Разработка термогенератора, который будет использовать тепло двигателя для зарядки автомобильного аккумулятора

Разработка термогенератора, который будет использовать тепло двигателя для зарядки автомобильного аккумулятора

ВВЕДЕНИЕ

термоэлектрический генератор автомобиль топливо

Актуальность исследования. Современный мир невозможно представить себе без автомобилей. Если только 80 лет назад они были чем-то фантастическим, то сейчас это уже необходимый агрегат для каждого человека с нормальным достатком. Неудивительно, что на данный момент есть много вопросов по конструкции автомобиля, требующие решения. Одной из важных проблем современных авто есть подзарядка автомобильного аккумулятора. На данный момент основным способом подзарядки является использование ременной передачи от коленчатого вала двигателя к валу индукционного электрогенератора, который заряжает аккумулятор и питает электрические приборы автомобиля. Такая конструкция далека от совершенства. Во-первых, при такой передаче теряется значительное количество энергии, во-вторых, с ремнем и собственно самим генератором часто возникают проблемы, из-за чего они требуют замены.

Таким образом, возникает проблема создания нового типа автомобильных генераторов, не имеющих перечисленных недостатков.

Объектом исследования является изучение работы термогенераторов, которые смогут стать заменой индукционных автомобильных генераторов.

Предметом исследований является разработка нового автомобильного генератора работающего за счет тепла, выделяемого двигателем авто.

Рабочая гипотеза исследования: можно создать новый автомобильный термогенератор, который будет подходить для всех конструкций двигателей и сможет полностью заменить старые модели автомобильных генераторов.

Цель исследования: разработать термогенератор, что будет использовать тепло двигателя для зарядки автомобильного аккумулятора.

Чтобы достичь этой цели необходимо решить следующие задачи:

. Проанализировать принцип работы и возможности современных термогенераторов.

. Установить физические процессы, которые можно использовать для создания автомобильного термогенератора.

. Разработать эффективный автомобильный термоелектрогенератор.

В процессе работы были использованы следующие методы исследования:

теоретический анализ исследуемой проблемы;

теоретический анализ физических процессов для создания такого термогенератор;

физико-технический эксперимент, который позволит подтвердить эффективность использования такого генератора.

Научная новизна проведенного научного исследования состоит в следующем:

Впервые предложен универсальный термогенератор, который можно использовать для любых конструкций автомобильных двигателей, и сможет полностью заменить индукционные электрические генераторы автомобилей.

Практическая значимость полученных результатов - это создание термоэлектрического генератора, который упрощает обслуживания автомобиля и уменьшает расход топлива.

1. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ЗАРЯДКИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ.

.1 Строение индукционного генератора автомобиля

На данный момент основным способом подзарядки автомобильного аккумулятора, есть генератор, который на основе явления электромагнитной индукции превращает механическую энергию движения коленчатого вала в электроэнергию. Он имеет следующее строение (рис. 1.1)

Рис. 1.1

. Шкив - предназначен для передачи механической энергии от двигателя к валу генератора с помощью ремня.

. Корпус генератора - состоит из двух крышек: передней (со стороны шкива) и задней (со стороны контактных колец), предназначенные для крепления статора, установка генератора на двигателе и размещения подшипников (опор) ротора. На задней крышке размещены диодный мост (выпрямитель электрического тока), щеточным узел, регулятор напряжения и внешние выводы для подключения к системе электрооборудования.

. Ротор - стальной вал с размещенным на нем двумя стальными втулками кпювоподибной формы. Между ними находится обмотка возбуждения, выводы которой соединены с контактными кольцами. Генераторы оборудованы преимущественно цилиндрическими медными контактными кольцами.

. Статор - пакет, набранный из стальных листов, что имеет форму трубы. В его пазах размещена трехфазная обмотка, в которой производится ЭДС генератора, то есть в автомобильных генераторах роль якоря играет статор.

