Исследование эффективности использования термоэлектрических генераторов в комплексах СПГ

1. Исследование эффективности использования термоэлектрических генераторов в комплексах СПГ

ТЕРРИТОРИАЛЬНАЯ УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ
КОНФЕРЕНЦИЯ УЧАЩИХСЯ
СЕКЦИЯ “Физика”
Исследование эффективности
использования
термоэлектрических генераторов
в комплексах СПГ
Выполнил: Пудовкин Леонид Евгеньевич, учащийся 11 «Б» класса ГБОУ
СОШ №5 «Образовательный Центр» г.о. Новокуйбышевска Самарской
области.
Научный руководитель: Угланов Дмитрий Александрович,
доцент, кандидат технических наук, заведующий лабораторией
«Энергосберегающие и энергоэффективные технологии» НОЦ ГДИ СГАУ.

2.

Цель работы: оценка перспективы использования
термоэлектрического генератора в составе
промышленного газификатора сжиженного природного
газа.
В ходе выполнения работы передо мной ставились
следующие задачи:
1. Изучение научной литературы по вопросу
использования сжиженного природного газа.
2. Теоретический расчёт и оценка параметров испарителя
и ТЭГ.
3. Экспериментальное изучение термоэлектрических
свойств ТЭГ в условиях низких температур.
4. Расчёт экономической эффективности использования
ТЭГ.

3.

Результаты расчёта параметров испарителя
Параметр
Участок
1
2
3
539307
48396
266,49
α2- коэффициент
теплоотдачи от воздуха
к оребрению труб
испарителя, Вт/м2
21,22
21,22
21,22
Φ- коэффициент
25,27
25,27
25,27
535,67
530,35
178
Q- тепловой поток, Вт
85707
79553
14865
Tct1- температура
130,17
150,85
247,25
133,3
222,8
285,6
α1- коэффициент
теплоотдачи от метана
к внутренним стенкам
труб испарителя, Вт/м2
оребрения
К- коэффициент
теплопередачи тепла через
стенку, Вт/м2∙К
внутренней поверхности
труб, К
Tct2- температура
поверхности оребрения
труб, К.

4.

Расчёт параметров ТЭГ
.

5.

Результаты теоретического
расчёта и экспериментальной
проверки
Параметр
Участок
1
2
3
n (расч), шт
1305
1162
2116
n (эксп), шт
262
253
248
P (расч) модуля, Вт
0,0115
0,0118
0,003
P (расч) блока, Вт
15
13,7
6,3
Р (эксп) модуля, Вт
0,29
0,27
0,25
Р (эксп) блока, Вт
76
68,3
61,75

6.

Учитывая, полученную экспериментальную
мощность одного термоэлектрического модуля,
потребуется около 18000 модулей.
Стоимость одного модуля 30х30мм по ценам 2014 года
равна 200 руб. Соответственно, стоимость блока ТЭГ
на участке испарителя может составить 3,6 млн руб.,
что при стоимости электроэнергии в 7,5руб/кВт·ч даёт
прямой срок окупаемости в 9-10 лет.
На сжижение 1 кг СПГ затрачено около 0,4 кВт/ч.
Отсюда, мощность энергии на сжижение 1000 кг
(расход СПГ в испарителе) составит около 400 кВт/ч.
Суммарная мощность, вырабатываемая ТЭГ около 4,8
кВт/ч., следовательно, за счёт использования ТЭГ в
промышленных газификаторах возвращается около
1,2% энергии, затраченной ранее на сжижение газа.

7. Термоэлектрический генератор

Работа термоэлектрического генератора основана на явлении
возникновения термоэлектродвижущей силы в замкнутой
цепи, образованной двумя разнородными проводниками за
счёт разности температур их спаев.

8.

Параметры термоэлектрического
генератора
Длина х Ширина х Высота
30х30х3 мм
Внутреннее
сопротивление, Ом
1,4 при Т=25°C
КПД, %
4,3
Тепловое сопротивление,
К/Вт
1,69

9. Схема установки испытания

1- термос с жидким азотом; 2 - алюминиевая труба; 3 - ТЭГ;4- радиатор;
5- резистор; 6 – вольтметр; 7 – амперметр; 8 – ОВЕН; 9- компьютер;
10 – вентилятор.

10. Схема установки испытания. Вольтметр и амперметр

11.

Вольтамперная характеристика на первом
участке

12. Вольтамперная характеристика на втором участке

13.

Вольтамперная характеристика на третьем
участке

14.

