Моделирование термоэлектрического микрогенератора с каталитическим источником тепла на газовом топливе
В работе представлены результаты исследований микрогенератора с каталитическим источником тепла на газовом топливе. Предложена модель микрогенератора со встречной подачей реагентов на катализатор....
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
|---|---|
| Дата: | 2008 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2008
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/52405 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Моделирование термоэлектрического микрогенератора с каталитическим источником тепла на газовом топливе / Л.Т. Струтинская // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2008. — № 2. — С. 25-30. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859824360191164416 |
|---|---|
| author | Струтинская, Л.Т. |
| author_facet | Струтинская, Л.Т. |
| citation_txt | Моделирование термоэлектрического микрогенератора с каталитическим источником тепла на газовом топливе / Л.Т. Струтинская // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2008. — № 2. — С. 25-30. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| description | В работе представлены результаты исследований микрогенератора с каталитическим источником тепла на газовом топливе. Предложена модель микрогенератора со встречной подачей реагентов на катализатор.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:27:12Z |
| format | Article |
| fulltext |
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2008, ¹ 2
25
ÂÎÏÐÎÑÛ ÏÐÈÁÎÐÎÑÒÐÎÅÍÈß
Äàòà ïîñòóïëåíèÿ â ðåäàêöèþ
05.11 2007 ã.
Îïïîíåíò ê. ò. í. Á. À. ÄÅÌÜßÍ×ÓÊ
(ÎÍÓ èì. È. È. Ìå÷íèêîâà, ã. Îäåññà)
Ê. õ. í. Ë. Ò. ÑÒÐÓÒÈÍÑÊÀß
Óêðàèíà, ã. ×åðíîâöû, Èíñòèòóò òåðìîýëåêòðè÷åñòâà
E-mail: anatych@inst.cv.ua
 ðàáîòå ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû èñ-
ñëåäîâàíèé ìèêðîãåíåðàòîðà ñ êàòàëè-
òè÷åñêèì èñòî÷íèêîì òåïëà íà ãàçîâîì
òîïëèâå. Ïðåäëîæåíà ìîäåëü ìèêðîãåíå-
ðàòîðà ñî âñòðå÷íîé ïîäà÷åé ðåàãåíòîâ
íà êàòàëèçàòîð.
 ñâÿçè ñ èíòåíñèâíûì ðàçâèòèåì ìèêðîýíåðãå-
òèêè è ðîñòîì ïîòðåáíîñòè â ïîðòàòèâíûõ ýëåêòðîí-
íûõ óñòðîéñòâàõ äëÿ ñèñòåì òåëåìåòðèè, íàâèãàöèè,
ìåòåîðîëîãè÷åñêèõ ñòàíöèé è ìàÿêîâ, ðàáîòàþùèõ
ïðîäîëæèòåëüíîå âðåìÿ â àâòîíîìíîì ðåæèìå, âîç-
íèêàåò íåîáõîäèìîñòü ïîèñêà êîìïàêòíûõ è äåøå-
âûõ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ ñ âûñîêîé óäåëüíîé ýíåð-
ãèåé è ïðîäîëæèòåëüíûì ðåñóðñîì ðàáîòû. Òåðìî-
ýëåêòðè÷åñêèå èñòî÷íèêè ìîãóò ðàññìàòðèâàòüñÿ êàê
àëüòåðíàòèâà õèìè÷åñêèì èñòî÷íèêàì òîêà.
Ïðîöåññ ñãîðàíèÿ îðãàíè÷åñêîãî òîïëèâà â ìèê-
ðîãåíåðàòîðàõ çàâèñèò îò èõ ýíåðãåòè÷åñêèõ è òåì-
ïåðàòóðíûõ õàðàêòåðèñòèê, à òàêæå îò êèíåòè÷åñêèõ
è ãàçîäèíàìè÷åñêèõ óñëîâèé ñòàáèëüíîãî ãîðåíèÿ
òîïëèâà. Ïîòåðè òåïëà â ìèêðîèñòî÷íèêàõ ïðèâîäÿò
ê óìåíüøåíèþ ÊÏÄ òåðìîãåíåðàòîðà è òðåáóþò èñ-
ïîëüçîâàíèÿ ýôôåêòèâíûõ ìåòîäîâ äëÿ ñíèæåíèÿ
òåïëîâûõ ïîòåðü. Ñëîæíîñòü çàäà÷è îáóñëîâëèâàåò
àêòóàëüíîñòü ïðèìåíåíèÿ êîìïüþòåðíîãî ìîäåëèðî-
âàíèÿ ïðè ðàçðàáîòêå íîâûõ òåðìîýëåêòðè÷åñêèõ
ìèêðîóñòðîéñòâ ñ êàòàëèòè÷åñêèìè èñòî÷íèêàìè
òåïëà, ïðåâðàùàþùèõ ýíåðãèþ îðãàíè÷åñêîãî òîï-
ëèâà â ýëåêòðè÷åñêóþ ýíåðãèþ.