. Диодный мост - объединяет шесть мощных диодов установленных по три в положительном и отрицательном направлении, предназначен для выпрямления переменного тока.

. Регулятор напряжения - устройство, поддерживающее напряжение электрической системы автомобиля в заданных рамках при изменении электрической нагрузки, частоты вращения ротора генератора и температуры окружающей среды.

. Щеточный узел - пластмассовая конструкция, в которой установлены подпружиненные щетки, контактирующие с кольцами ротора;

. Крышка диодного модуля - защищает генератор от повреждений.

1.2 Принцип действия индукционного генератора автомобиля

Автомобильный индукционный генератор работает по следующему принципу. При работе двигателя автомобиля, механическое движение коленчатого вала передается ротору генератора с помощью клинового ремня. В этот момент на кольца индуктора генератора с помощью щеток подается напряжение. В индукторе возникает ток, создающий магнитное поле. Так как индуктор является ротором, т.е. вращается, то создаваемое им магнитное поле будет переменным. Это переменное магнитное поле пронизывает обмотку статора и порождает в ней переменный ток. Далее с помощью диодного моста переменный ток преобразуют в постоянный. Далее он подается к регулятору напряжения, а оттуда к электрической системе автомобиля. Напряжение в этой системе, при работающем генераторе, примерно равно 13,5-14,5 В. Это выше уровня напряжения в аккумуляторе, поэтому этот ток способен заряжать аккумулятор. Такие генераторы имеют КПД 50-60% и мощность 500 - 700 Вт.

Слабыми местами такого генератора является щёточный узел и диодный мост. Именно они чаще всего выходят из строя, что влечет отказ в работе генератора. Также периодической замены требует ремень ременной передачи генератора. Кроме того, генератор потребляет энергию двигателя, уменьшая его мощность (с учетом КПД генератора) примерно на 1000 Вт.

Исходя, из потребленной мощности установим количество горючего, которое тратится на работу генератора автомобиля в течение одного часа.

Работу генератора А найдем по формуле -

 (1.1)

где Р - мощность генератора, t - время работы генератора. Эта работа выполняется за счет сгорания топлива в двигателе автомобиля. Поэтому ее можно рассчитать следующим образом -

 (1.2)

где η - КПД двигателя, а Q - количество теплоты полученной за счет сгорания топлива. Пусть КПД теплового двигателя 40%. Q найдем по формуле -

 (1.3)

где q - удельная теплота сгорания топлива (для бензина q = 4,6 · 107 (Дж / кг)). Массу m найдем по формуле , где ρ - плотность топлива (для бензина ρ = 700 (кг/м3)), а V - объем топлива. С учетом приведенного выше имеем -

 (1.4)

Откуда -

 (1.5)

Подставим к полученному выражению данные -

.

То есть, при движении автомобиля по городу со средней скоростью 50 км/ч, на каждые 100 км для обеспечения работы генератора расходуется около 0,56 л бензина.

Выводы: автомобильные индукционные генераторы требуют постоянного технического обслуживания и потребляют значительное количество топлива, поэтому они требуют хотя бы какой альтернативы, или - полной замены на более современные генераторы.

2. АВТОМОБИЛЬНЫЙ термогенератор

.1 Теплопередача

Применение автомобильного термогенератора требует ознакомления с явлением теплопередачи [1] [2]. Теплопередачей называют изменение внутренней энергии термодинамической системы без выполнения над ней работы. В нашем устройстве тепло будет передаваться от горячей трубы глушителя через песок в термогенератор (Рис. 2.1) далее его часть будет превращаться в электрическую энергию, а часть рассеиваться в окружающую среду.

Рис. 2.1

В такой системе процесс передачи теплоты происходит в 3 стадии (Рис. 2.2):

Рис. 2.2

- Теплоотдача от поверхности глушителя к песку, описывают формулой -

Q = kαStΔT1 (2.1)

Теплопроводность через песок; описывают формулой

 (2.2)

Теплоотдача с поверхности песка к термогенератору, описывают формулой

Q = αStΔT3. (2.3)

Совокупность этих трех таких процессов называется теплопередачей.

