19 октября 2017 | неделя четная
5 Июня 2017
Наука

Ученые ИРНИТУ разработали термоэлектрический преобразователь для алюминиевого производства

Ученые ИРНИТУ разработали термоэлектрический преобразователь энергии для снижения тепла и уменьшения физического объема технологических газов алюминиевого производства. В группу разработчиков входят инженер научно-исследовательской части Никита Иванов и ведущий научный сотрудник Инновационно-технологического центра Физико-технического института ИРНИТУ Иван Сысоев. Преимуществом данной технологии является рекуперация тепловой энергии, что позволяет добиться большей энергоэффективности производства за счет нагрева воды на производственные нужды, для отопления (охлаждения), получения дистиллированной воды, производства электроэнергии и предварительного нагрева глинозема и обожженных анодов.

Работа выполнена в рамках проекта «Разработка сверхмощной, энергоэффективной технологии получения алюминия РА-550» по заказу ОК РУСАЛ. Комплексный проект реализуется по постановлению Правительства РФ № 218 (кооперация вузов и предприятий по созданию высокотехнологичного производства).

Как подчеркивают разработчики, в связи с требованиями российского законодательства в сфере экологии и энергетики актуальными являются исследования по увеличению степени улавливания загрязняющих веществ и повышению энергетической эффективности за счет утилизации тепла отходящих технологических газов.


Снижение температуры технологических газов благоприятным образом влияет на работоспособность и долговечность газоочистного оборудования. При охлаждении электролизных газов происходит уменьшение их физических объемов, что в свою очередь уменьшает затраты на эксплуатацию газоочистных установок (ГОУ).

Необходимость охлаждения обусловлена тем, что в теплое время года температура газов на входе в ГОУ может достигать 190°С, а рукавные фильтры из полиэстера, применяющиеся в последние годы в технологии газоочистки, имеют предельные эксплуатационные значения 140/145°С. Применение фильтров из термостойких тканей, выдерживающих температуру свыше 200°С, приведет значительному удорожанию.

По мнению ряда авторов, одним из самых эффективных решений для утилизации тепла является применение теплообменных аппаратов. Способ не лишен недостатков, т.к. требует обслуживания из-за склонности трубчатки к засорению. При этом необходимо использовать дополнительное оборудование (водяной трубопровод, теплообменный контур, измерительное оборудование и др.).

Как рассказал И. Сысоев, термоэлектрический преобразователь (ТЭП) представляет собой полупроводниковый генератор, вырабатывающий электрический ток за счет разницы температур на его противоположных поверхностях. Внутри ТЭП располагается ряд из термоэлектрических модулей, работа которых основана на эффекте Зеебека. Суть данного эффекта заключается в появлении электродвижущей силы за счет возникновения разности потенциалов в цепи из разнородных полупроводниковых материалов при создании градиента температур.

Основными функциями ТЭП являются снижение температуры и физического объема очищаемых газов на участке входного газохода в систему установки охлаждения газов, преобразование термической энергии очищаемых газов в электрическую энергию на основе эффекта Зеебека и питание приборов энергопотребления, находящихся в технологической зоне.

Одна сторона ТЭП (теплосъемник) выполнена в виде плоской теплопроводящей поверхности, которая закрепляется на горячей плоскости системы с теплоносителем (воздушным, газовым, жидкостным). Вторая сторона (радиатор) представляет собой модуль охлаждения, в который под давлением подается охлаждающая жидкость.

На рисунке приведен принцип работы ТЭП (1-источник тепла, 2-ТЭП, 3-теплосъемная панель, 4-термоэлектрические модули, 5-радиатор охлаждения, 6-источник водоснабжения), а также изображен общий вид ТЭП для участка входного газохода в систему установки охлаждения газов.                    

В состав ТЭП входят термоэлектрические модули, которые устанавливаются на теплосъемную пластину (теплосъемник) посредством фиксирования на кремний-органическую пасту и прижима радиатора охлаждения монтажным уголком с болтами, имеющими возможность контроля момента затяжки. Электрическое соединение термоэлектрических модулей между собой осуществляется параллельно, последовательно или параллельно-последовательно в блоке коммутации, в зависимости от требуемых выходных параметров.

Разработчики испытали опытный образец. Согласно требованию технического задания была определена минимальная мощность одного ТЭП, которая с учетом имеющейся площади поверхности участка входного газохода составляет 14 Вт. В результате проведенных работ были определены основные характеристики опытного образца ТЭП (вырабатываемая средняя мощность 24 Вт; максимальная рабочая температура 200°C; рекомендуемая температура охлаждающей жидкости 30°C; давление в системе охлаждения не более 10 бар).

«В результате проведенных исследований измерены основные выходные величины (напряжения и силы тока) термоэлектрического преобразователя для различных температурных режимов работы. Испытания показали стабильную работу преобразователя при установившемся режиме теплообмена.

Наилучшие измеренные выходные показатели были получены при градиенте температур 170°С (200°С горячая сторона и 30°С холодная) между поверхностями термоэлектрического модуля, вырабатываемая мощность для одного модуля составила 4Вт.

Худшие показатели наблюдались при градиенте температур 70°С (150°С горячая сторона и 80°С холодная), мощность при этом составила 0,75Вт», - прокомментировал И. Сысоев.

Разработчики подчеркивают, что, таким образом, в системах газоходов, где существует достаточное количество тепловой энергии, которую необходимо утилизировать, представляется возможным использовать ТЭП с целью выработки электроэнергии для технологических нужд.

июнь
2017
пн
вт
ср
чт
пт
сб
вс
3
4
10
11
12
17
18