 îáùåì âèäå äëÿ ðàñ÷åòà òåðìîýëåêòðè÷åñêèõ
ãåíåðàòîðîâ (ÒÝÃ) ïðèìåíÿþò ÷èñëåííûå ìåòîäû
(íàïðèìåð, ìåòîäû ïîñëåäîâàòåëüíûõ ïðèáëèæåíèé,
ñðåäíèõ ïàðàìåòðîâ) ñ èñïîëüçîâàíèåì êîìïüþòåð-
íûõ ïðîãðàìì, êîòîðûå ïîçâîëÿþò ðåøàòü çàäà÷è
îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ òåðìîýëåêòðè÷åñêèìè
ïðîöåññàìè [1], ðàññ÷èòûâàòü ðÿä êîíñòðóêöèé ÒÝÃ
[2] è îïðåäåëÿòü ðàöèîíàëüíûå ðåæèìû èõ ðàáîòû
[3]. ×èñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå ïëîñêîãî òåðìîýëåê-
òðè÷åñêîãî ìèêðîãåíåðàòîðà [4] âûïîëíåíî ìåòî-
äîì êîíå÷íûõ îáúåìîâ ñ öåëüþ ïðîãíîçèðîâàíèÿ
îïòèìàëüíûõ ïàðàìåòðîâ òåðìîýëåêòðè÷åñêîãî óñ-
òðîéñòâà íà îñíîâå Si�Ge è ³2Òå3 è ðàñ÷åòà ïðî-
öåññîâ ýëåêòðî- è òåïëîïåðåíîñà ïðè ëèíåéíîì ïðè-
áëèæåíèè.
Ìîäåëèðîâàíèå êàòàëèòè÷åñêîé ðåàêöèè â òðóá-
êàõ ðåàêòîðà íåáîëüøîãî äèàìåòðà [5] è îïðåäåëå-
ÌÎÄÅËÈÐÎÂÀÍÈÅ ÒÅÐÌÎÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÎÃÎ
ÌÈÊÐÎÃÅÍÅÐÀÒÎÐÀ Ñ ÊÀÒÀËÈÒÈ×ÅÑÊÈÌ ÈÑÒÎ×ÍÈÊÎÌ
ÒÅÏËÀ ÍÀ ÃÀÇÎÂÎÌ ÒÎÏËÈÂÅ
íèå ãðàíèö çàòóõàíèÿ äëÿ äâóìåðíîé ìîäåëè ìèêðî-
èñòî÷íèêà ñ ïîâòîðíîé öèðêóëÿöèåé òåïëà ïðîâåäå-
íî àâòîðàìè ðàáîòû [6] ïðè óñëîâèè ñîâìåñòíîé ïî-
äà÷è òîïëèâà è âîçäóõà íà êàòàëèçàòîð. Ðåçóëüòàòû
ìîäåëèðîâàíèÿ òàêèõ ìèêðîãåíåðàòîðîâ íå âñåãäà
ñîãëàñóþòñÿ ñ ýêñïåðèìåíòàëüíûìè äàííûìè èç-çà
òîãî, ÷òî íå ó÷èòûâàþòñÿ âñå òåïëîâûå ïîòåðè ñ ïî-
âåðõíîñòè èñòî÷íèêà òåïëà.
Èñïîëüçîâàíèå êàòàëèòè÷åñêèõ äèôôóçèîííûõ
èñòî÷íèêîâ òåïëà â ñîñòàâå ìèêðîãåíåðàòîðîâ ïîçâî-
ëÿåò ðåøèòü ðÿä ïðîáëåì òåïëîâîé ðåãóëÿöèè, àâòî-
íîìíîé è íàäåæíîé ðàáîòû ãåíåðàòîðà â øèðîêîì
äèàïàçîíå ðàñõîäà òîïëèâà [7]. Îäíàêî ðåçóëüòàòû
èññëåäîâàíèé òàêèõ ãåíåðàòîðîâ â ëèòåðàòóðå ïðàê-
òè÷åñêè íå îòðàæåíû.
Öåëüþ äàííîé ðàáîòû ÿâëÿåòñÿ ìîäåëèðîâàíèå
òåðìîýëåêòðè÷åñêîãî ìèêðîãåíåðàòîðà ñ êàòàëèòè-
÷åñêèì äèôôóçèîííûì èñòî÷íèêîì òåïëà ñ ó÷åòîì
åãî ýíåðãåòè÷åñêèõ, òåìïåðàòóðíûõ è êîíñòðóêòèâ-
íûõ ïàðàìåòðîâ äëÿ ïîâûøåíèÿ ýôôåêòèâíîñòè ïðå-
îáðàçîâàíèÿ òåïëîâîé ýíåðãèè â ýëåêòðè÷åñêóþ.