Этап пересчёта характеристик ТЭГ на первом участке
испарителя
nVoc nRI 220В , RL= mnR
Voc 1, 2 В
Z
2
R
2
B
R A A B B 0, 0075 0, 002 0.01 0, 003 88,36 10
K
,
2
0,00152
6
1
Z
25464
10
K
88,36 10 6
2
T
,
6
247 133,3
190,15K
2
m 1 T Z 1 190,15 25464 10 6 2,31
I 0,166 A
RL
220 B
1325Ом
0,166 A
220 573 0,166
n
262шт.
0,166
nR
RL 1325
573
m 2,31

15. Этап пересчёта характеристик ТЭГ на первом участке испарителя

Voc 2 m
1, 22 2,31
P
0, 29 Вт
2
2
Rac (1 m)
1, 05 (1 2,31)
VOCbat nVoc 262 1, 2 314, 4B
P
пересчет
bat1
nP 262 0, 29 76 Bт
P пересчетbat1 73
4,8
Pbat1
15

16.

Этап пересчёта характеристик ТЭГ на втором участке испарителя
nVoc nRI 220В , RL= mnR
Voc 1, 2 В
Z
2
R
2
B
, R A A B B 0, 0075 0, 002 0.01 0, 003 88,36 10
K
2
0,00172
6
1
Z
32707
10
K
88,36 10 6
2
T
,
6
218 153
185,5 K
2
m 1 T Z 1 185,5 32707 10 6 2, 65
RL
I 0,133 A
n
220 B
1654Ом
0,133 A
nR
220 624, 2 0,133
252,5 253шт.
1, 2
RL 1654
624, 2
m 2, 65

17. Этап пересчёта характеристик ТЭГ на втором участке испарителя

Voc 2 m
1, 22 2,65
P
0, 27 Вт
2
2
Rac (1 m) 1,05 (1 2,65)
VOCbat nVoc 253 1, 2 303,6B
Pbat nP 253 0, 27 68,3Bт
P
пересчет
bat 2
Pbat 2
68,3
4,96
13,7

18. Этап пересчёта характеристик ТЭГ на третьем участке испарителя

nVoc nRI 220В , RL= mnR
Voc 1, 2 В
Z
2
2
B
R A A B B 0, 0075 0, 002 0.01 0, 003 88,36 10
K
2
R
0,0022
6
1
Z
45269
10
K
88,36 10 6
2
T
,
6
193 250, 7
221,9 K
2
m 1 T Z 1 221,9 32707 10 6 2,87
I 0,12 A
RL
220 B
1833,3Ом
0,12 A
nR
220 638,8 0,12
n
247, 2 248шт.
1, 2
RL 1833,3
638,8
m
2,87

19. Этап пересчёта характеристик ТЭГ на третьем участке испарителя

Voc 2 m
1, 22 2,87
P
0, 25Вт
2
2
Rac (1 m) 1,1 (1 2,87)
VOCbat nVoc 247 1, 2 296, 4B
Pbat nP 247 0, 25 61,75Bт
P
пересчет
bat1
Pbat1
61, 75
9,8
6,3

20. Расчёт экономической эффективности

N mi n
1)
2)
N 228 16 3648шт
N 457 16 7312шт
Pбат Рi Ni
1)
Pбат1 0, 29 3648 1058Вт
2)
Pбат 2 0, 27 7312 1974,5Вт
3) Pбат3
3)
0, 25 7312 1828Вт
N 457 16 7312шт
P Pбат1 Pбат2 Pбат3 1058 1974,5 1828 4830,5Вт

21. Расчёт экономической эффективности

1. Стоимость блока ТЭГ на первом участке по ценам 2013-2014г
составляет 2 188 800 руб.
(стоимость одного модуля 30х30мм равна 600 руб.)
2. Стоимость блока ТЭГ на втором участке по ценам 2013-2014г
составляет 4 387 200 руб.
3. Стоимость блока ТЭГ на третьем участке по ценам 2013-2014г
составляет 4 387 200 руб.
Общая стоимость на испаритель составит 10 963 200 руб.
При средней стоимости электроэнергии для промышленных
предприятий 6,5 кВт/ч прямой срок окупаемости составит 39,9 лет.

22. Расчёт экономической эффективности

С учетом снижения стоимости ТЭГ в течение
последних 15 лет, по прогнозам к 2025 году
стоимость одного модуля ТЭГ составит 100 руб.,
тогда, при той же средней стоимости электроэнергии
для предприятий, прямой срок окупаемости
уменьшится до 6,6 лет.

23. Вывод

В результате выполнения работы:
1. Были исследованы экспериментальным путём
характеристики ТЭГ в условиях криогенных
температур.
2. Было определено необходимое количество ТЭГ
для получения дополнительной электроэнергии.
3. Был подобран оптимальный режим его работы.

24. Спасибо за внимание!