xxiii Ïανελληνιο ÏÏ Î½ÎµÎ´Ïιο ÏÏ ÏÎ¹ÎºÎ·Ï ÏÏεÏÎµÎ±Ï ÎºÎ±ÏαÏÏαÏÎ·Ï & εÏιÏÏÎ·Î¼Î·Ï ...
xxiii Ïανελληνιο ÏÏ Î½ÎµÎ´Ïιο ÏÏ ÏÎ¹ÎºÎ·Ï ÏÏεÏÎµÎ±Ï ÎºÎ±ÏαÏÏαÏÎ·Ï & εÏιÏÏÎ·Î¼Î·Ï ...
xxiii Ïανελληνιο ÏÏ Î½ÎµÎ´Ïιο ÏÏ ÏÎ¹ÎºÎ·Ï ÏÏεÏÎµÎ±Ï ÎºÎ±ÏαÏÏαÏÎ·Ï & εÏιÏÏÎ·Î¼Î·Ï ...
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
∆ιερεύνηση δυνατότητας χρήσης θερµοηλεκτρικής διάταξης για ανάκτηση<br />
απορριπτόµενης θερµότητας από τον βενζινοκινητήρα αυτοκινήτου.<br />
Ε. Χατζηκρανιώτης * , Κ. Ζορµπάς και Κ. Μ. Παρασκευόπουλος<br />
Τοµέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, Τµήµα Φυσικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης, 54124<br />
*evris@physics.auth.gr<br />
Εισαγωγή. Τα θερµοηλεκτρικά στοιχεία (TEG) µετατρέπουν την θερµική ενέργεια σε ηλεκτρική, αξιοποιώντας το<br />
φαινόµενο Seebeck. Η εφαρµογή µιας θερµοκρασιακής διαφοράς στις δύο πλευρές του θερµοστοιχείου, προκαλεί τη ροή<br />
θερµότητας από την θερµή προς την ψυχρή πλευρά, ενώ ταυτόχρονα ένα µέρος της µετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια.<br />
Περισσότερα του ενός θερµοηλεκτρικά στοιχεία µπορούν να συνδεθούν ηλεκτρικά σε σειρά ή/και παράλληλα σχηµατίζοντας<br />
µια θερµοηλεκτρική διάταξη. Η δυνατότητα χρήσης µιας θερµοηλεκτρικής διάταξης, για ανάκτηση της απορριπτόµενης<br />
θερµότητας από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης των οχηµάτων, µπορεί να βοηθήσει σηµαντικά στην παγκόσµια<br />
προσπάθεια που γίνεται τελευταία για εξοικονόµηση ενέργειας και µείωση των αερίων θερµοκηπίου. Η απορριπτόµενη<br />
θερµότητα από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης είναι πολύ µεγάλο ποσοστό της συνολικής προσφερόµενης θερµότητας<br />
από το καύσιµο. Στους βενζινοκινητήρες, κατά µέσο όρο ένα ποσοστό 75% της συνολικής θερµότητας του καυσίµου<br />
απορρίπτεται στο περιβάλλον, αναλυτικότερα 40% περίπου από τα καυσαέρια, 30% από το υγρό ψύξης του κινητήρα και<br />
5% ως θερµικές απώλειες από το σώµα του κινητήρα [1]. Η ανάκτηση του 6% περίπου της ενέργειας των καυσαερίων,<br />
σηµαίνει εξοικονόµηση καυσίµου έως 10% [2]. Οι θερµοκρασίες που αναπτύσσονται στα συστήµατα αποβολής θερµότητας<br />
είναι από υψηλές (περί τους 900 0 C στην πολλαπλή εξαγωγή) έως µέσες (περί τους 100 0 C στο υγρό ψύξης του κινητήρα),<br />
γεγονός που ευνοεί την απόδοση των θερµοηλεκτρικών στοιχείων.<br />
Οι επικρατούσες σύγχρονες τάσεις στη σχεδίαση των αυτοκινήτων, οδηγούν στην συνεχή αύξηση των ηλεκτροκίνητων<br />
εξαρτηµάτων, ενώ ταυτόχρονα µειώνεται ο διαθέσιµος χώρος κινητήρα για βελτίωση της αεροδυναµικής και αύξηση του<br />
χώρου της καµπίνας. Η χρήση της θερµοηλεκτρικής διάταξης, θα έχει αποτέλεσµα τη µείωση της ισχύος που απορροφά ο<br />
εναλλακτήρας από τον κινητήρα και ταυτόχρονα τη µείωση του µεγέθους του. Ανάµεσα στις πηγές απορριπτόµενης<br />
ενέργειας, που υπάρχουν στον βενζινοκινητήρα, περισσότερο πιθανή φαίνεται η αρχική εφαρµογή της θερµοηλεκτρικής<br />
διάταξης στον αγωγό της εξάτµισης του αυτοκινήτου. Ο βασικός λόγος γι αυτό, είναι οι υψηλές θερµοκρασίες που<br />
επικρατούν εκεί και το µεγάλο ποσοστό θερµικής ισχύος που διέρχεται.<br />