Ôèçè÷åñêàÿ ìîäåëü òåðìîýëåêòðè÷åñêîãî
ìèêðîãåíåðàòîðà ñ êàòàëèòè÷åñêèì
èñòî÷íèêîì òåïëà
Îñíîâíàÿ çàäà÷à íà íà÷àëüíîé ñòàäèè ïðîåêòè-
ðîâàíèÿ òåðìîãåíåðàòîðà ñîñòîèò â ðåøåíèè óðàâ-
íåíèÿ ýíåðãåòè÷åñêîãî áàëàíñà è îïðåäåëåíèè èñ-
õîäíûõ ïàðàìåòðîâ ÒÝà ñ ó÷åòîì òåðìîýëåêòðè÷åñ-
êèõ ñâîéñòâ ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ìàòåðèàëà, èñïîëü-
çîâàííîãî â òåðìîýëåêòðè÷åñêîé áàòàðåå (ÒÝÁ), è
òåìïåðàòóðíûõ îãðàíè÷åíèé äëÿ äåòàëåé êîíñòðóê-
öèè óñòðîéñòâà.
Äëÿ ïîñòðîåíèÿ ôèçè÷åñêîé ìîäåëè ìèêðîãåíå-
ðàòîðà íåîáõîäèìî îïðåäåëèòü êîëè÷åñòâî òåïëà,
ïîäâîäèìîãî è îòâîäèìîãî îò ÒÝÁ, è ðàáî÷èå òåìïå-
ðàòóðû êàòàëèòè÷åñêîãî èñòî÷íèêà òåïëà íà ãàçîâîì
òîïëèâå.  äàííîé ðàáîòå ðàñ÷åò ïðîâåäåí äëÿ èñ-
òî÷íèêà äèàìåòðîì 10 ìì è âûñîòîé 13 ìì (îáúåì
êàòàëèçàòîðà 1 ñì3), ïðè ýòîì ó÷òåíû ïîòåðè òåïëà ñ
òîðöîâ êàòàëèòè÷åñêîãî èñòî÷íèêà òåïëà êîíâåêöè-
åé è èçëó÷åíèåì, òåïëîîáìåí êàòàëèòè÷åñêîãî èñ-
òî÷íèêà òåïëà ñ òåðìîïðåîáðàçîâàòåëåì è ïîòåðè
òåïëà ñ ïðîäóêòàìè ñãîðàíèÿ.
Òðàäèöèîííî â êàòàëèòè÷åñêèõ ìèêðîêàìåðàõ
ñãîðàíèÿ èñïîëüçóþò ñîâìåñòíóþ ïîäà÷ó òîïëèâà è
âîçäóõà íà êàòàëèçàòîð. Îñíîâíûå åå íåäîñòàòêè �
íåîáõîäèìîñòü èñïîëüçîâàíèÿ äîïîëíèòåëüíûõ óñ-
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2008, ¹ 2
26
ÂÎÏÐÎÑÛ ÏÐÈÁÎÐÎÑÒÐÎÅÍÈß
òðîéñòâ äëÿ ïîäãîòîâêè òîïëèâíî-âîçäóøíîé ñìåñè,
æåñòêèå òðåáîâàíèÿ ê ñîáëþäåíèþ åå ñòåõèîìåòðèè,
íåñòàáèëüíîñòü ïðîöåññà ãîðåíèÿ ïðè îòêëîíåíèè
îò ñòåõèîìåòðè÷åñêîãî ñîñòàâà ýòîé ñìåñè. Äèôôó-
çèîííûå êàòàëèòè÷åñêèå èñòî÷íèêè òåïëà ñ âñòðå÷-
íîé ïîäà÷åé òîïëèâà è âîçäóõà íà êàòàëèçàòîð ëè-
øåíû ýòèõ íåäîñòàòêîâ.  òàêèõ èñòî÷íèêàõ òåïëà
òîïëèâî ïîñòóïàåò íà êàòàëèçàòîð ïîä äàâëåíèåì,
âîçäóõ � ñ ïðîòèâîïîëîæíîé ñòîðîíû ïóòåì åñòå-
ñòâåííîé äèôôóçèè. Ýòè èñòî÷íèêè íàäåæíû, îáåñ-
ïå÷èâàþò àâòîíîìíóþ ðàáîòó â øèðîêîì äèàïàçîíå
ðàñõîäà òîïëèâà, à òàêæå ïðè íàðóøåíèè ñòåõèîìåò-
ðè÷åñêîãî ñîîòíîøåíèÿ òîïëèâî/âîçäóõ.
Ôèçè÷åñêàÿ ìîäåëü ìèêðîãåíåðàòîðà ñ êàòàëèòè-
÷åñêèì èñòî÷íèêîì òåïëà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 1.
Ãåíåðàòîð ñîäåðæèò êàòàëèòè÷åñêèé èñòî÷íèê
òåïëà 1 öèëèíäðè÷åñêîé ôîðìû è òåðìîáàòàðåþ 3
èç ìàòåðèàëà íà îñíîâå Bi2Te3. Îòâîä òåïëà îò õî-
ëîäíûõ ñïàåâ ÒÝÁ îñóùåñòâëÿåòñÿ ðàäèàòîðîì 4 çà
ñ÷åò åñòåñòâåííîé êîíâåêöèè âîçäóõà. Íà ðèñ. 1 ÒH �
òåìïåðàòóðà ãîðÿ÷åãî ñïàÿ ÒÝÁ; ÒC � òåìïåðàòó-
ðà õîëîäíîãî ñïàÿ ÒÝÁ; TQ � òåìïåðàòóðà ïîâåðõ-
íîñòè èñòî÷íèêà òåïëà; Ò0 � òåìïåðàòóðà îêðóæàþ-
ùåé ñðåäû.
