Rozkład temperatury na ściankach generatora termoelektrycznego

Ważnym czynnikiem wpływającym na uzyskaną moc generatora ATEG2 jest rozkład temperatury na jego ściankach. Ze względu na charakter pracy modułów TEM musi on być równomierny na każdym z nich. W opracowanej konstrukcji zastosowano 24 komercyjne moduły TEM, które połączono szeregowo w jeden układ.

W takim połączeniu prąd przepływa przez wszystkie elementy, zachowując stałą wartość natężenia I, natomiast sumowaniu ulega napięcie elektryczne U. W przypadku modułów TEM jego wartość jest ściśle związania z różnicą temperatury między stroną gorącą TG a stroną zimną Tz. Jeżeli w układzie szeregowym wystąpią różnice temperatury między poszczególnymi modułami TEM, to zmianom ulegnie sumaryczna wartość napięcia i natężenia prądu jaką wygeneruje układ. Przełoży się to na moc generatora ATEG2. Z tego względu przedstawiono analizę rozkładu temperatury na poszczególnych ściankach generatora ATEG2 podczas wykonanych badań. Jak przedstawiono w rozdziale 8. generator składa się z czterech ścianek, które na potrzeby niniejszej analizy oznaczono jako: ścianka górna, dolna, lewa i prawa. Na górnej i dolnej umieszczono dwa rzędy po cztery moduły TEM, natomiast na bocznych (lewa i prawa) jeden rząd modułów. Na każdą stronę gorącą T_G przypadał jeden czujnik do pomiaru temperatury. Punkty pomiaru temperatury na ściankach generatora ATEG2 oznaczono w następujący sposób (rys. 9.14):

a) górna prawa ścianka GP – t_11, t₁₂, t₁₃, t₁₄, b) górna lewa ścianka GL – t21, t22, t23, t24, c) prawa ścianka P – t31, t32, t33, t34, d) lewa ścianka L – t₄₁, t₄₂, t₄₃,t₄₄,

e) dolna prawa ścianka DP – t51, t52, t53, t54, f) dolna lewa ścianka DL – t61, t62, t63, t64.

Rys. 9.14. Rozmieszczenie punktów pomiaru temperatury na ściankach generatora ATEG2

W generatorze ATEG2 temperaturę mierzono w 24 punktach. Przeprowadzona analiza otrzymanych wyników wykazała, że różnice temperatury między poszczególnymi modułami TEM nie były znaczące i wykazywały zależność liniową.

Z tego względu przedstawiane będą wyłącznie dane z pierwszego i ostatniego modułu TEM w danym rzędzie. W odzwierciedlonym teście homologacyjnym NEDC oraz

w odzwierciedlonym cyklu jezdnym wykonanych na dynamicznym silnikowym stanowisku hamulcowym z silnikiem 1,3 SDE uzyskano zbliżone rozkłady temperatury na poszczególnych ściankach (rys. 9.15 i 9.16). Badania rozpoczynano przy ustabilizowanym stanie cieplnym silnika – temperatura cieczy chłodzącej wynosiła 90^oC. Silnik przed każdym pomiarem rozgrzewano, a następnie stosowano przerwy w celu ustabilizowania temperatury na ściankach wymiennikach. Różnicę temperatury miedzy pierwszym a ostatnim modułem TEM na każdej ściance obliczano dla średniej wartości uzyskanej w całym cyklu pomiarowym:

a) Δt1 = t11 – t14, b) Δt2 = t21 – t24, c) Δt₃ = t₃₁ – t₃₄, d) Δt4 = t41 – t44, e) Δt5 = t51 – t54, f) Δt₆ = t₆₁ – t₆₄.

W odzwierciedlonym teście homologacyjnym NEDC maksymalna temperatura na ściankach generatora ATEG2 nie przekroczyła 100^oC i była niższa niż uzyskana w odzwierciedlonym cyklu jezdnym. Na górnej i dolnej ściance wymiennika ciepła największy spadek temperatury zarejestrowano dla Δt6. Wynosił on 6,16^oC (rys. 9.15a). Na bocznych ściankach różnice te były mniejsze i wyniosły odpowiednio Δt3 = 4,3^oC i Δt4 = 5,2^oC.

W odzwierciedlonym cyklu jezdnym różnice średniej temperatury miedzy krańcowymi modułami TEM były mniejsze od zarejestrowanych w teście homologacyjnym NEDC. Jedynie na prawej ściance generatora ATEG2 różnica ta była nieznacznie większa (rys. 9.16b). Uzyskanie takich rozkładów temperatury na ściankach wymiennika ciepła przekłada się na wartości napięcia i natężenia prądu generowane przez wszystkie moduły TEM w danym rzędzie. Porównując temperaturę ścianek górnej i dolnej z bocznymi, zaobserwowano większe różnice niż w przypadku spadku zarejestrowanego między skrajnymi modułami – pierwszym, a ostatnim.