Στην εργασία αυτή γίνεται προσπάθεια να διερευνηθεί πόση ισχύ µπορεί να ανακτηθεί από την εξάτµιση ενός µεσαίου<br />
µεγέθους αυτοκινήτου µε τη χρήση συµβατικών θερµοηλεκτρικών στοιχείων και κατά πόσο θα µπορούσε να είναι<br />
οικονοµικά συµφέρουσα µια τέτοια λύση. Ωστόσο, η µεθοδολογία υπολογισµών µπορεί να εφαρµοστεί και για<br />
θερµοηλεκτρικά στοιχεία µε µεγαλύτερο “ενδείκτη αξίας” ZT και αντίστοιχα µεγαλύτερες αποδόσεις. Αναπτύχθηκε µια<br />
µέθοδος µέτρησης και ένα θεωρητικό µοντέλο υπολογισµών, που επιτρέπει τον χαρακτηρισµό της ισχύος και του βαθµού<br />
απόδοσης των θερµοηλεκτρικών στοιχείων που υπόκεινται σε διαφορετικά ηλεκτρικά φορτία και θερµοκρασιακές διαφορές.<br />
Με χρήση του υπολογιστικού µοντέλου, υπολογίζεται η αναµενόµενη απόδοση των θερµοηλεκτρικών στοιχείων σε διάφορες<br />
θέσεις της εξάτµισης, διερευνώνται οι δυνατές θέσεις τοποθέτησης της διάταξης, εξετάζονται οι επιπτώσεις στην<br />
κατανάλωση καυσίµου και συζητούνται οι τρόποι και αρχές υλοποίησης µιας τέτοιας διάταξης.<br />
Υπολογισµός της αποδιδόµενης ισχύος σε διαφορετικές θέσεις της εξάτµισης µε τη χρήση του TEG HT-9-3-25.<br />
Για τους υπολογισµούς, χρησιµοποιήθηκαν στοιχεία από ένα αυτοκίνητο µέσης κατηγορίας, µε κινητήρα ισχύος 96 ΚW και<br />
κυβισµού 1995 cc. [3], [4]. Με την παραδοχή ότι ο εναλλάκτης θερµότητας ανάµεσα στα καυσαέρια και το TEG θα είναι<br />
σχεδιασµένος ώστε να επιτυγχάνει θερµοκρασίες Τ1 της θερµής πλευράς του TEG ίσες µε τις θερµοκρασίες που<br />
αναπτύσσουν τα στοιχεία της εξάτµισης, όπως παρουσιάζονται στο σχήµα 1, υπολογίστηκαν η µέγιστη ισχύς και αποδόσεις<br />
(σχήµα 2) στις διαφορετικές θέσεις του σωλήνα της εξάτµισης µετά τον καταλύτη, ενός εµπορικά διαθέσιµου TEG της<br />
εταιρείας Melcor. Στο υπολογιστικό µοντέλο που χρησιµοποιήθηκε, λαµβάνονται υπ’ όψη οι θερµικές αντιστάσεις µεταξύ<br />
των επιφανειών εναλλαγής και των στοιχείων του TEG [5]. Οι υπολογισµοί έγιναν για µερικό φορτίο του κινητήρα, επειδή<br />
αυτή είναι η συνηθέστερη κατάσταση κατά την τυπική συνολική διάρκεια λειτουργίας ενός βενζινοκινητήρα αυτοκινήτου.<br />
1000<br />
8%<br />
Μερικό φορτίο<br />
T2=0 C<br />
900<br />
7%<br />
T2=30 C<br />
T2=60 C<br />
800<br />
700<br />
6%<br />
T2=90 C<br />
T2=120 C<br />
T (C)<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
Κεντρικός<br />
πίσω<br />
100<br />
Καταλύτης σιγαστήρας<br />
σιγαστήρας<br />
0<br />
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0<br />
← κινητήρας<br />
Μήκος εξάτµισης L (m) πίσω →<br />
Σχήµα 1: Κατανοµή θερµοκρασιών κατά µήκος του σωλήνα<br />
εξάτµισης, µε αρχή το σηµείο τέλους της πολλαπλής εξαγωγής<br />
(BMW 318i).<br />
nTEG max<br />
5%<br />
4%<br />
3%<br />
2%<br />
1%<br />
κεντρικός<br />
σιγαστήρας<br />
0%<br />
1,5 2 2,5 3 3,5 4<br />
← κινητήρας<br />
πίσω<br />
σιγαστήρας<br />
Μήκος εξάτµισης L (m) πίσω→<br />
Σχήµα 2: Μέγιστη απόδοση του TEG ΗΤ9-3-25 κατά µήκος<br />
του σωλήνα εξάτµισης µετά τον καταλύτη, για διαφορετικές<br />
θερµοκρασίες ψυχρής πλευράς Τ2.<br />
240<br />
1
Change language