Ïîñòðîåíèå ôèçè÷åñêîé ìîäåëè ìèêðîãåíåðàòî-
ðà ïðîâîäèëîñü ïóòåì ñîãëàñîâàíèÿ ñèñòåìû òåïëî-
îáìåíà, êîíñòðóêòèâíûõ õàðàêòåðèñòèê, ñêîðîñòè
õèìè÷åñêîé ðåàêöèè îêèñëåíèÿ òîïëèâà è ñâîéñòâ
òåðìîýëåêòðè÷åñêèõ áàòàðåé ñ ó÷åòîì òåìïåðàòóð-
íîé çàâèñèìîñòè òåðìîýëåêòðè÷åñêèõ ñâîéñòâ ìàòå-
ðèàëà ÒÝÁ. Òåìïåðàòóðà ñïàåâ âñåõ òåðìîýëåìåíòîâ
ÒÝÁ íà ãîðÿ÷åé ñòîðîíå ïðèíÿòà îäèíàêîâîé, ïî-
ñêîëüêó ìàëûå ðàçìåðû ÒÝÃ îáóñëîâëèâàþò íåçíà-
÷èòåëüíûå èçìåíåíèÿ òåïëîâîãî ïîòîêà âäîëü òåï-
ëîêîíòàêòíûõ ïîâåðõíîñòåé. Ýòî äîïóùåíèå ïðèíÿ-
òî è äëÿ ñïàåâ õîëîäíîé ñòîðîíû. Èññëåäîâàíèå ìî-
äåëè ãåíåðàòîðà è ðàñ÷åò åãî õàðàêòåðèñòèê ïðîâî-
äèëè êîìïüþòåðíûìè ìåòîäàìè.
Ñèñòåìà óðàâíåíèé òåïëîâîãî áàëàíñà òàêîãî òåð-
ìîýëåêòðè÷åñêîãî ìèêðîãåíåðàòîðà ñ ó÷åòîì ñêîðî-
ñòè ðåàêöèè, êîòîðàÿ ïðîòåêàåò íà ïîâåðõíîñòè êà-
òàëèçàòîðà, è ïîëíîòû îêèñëåíèÿ òîïëèâà èìååò ñëå-
äóþùèé âèä:
1 3 4 4 5 ,Q Q Q Q Q Q′ ′ ′′= + + + + (1)
1 1 6 ,Q Q Q′= − (2)
1 2 ,Q P Q= + (3)
( )
,
Q H ka T T S
Q
w
−
= (4)
( ) ,Q g cQ a T T S′ ′= − (5)
( ) ( )( )
( )( )
f 2 3 0 2
1 1 0 0 0
100 100
,
Q
Q
Q g c T c T m
m c m c T T
′ ′= − + λ + − +
′+ + −
(6)
Q1Q2
Q3
Q
Q5
Q6
Q2
Q3
Q1
Q6
Q′′4
Q ′1 Q ′1
Q ′4
d ′
H
do
CnHm
R
5 7
6
4 3 2 1 TQ TH TC
T0
1 2à) á)
3 4
6
R2
R1
d ′
Ðèñ. 1. Ôèçè÷åñêàÿ ìîäåëü òåðìîýëåêòðè÷åñêîãî ìèêðîãåíåðàòîðà (à � âåðòèêàëüíîå ñå÷åíèå, á � ãîðèçîíòàëüíîå
ñå÷åíèå):
1 � êàòàëèòè÷åñêèé èñòî÷íèê òåïëà; 2 � ãîðÿ÷èé ðàäèàòîð; 3 � òåðìîýëåêòðè÷åñêàÿ áàòàðåÿ; 4 � õîëîäíûé ðàäèàòîð; 5 � âíå-
øíÿÿ íàãðóçêà; 6 � òåïëîâàÿ èçîëÿöèÿ; 7 � ãàçîïîäâîäÿùàÿ òðóáêà
ãäå Q �
Q′1 �
Q1 �
Q2 �
Q3 �
Q ′4, Q ′′4 �
Q5 �
îáùàÿ òåïëîâàÿ ìîùíîñòü èñòî÷íèêà òåïëà, êîòîðàÿ
îïðåäåëÿåòñÿ ïîëíîòîé îêèñëåíèÿ òîïëèâà íà êàòàëè-
çàòîðå è ñêîðîñòüþ ðåàêöèè;
òåïëî, êîòîðîå ïåðåäàåòñÿ îò èñòî÷íèêà òåïëà ãîðÿ÷å-
ìó ðàäèàòîðó êîíâåêöèåé è èçëó÷åíèåì;
ïîëåçíîå òåïëî (òåïëî, êîòîðîå ïîñòóïàåò ê ÒÝÁ);
òåïëî, îòâîäèìîå ñ ïîìîùüþ õîëîäíîãî ðàäèàòîðà â
îêðóæàþùóþ ñðåäó;
ïîòåðè òåïëà ñ ïðîäóêòàìè ðåàêöèè;
