΦ = Φ + Φ′.Φ= rqs -qsΦ LL,(2.3)где t – период осреднения. При стационарной постановке задачи (Steady RANS)t → ∞.
При нестационарной постановке задачи (Unsteady RANS) периодосреднения t должен быть достаточно большим по сравнению с периодомтурбулентных пульсаций, чтобы осредненное значение Φ от него не зависело ив то же время достаточно малым для описания нестационарности течения.Для сжимаемого газа используется осреднение по Фавру (осреднение сучётом плотности):37Φ=Связьмеждуwqrs -qρ L Φ Lsвеличинами,Рейнольдсу Φz [39]:L.(2.4)осреднённымиΦy = Φo +{ d{YRRw|поΦyФавруи(2.5).ρ} = ρo , p} = po , а при небольших пульсациях плотности Φ} = Φo .В результате получается система уравнений в форме Рейнольдса:••••€• 89Y78G88= ;•‚ −=;M +<=<<=̅<>:+<−<>?•••T8S8<<>?••••<9@A B <> € +?<••••„<9<>:<−C•••••<9D<>DKL M N + <> BI <> − ^= 7=<<>?•<Y<•••T<S??…M …EBUV <> − _V … M … E + WX,+<<>?… ••••…••••E − 7̅ M‚ M† F,+O P +<QR?<>?,(2.6)?•••† N = 0,K7̅ ∙ M… ••••…••••где 7̅ M‚ M† – тензор рейнольдсовых турбулентных напряжений, определенныйпопульсационнымсоставляющимскорости;CV … M …–турбулентныйдиффузионный перенос массы компонента l, посредством флуктуации скоростиM … ; cp – теплоемкость при постоянном давлении, Дж·кг-1·К-1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