Rys. 9.15. Rozkład temperatury w generatorze ATEG2 zamontowanym w układzie wylotowym silnika 1,3 SDE w odzwierciedlonym teście homologacyjnym NEDC:

a) ścianki górna i dolna, b) ścianki boczne

W przypadku silnika 1,2 TSI przedstawiono wyniki przy momencie obrotowym Mo = 20 Nm we wszystkich charakterystykach obciążeniowych. Przy pierwszej prędkości obrotowej wału korbowego n =1800 obr/min silnika zarejestrowano najmniejsze różnice między skrajnymi modułami TEM na każdej ze ścianek (rys. 9.17).

Obliczano je w taki sam sposób jak dla pomiarów wykonanych na silniku 1,3 SDE. Na ściance górnej różnice te wyniosły dla prawej strony Δt1 = 0,7^oC, a dla lewej Δt₂ =0,8^oC. Nieznacznie większe różnice zarejestrowano zarówno dla ścianki dolnej,

jak i dla ścianek bocznych. Porównując przebiegi temperatury między ściankami, zaobserwowano, że są one zbliżone. Świadczy to o równomiernym rozkładzie strumienia ciepła w wymienniku generatora ATEG2 dla omawianego punktu pracy silnika spalinowego.

9.16. Rozkład temperatury w generatorze ATEG2 zamontowanym w układzie wylotowym silnika 1,3 SDE w odzwierciedlonym cyklu jezdnym: a) ścianki górna i dolna, b) ścianki boczne

Rys. 9.17. Rozkład temperatury w generatorze ATEG2 zamontowanym w układzie wylotowym silnika 1,2 TSI przy n = 1800 obr/min i M_o = 20 N∙m: a) ścianki górna i dolna, b) ścianki boczne

Przy pozostałych dwóch charakterystykach obciążeniowych zarejestrowano większe różnice temperatury występujące zarówno między skrajnymi modułami, jak i między ściankami generatora ATEG2 niż w pierwszym przypadku. Zaobserwowano natomiast, że przy n = 2200 i 2600 obr/min różnice temperatury odnotowane na ściance dolnej Δt5 i Δt6 są porównywalne (rys. 9.18 i 9.19). W przypadku ścianki górnej po prawej stronie większy spadek temperatury zanotowano dla n = 2200 obr/min. Po lewej stronie ścianki tendencja ta była odwrotna – większa różnica Δt2 wystąpiła przy n = 2600 obr/min. Były to jednak mało znaczące różnice. W pozostałych przypadkach były one większe, lecz nie przekroczyły 20^oC. Ma to odzwierciedlenie w wartościach mocy generowanej przez moduły TEM – każda różnica temperatury wpływa na ich sprawność konwersji strumienia energii. Zjawisko to jest powszechne w generatorach ATEG, które bada się dla przemysłu motoryzacyjnego. Zasadniczy wpływ ma zachowanie osiowości umieszczenia generatora ATEG2 względem przepływającego strumienia gazów wylotowych. W układzie wylotowym każdego silnika przepływ gazów wylotowych nie ma charakteru laminarnego. Występują w nim wszelkiego rodzaju pulsacje ciśnienia związane zarówno ze spalaniem mieszanki paliwowo-powietrznej w komorze, jak i z ukształtowaniem oraz konfiguracją układu wylotowego.

Powodują powstawanie zawirowań oraz drgań, które znacząco wpływają na rozkład strumienia energii odpadowej w samym układzie wylotowym oraz jego składowych.

Rys. 9.18. Rozkład temperatury w generatorze ATEG2 zamontowanym w układzie wylotowym silnika 1,2 TSI przy n = 2200 obr/min i Mo = 20 N∙m: a) ścianki górna i dolna, b) ścianki boczne

Rys. 9.19. Rozkład temperatury w generatorze ATEG2 zamontowanym w układzie wylotowym silnika 1,2 TSI przy n = 2600 obr/min i Mo = 20 N∙m: a) ścianki górna i dolna, b) ścianki boczne

W wymienniku ciepła generatora ATEG2 zastosowano specjalne żebra o zmiennym przekroju w celu zapewnienia równomiernego rozkładu temperatury na jego ściankach. W przypadku ich braku rozkład ten miałby zupełnie innych charakter, co potwierdziły wykonane badania, w których wykorzystano narzędzia numerycznej mechaniki płynów. Wskutek analizy otrzymanych wyników dla wszystkich punktów pomiarowych silnika 1,2 TSI stwierdzono, że w dalszych pracach rozważyć należy zbudowanie generatora ATEG2 składającego się z modułów TEM nisko i wysokotemperaturowych. Te drugie powinny być umieszczone w pierwszej części wymiennika ciepła, natomiast niskotemperaturowe moduły TEM w ostatniej. Zwiększy to sprawność odzysku energii odpadowej, co przełoży się na wzrost mocy generatora ATEG2. W ostatnim czasie na rynku pojawiły się komercyjne moduły TEM bazujące na Bi2Te3 z domieszką Pb, których współczynnik efektywności termoelektrycznej ZT zbliżony do 1 występuje przy 350^oC. Ich wykorzystanie planowane jest przy kolejnych pracach związanych z tematyką przedstawianą w dysertacji doktorskiej.

9.2. Wpływ zastosowania generatora termoelektrycznego na