ïîòåðè òåïëà ñ áîêîâûõ ïîâåðõíîñòåé êàòàëèçàòîðà
êîíâåêöèåé è èçëó÷åíèåì;
ïîòåðè òåïëà íà ýëåìåíòàõ êîíñòðóêöèè èñòî÷íèêà òåïëà;
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2008, ¹ 2
27
ÂÎÏÐÎÑÛ ÏÐÈÁÎÐÎÑÒÐÎÅÍÈß
Âåëè÷èíà Q′1 îïðåäåëÿåòñÿ ôîðìóëîé [8]:
( ) 4 4
1 0 ,Q H r Q H kQ a T T S T T S ′ ′= − + ε σ − (7)
1 2
1
,
1 1
1k
r
S
S
′ε =
+ − ε ε
(8)
Ðàñ÷åò êîýôôèöèåíòà êîíâåêòèâíîãî òåïëîîáìå-
íà a â ïðîìåæóòêå ìåæäó èñòî÷íèêîì òåïëà è ãîðÿ-
÷èì ðàäèàòîðîì ïðîâåäåí ïî ôîðìóëå [8, 9]:
a=Nuλ/d ′,
Ïðè óñëîâèè GrPr≤103 (Gr, Pr � êðèòåðèè Ãðàñ-
ãîôà è Ïðàíäòëÿ, ñîîòâåòñòâåííî) ïåðåäà÷à òåïëà îò
ãàçîâîé ñìåñè ê òåïëîïðèåìíîé ïîâåðõíîñòè ãîðÿ-
÷åãî ðàäèàòîðà îñóùåñòâëÿåòñÿ òåïëîïðîâîäíîñòüþ
(Nu=1) è õàðàêòåðèçóåòñÿ ýêâèâàëåíòíûì êîýôôè-
öèåíòîì òåïëîïðîâîäíîñòè λe=λ/d ′.
Òåïëî Q2, îòâîäèìîå îò õîëîäíîãî ðàäèàòîðà â
îêðóæàþùóþ ñðåäó:
( )2 0 ,C crQ a T T S′′= − (9)
Ïîòåðè òåïëà ñ ïðîäóêòàìè ðåàêöèè ãîðåíèÿ Q3:
( )
( )
3 f 2 3 0 2
1 1 0 0 0
100 100
2
.
2
Q H
Q H
T T
Q g c c T m
T T
m c m c T
+ ′= − +λ + − +
+
+ + −
Ïîòåðè òåïëà Q′4 ñ âåðõíåãî òîðöà èñòî÷íèêà òåï-
ëà [9]:
( ) ( )4 4
4 0 0 0 ,Ò Q T Q TQ a T T S T T S′ = − + εσ − (11)
aT=Nuλ/d
Ïðèíÿòî [9], ÷òî ïîòåðè òåïëà ñ íèæíåãî òîðöà
Q′4 ñîñòàâëÿþò 0,5Q′4.
Ïîòåðè òåïëà Q5 ñ ïîâåðõíîñòè êîíñòðóêòèâíûõ
ýëåìåíòîâ èñòî÷íèêà òåïëà:
( )5 0 ,t t
Q
t
S
Q T T
l
λ
= − (12)
ãäå St, λt , lt � ïëîùàäü ñå÷åíèÿ, òåïëîïðîâîäíîñòü
ìàòåðèàëà è äëèíà ãàçîïîäâîäÿùåé òðóáêè, ñîîòâåò-
ñòâåííî.
Ïîòåðè òåïëà Q6 ñ ïîâåðõíîñòè ýëåìåíòîâ êîíñò-
ðóêöèè ÒÝà ÷åðåç òåïëîâóþ èçîëÿöèþ:
( )6 ,i i
H C
i
S
Q T T
L
λ
= − (13)
Ðåøåíèå ñèñòåìû óðàâíåíèé (1)�(6), íàéäåííîå
ñ ïîìîùüþ êîìïüþòåðíîé ïðîãðàììû, èñïîëüçóþ-
ùåé ðåñóðñû ïàêåòà Mathcad 11, ïîçâîëèëî îïðåäå-
ëèòü òåìïåðàòóðû ÒQ, Ò′Q, Òg, TC, ÒH è ñêîðîñòü ðåàê-
öèè îêèñëåíèÿ òîïëèâà íà êàòàëèçàòîðå w. Íà îñíî-
âå òàêîãî ðåøåíèÿ ðàññ÷èòàíû îñíîâíûå ýíåðãåòè-
÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ìèêðîãåíåðàòîðà.