Если Q - количество теплоты, переносится через песок, k - коэффициент теплопередачи, S - площадь поверхности, через которую происходит теплопередача, l-толщина теплопроводного слоя песка, t - длительность процесса, разница температур двух сред, α1 - коэффициент теплоотдачи на первой граничной поверхности песка, α2 - коэффициент теплоотдачи на второй предельной поверхности песка, теплопроводность твердого тела (песка) (табличная величина), то с учетом того, что тепловой поток на всех участках теплообмена должен оставаться постоянным, имеем:

 (2.4)

При этом сумма всех ризниц температур равна общей разности температур:

ΔТ = ΔТ1 + ΔТ2 + ΔТ3. (2.5)

Из выражений (2.4) и (2.5) получается.

Преобразуем выражение (2.6)

 (2.7)

Величина, обратная выражения в скобках, называется коэффициентом теплопередачи:

 (2.8)

Таким образом, процесс теплопередачи является табличной величиной и описывается формулой

 (2.9) .

Единица СИ коэффициента теплопередачи [k]=.

Величину

/kS (2.10)

называют тепловым сопротивлением. Тепловое сопротивление зависит от S - площади поверхности по которой проходит тепло и коэффициента теплопередачи - k.

2.2 Термоэлектрический генератор

Термоэлектрогенератор - устройство предназначено для непосредственного преобразования тепла в электрическую энергию [3]. Принцип его действия основан на эффекте Зеебека - явлении возникновения ЭДС в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при разных температурах.

Рис. 2.3

Рис. 2.4

Современный термогенератор изготавливают из полупроводников. В полупроводниках кинетическая энергия теплового движения свободных электронов увеличивается пропорционально абсолютной температуре. Отсюда следует, что если в полупроводнике создать разность температур, то на горячем конце концентрация свободных электронов увеличится. Поэтому в полупроводнике начнется перемещение их (диффузия) в направлении от горячего конца к холодному; холодный конец полупроводника зарядится отрицательно, а горячий - положительно, поскольку он теряет часть электронов, переходящих к холодному концу (Рис. 2.4). В результате появится разность потенциалов между концами полупроводника. В дырочном полупроводнике горячий конец, наоборот, заряжает отрицательно а холодный - положительно. Процесс диффузии зарядов, вызванный наличием градиента температуры, будет продолжаться до тех пор, пока

возникшая разность потенциалов не будет компенсировать этот диффузионный поток электрическим током обратного направления. Это равновесие и определит возникшую термоэлектродвижущей силу.

Как правило, полупроводниковый термоэлемент состоит из двух полупроводников различного типа, соединенных металлической пластинкой (Рис. 2.5).

Рис. 2.5

В месте соединения полупроводники нагреваются, а другие концы их охлаждаются воздухом или другим способом и являются полюсами термоэлемента, в которых сочетается внешнюю цепь. С термоэлементов составляют термоэлектрические батареи.

Величина термоэлектродвижущей силы полупроводникового термоэлемента определяется по формуле ξ = (α1 + α2) (Т1-Т2), где ξ - термоэлектродвижущей сила, возникающая в городе соединения двух проводников, а α1, и α 2 - термоэлектродвижущей силы в каждом полупроводнике при разности температур на его концах 1 °С. Обычно один термоэлемент не может обеспечить достаточной электрической мощности. Поэтому современные термоэлектрические модули соединяют «змейчатым» способом и размещают в защитном корпусе Рис. 2.6.

Рис. 2.6

Рис. 2.7

Сам прибор в вертикальном разрезе должен иметь вид изображенный на рис. 2.6.

Он имеет вид цепи, звеньями которого являются термоэлектрический модуль китайского производства PELTIER2 (Рис. 2.7) размером 40х40 мм, рассчитанный на производство тока 6А при напряжении 15В, если разница температур между горячим и холодным спаями составляет 200 ° С.