Âëèÿíèå ãàçîäèíàìè÷åñêèõ óñëîâèé ïðîöåññà
ñãîðàíèÿ òîïëèâà íà õàðàêòåðèñòèêè
ìèêðîãåíåðàòîðà
 ðåçóëüòàòå õèìè÷åñêîé ðåàêöèè ñãîðàíèÿ òîï-
ëèâà âûäåëÿåòñÿ òåïëî Q, êîëè÷åñòâî êîòîðîãî îï-
ðåäåëÿåòñÿ èç (4). Ñêîðîñòü ðåàêöèè ãîðåíèÿ òîïëè-
âà ïðè ýòîì
( )
0
,
Q g ca T T S
w
q
′ ′ −
= (14)
ãäå q0 � òåïëîâîé ýôôåêò ðåàêöèè.
Êîýôôèöèåíò êîíâåêöèè a′ îïðåäåëÿåòñÿ ôîðìó-
ëîé [10, ñ. 236], ïîëó÷åííîé ýìïèðè÷åñêèì ïóòåì
0,7 4 / 3Nu 0,43Re Pr .= (15)
Q6 �
Ð �
à �
w �
a′ �
Sc �
Sk �
Òg �
Ò ′Q �
gf �
ñ0, ñ1, ñ2, ñ3 �
λ′ �
m1, m2 �
m0 �
ïîòåðè òåïëà ñ ïîâåðõíîñòè ýëåìåíòîâ êîíñòðóê-
öèè ìèêðîãåíåðàòîðà ÷åðåç òåïëîâóþ èçîëÿöèþ;
ýëåêòðè÷åñêàÿ ìîùíîñòü, ãåíåðèðóåìàÿ ÒÝÁ;
êîýôôèöèåíò êîíâåêòèâíîãî òåïëîîáìåíà â ïðî-
ìåæóòêå ìåæäó èñòî÷íèêîì òåïëà è ãîðÿ÷èì ðà-
äèàòîðîì;
ñêîðîñòü ðåàêöèè ãîðåíèÿ òîïëèâà;
êîýôôèöèåíò êîíâåêòèâíîãî òåïëîîáìåíà ïîâåð-
õíîñòè êàòàëèçàòîðà ñ ãàçîâûì ïîòîêîì;
ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè êàòàëèçàòîðà, íà êîòîðîé
ïðîèñõîäèò õèìè÷åñêàÿ ðåàêöèÿ;
ïëîùàäü òåïëîîòäàþùåé áîêîâîé ïîâåðõíîñòè êà-
òàëèòè÷åñêîãî èñòî÷íèêà òåïëà;
òåìïåðàòóðà ãàçîâîãî ïîòîêà â êàíàëàõ êàòàëèçà-
òîðà;
òåìïåðàòóðà â îáúåìå êàòàëèçàòîðà;
ðàñõîä òîïëèâà;
ñîîòâåòñòâåííî òåïëîåìêîñòü âîçäóõà, ÑÎ2, âîäÿ-
íîãî ïàðà, âîäû;
óäåëüíàÿ òåïëîòà ïàðîîáðàçîâàíèÿ âîäû;
êîýôôèöèåíòû, îïðåäåëÿþùèå ñîîòâåòñòâåííî
ìàññîâûå äîëè ÑÎ2 è Í2Î, êîòîðûå îáðàçóþòñÿ
ïðè ñãîðàíèè åäèíèöû ìàññû òîïëèâà;
êîýôôèöèåíò äëÿ îïðåäåëåíèÿ ìàññû âîçäóõà.
ãäå Sr �
σ0 �
ε′ �
ε1, ε2 �
ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè ãîðÿ÷åãî ðàäèàòîðà;
ïîñòîÿííàÿ Ñòåôàíà�Áîëüöìàíà;
ïðèâåäåííàÿ ñòåïåíü ÷åðíîòû äëÿ ñëó÷àÿ, êîãäà ãîðÿ-
÷èé ðàäèàòîð ïîëíîñòüþ îõâàòûâàåò êàòàëèòè÷åñêèé èñ-
òî÷íèê òåïëà [8];
ñòåïåíü ÷åðíîòû ïîâåðõíîñòè êàòàëèòè÷åñêîãî èñòî÷-
íèêà òåïëà è ïîâåðõíîñòè ãîðÿ÷åãî ðàäèàòîðà, ñîîòâåò-
ñòâåííî.
ãäå Nu �
λ �
d ′ �
êðèòåðèé Íóñåëüòà;
òåïëîïðîâîäíîñòü ãàçîâîé ñìåñè ïðè ñðåäíåé òåìïå-
ðàòóðå Ò′=(ÒQ+ÒH)/2 â ïðîìåæóòêå;
ýêâèâàëåíòíûé äèàìåòð ïðîìåæóòêà.
ãäå a′′ �
Scr �
êîýôôèöèåíò êîíâåêòèâíîãî òåïëîîáìåíà õîëîäíîãî
ðàäèàòîðà ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé;
ïëîùàäü òåïëîîòäàþùåé ïîâåðõíîñòè õîëîäíîãî ðà-
äèàòîðà.
(10)
ãäå aT �
ST �
Nu =
d �
êîýôôèöèåíò êîíâåêòèâíîãî òåïëîîáìåíà ïðè îòâåäå-
íèè òåïëà îò âåðõíåãî òîðöà èñòî÷íèêà òåïëà;
ïëîùàäü òîðöà.
0,702(GrPr)0,25;
äèàìåòð òîðöà;
ãäå λ³ �
S³ �
L³ �
òåïëîïðîâîäíîñòü èçîëÿöèîííîãî ìàòåðèàëà;
ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè ãîðÿ÷åãî ðàäèàòîðà, êîòîðàÿ íå
çàíÿòà òåðìîýëåêòðè÷åñêèìè ìîäóëÿìè;
òîëùèíà ñëîÿ òåïëîèçîëÿöèè.
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2008, ¹ 2
28
ÂÎÏÐÎÑÛ ÏÐÈÁÎÐÎÑÒÐÎÅÍÈß
Êðèòåðèè Ïðàíäòëÿ, Ãðàñãîôà îïðåäåëÿþòñÿ ñ
ó÷åòîì ôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ (êèíåìàòè÷åñêîé è äè-
íàìè÷åñêîé âÿçêîñòè, òåïëîåìêîñòè, òåïëîïðîâîäíî-
ñòè) ãàçîâîé ñðåäû è çàâèñèìîñòè ýòèõ ñâîéñòâ îò
òåìïåðàòóðû è êîíöåíòðàöèè êîìïîíåíòîâ ñìåñè, êî-
òîðàÿ îáðàçóåòñÿ ïðè ñãîðàíèè îðãàíè÷åñêîãî òîï-
ëèâà [11, 12].
Çíà÷åíèå êðèòåðèÿ Ðåéíîëüäñà ïðè äâèæåíèè ãà-
çîâîãî òîïëèâà ÷åðåç ñëîé âîëîêíèñòîé êàòàëèòè÷åñ-
êîé íàñàäêè ðàññ÷èòàíî ïî ìåòîäó Êàðìàíà [13] (êðè-
òè÷åñêîå çíà÷åíèå êðèòåðèÿ Ðåéíîëüäñà, îïðåäåëÿ-
þùåå èçìåíåíèå õàðàêòåðà äâèæåíèÿ ñ ëàìèíàðíî-
ãî íà òóðáóëåíòíûé, Reêð=20�40).
Êîýôôèöèåíò ìàññîîáìåíà β â ñëîå êàòàëèçàòî-
ðà ïðè îïðåäåëåííîé ñêîðîñòè ïîäà÷è òîïëèâà îï-
ðåäåëÿåòñÿ èç [14]:
,
g g
a
c
′
β =
ρ (16)
ãäå ñg, ρg � òåïëîåìêîñòü è ïëîòíîñòü òîïëèâà, ñî-
îòâåòñòâåííî.
Êîýôôèöèåíò êîíâåêòèâíîãî òåïëîîáìåíà ìåæ-
äó ïîâåðõíîñòüþ êàòàëèçàòîðà è ãàçîâûì ïîòîêîì
a′ îïðåäåëÿåòñÿ èç [10]:
0
Nu
;a
d
λ′ =
′ (17)
0
4
,kd
f
⋅ ε′ = (18)
Âûðàæåíèå äëÿ îïðåäåëåíèÿ ðàçíèöû òåìïåðà-
òóð ñ ó÷åòîì (15) ïîëó÷åíî ïóòåì îáðàáîòêè è îáîá-
ùåíèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ [11, ñ. 236]:
0 0
10,7 3
2,32
.
Re Pr
Q g
wd q
T T
′
′ − =
λ
(19)
Ïëîùàäü âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè êàòàëèçàòîðà,
íà êîòîðîé ïðîèñõîäèò õèìè÷åñêàÿ ðåàêöèÿ:
,cS f u= ρ (20)
ãäå ρ, u � ïëîòíîñòü è îáúåì âîëîêíèñòîãî êàòàëè-
çàòîðà, ñîîòâåòñòâåííî.
Ïîëíîòà îêèñëåíèÿ òîïëèâà íà êàòàëèçàòîðå, à
òàêæå òåìïåðàòóðíûå è ýíåðãåòè÷åñêèå õàðàêòåðè-
ñòèêè ìèêðîãåíåðàòîðà çàâèñÿò îò êîëè÷åñòâåííî-
ãî ñîîòíîøåíèÿ òîïëèâà è êèñëîðîäà, ïîñòóïàþùèõ
íà êàòàëèòè÷åñêèé èñòî÷íèê òåïëà. Îïòèìàëüíîå
ñîîòíîøåíèå, à òàêæå êîëè÷åñòâî âîçäóõà (êèñëî-
ðîäà), êîòîðîå ïîñòóïàåò ê êàòàëèçàòîðó, îïðåäåëÿ-
þòñÿ ãåîìåòðè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè èñòî÷íèêà òåï-
ëà è âîçäóøíûì ïðîìåæóòêîì ìåæäó òåïëîïðèåì-
íîé ïîâåðõíîñòüþ ãîðÿ÷åãî ðàäèàòîðà è èçëó÷àþ-
ùåé ïîâåðõíîñòüþ èñòî÷íèêà òåïëà. Ïîýòîìó áûëî
ïðîâåäåíî èññëåäîâàíèå çàâèñèìîñòè îñíîâíûõ õà-
ðàêòåðèñòèê ìèêðîãåíåðàòîðà îò øèðèíû ïðîìå-
æóòêà ìåæäó êàòàëèòè÷åñêèì èñòî÷íèêîì òåïëà è
ãîðÿ÷èì ðàäèàòîðîì.