Для увеличения силы тока модули имеют параллельное подключение. Звенья цепи механически соединены между собой скобой металлическими скобами.

Рис. 2.8

Из рисунка 2.9 видно, что генератор будет одеваться на выхлопную трубу.

Рис. 2.9

В разных автомобилей трубы глушителя имеют разный диаметр. Обычно максимальный диаметр труб 35 мм. Поэтому внутренний диаметр нашей насадки будет 40 мм. Полость между насадкой глушителем будет заполняться песком, так как он обладает высокой теплопроводностью, и затыкаться асбестовыми пробками, устойчивых к высоким температурам.

К устройству можно добавить охлаждающие пластины. Роль охлаждающих пластин состоит в следующем. Как нам ясно из формул раздела 2.1, теплоотдача напрямую зависит от площади поверхности по которой она осуществляется. Таким образом увеличив площадь поверхности теплоотдачи, мы снизим температуру холодного спая, приближая ее к температуре среды. Это и является одной из самых главных условий эффективности термогенератор, разница температур. На проводники что соединять генератор с электрическим оборудованием автомобиля будет установлен диод, который будет предотвращать разряда аккумулятора через генератор в то время когда система выключена. Такая разрядка возможна благодаря эффекту Пельтье, который является обратным эффекту Зеебека.

Таким образом, можно создать термогенератор который будет питать автомобильный аккумулятор и бортовую систему автомобиля.

3. Экспериментальные исследования

.1 Экспериментальное исследование падения температуры при прохождении тепла сквозь слой песка

Песок в автомобильном термогенераторе выполняет две функции:

Во-первых, он является уплотнителем, через который передается тепло;

Во-вторых, температура, которая передается от трубы глушителя при передаче тепла через песок должна снизиться, до рабочей температуры термоэлектрического модуля (300 ° С).

Чтобы проверить пригодность песка как уплотнителя проведем исследование его теплопроводности. Для этого соберем следующую установку (рис. 3.1)

Рис. 3.1

Рис. 3.2

В сосуд 3 наберем немного воды и поставим ее на электрическую плитку. На малую глубину в воду окунем сосуд со слоем песка толщиной 1 см. В песок и воду окунем термометры. Если включить плитку в электрическую сеть вода начинает нагреваться и передавать тепло песка. По показаниям термометров 1 и 2 можно построить график рис. 3.2.

Из наших исследований следует, что при прохождении тепла через слой песка толщиной 1 см температура снижается на 30%. Поэтому, если труба глушителя имеет температуру 400°С, то температура горячей поверхности автомобильного термогенератор составит 280 ° С, что вполне достаточно для работы генератора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данный прибор является абсолютно новым по своему принципу действия и имеет ряд преимуществ перед своими аналогами, а именно:

. Повышает экономичность работы автомобиля;

. Надежный;

. Прост в изготовлении и использовании;

. Имеет малые габариты;

. Имеет относительно низкую себестоимость;

. Значительно упрощает устройство авто;

. Экономит топливо, а значит, уменьшает выбросы в окружающую среду;

. Уменьшает тепловые выбросы за счет отъема тепла.

Все вышеприведенные замечания на эффективность применения данного генератора для коммерческого использования.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.   Андріївський С.К. Книга для читання з фізики. / Молекулярна фізика і теплота / С.К. Андріївський, М.А. Пушкарьов - К.: Радянська школа, 1958 - Частина ІІ. - 218 с.

2.      Елементарний підручник фізики: Механіка. Теплота. Молекулярна фізика: у 3т. / за редакцією Г.С. Лансдберга. - К.: Радянська школа, 1968.

.        Т. 1. - 1968 - 556 с.

.        Елементарний підручник фізики: Електрика і магнетизм: у 3т. / за редакцією Г.С. Лансдберга К.: Радянська школа, 1967.