Ñîãëàñíî ñóììàðíîìó óðàâíåíèþ õèìè÷åñêîé ðå-
àêöèè ïðè ñîîòíîøåíèè ïðîïàí/áóòàí, ðàâíîì 80/20,
CnHm+5,3O2=3,2CO2+4,2H2O+2352 êÄæ (21)
êîëè÷åñòâåííîå ñîîòíîøåíèå êèñëîðîä/òîïëèâî
go/gf=5,3/1 ÿâëÿåòñÿ íåîáõîäèìûì óñëîâèåì ïîëíî-
ãî îêèñëåíèÿ òîïëèâíîé ñìåñè.
Ðàñ÷åòû ïîêàçàëè, ÷òî ñîäåðæàíèå êèñëîðîäà â
âîçäóøíîé ñìåñè (âîçäóõà è ïðîäóêòîâ ðåàêöèè) â
ïðîìåæóòêå ìåæäó êàòàëèòè÷åñêèì èñòî÷íèêîì òåï-
ëà è òåïëîïðèåìíîé ïîâåðõíîñòüþ ãîðÿ÷åãî ðàäèà-
òîðà ñîñòàâëÿåò 8,8%. Äëÿ ðàñ÷åòà îáúåìíîé ñêîðî-
ñòè âîçäóøíîé ñìåñè â ïðîìåæóòêå îïðåäåëåíà ñðåä-
íÿÿ ëèíåéíàÿ ñêîðîñòü äâèæåíèÿ ñìåñè ω, êîòîðàÿ
ÿâëÿåòñÿ ôóíêöèåé ñðåäíåé òåìïåðàòóðû ñìåñè Ò′ è
îïðåäåëÿåòñÿ ïîñðåäñòâîì ðåøåíèÿ êâàäðàòíîãî
óðàâíåíèÿ [15]:
( ) ( )2
1 2 ;C T C T= ω + ω (22)
1
2
;
gh
C =
ξ 2 2
,
A h
C
d
′ ν=
′ ξ
Êðèòåðèé Ðåéíîëüäñà, õàðàêòåðèçóþùèé ñîîòíî-
øåíèå ñèë èíåðöèè è ñèë âÿçêîñòè â ïîòîêå âîçäóø-
íîé ñìåñè â ïðîìåæóòêå ìåæäó êàòàëèòè÷åñêèì èñ-
òî÷íèêîì òåïëà è òåïëîïðèåìíîé ïîâåðõíîñòüþ ãî-
ðÿ÷åãî ðàäèàòîðà [13], îïðåäåëÿåòñÿ âûðàæåíèåì:
Re .
d ′ω=
ν (23)
Äâèæåíèå âîçäóøíîé ñìåñè â êàíàëå íåáîëüøî-
ãî äèàìåòðà õàðàêòåðèçóåòñÿ íåáîëüøèìè çíà÷åíè-
ÿìè êðèòåðèÿ Ðåéíîëüäñà. Ðåæèì äâèæåíèÿ îïðåäå-
ëÿåòñÿ êàê ëàìèíàðíûé, à êîýôôèöèåíò ãèäðàâëè÷åñ-
êîãî ñîïðîòèâëåíèÿ íå çàâèñèò îò øåðîõîâàòîñòè
êàíàëà è ðàâåí ξ=À′/Re [16]. Îáúåìíàÿ ñêîðîñòü âîç-
äóøíîé ñìåñè â ïðîìåæóòêå (êîëüöåâîì êàíàëå) ïðè
ëàìèíàðíîì äâèæåíèÿ îïðåäåëåíà èç [13]:
( )
2
2 1
1
2
1 ,ï
R
V T R
R
= ω π −
(24)
Ó÷èòûâàÿ îáúåìíóþ ñêîðîñòü è ïëîòíîñòü âîç-
äóøíîé ñìåñè â ïðîìåæóòêå, íàéäåí ðàöèîíàëüíûé
ðàñõîä òîïëèâíîé ñìåñè gf è êèñëîðîäà go. Ñîîòíî-
øåíèå 5,3go/gf îïðåäåëÿåò òåìïåðàòóðó ñìåñè è êî-
ëè÷åñòâî òåïëà Q, îáðàçîâàííîãî ïðè ñãîðàíèè òîï-
ëèâà.
ãäå λ �
d ′0 �
εk �
f �
êîýôôèöèåíò òåïëîïðîâîäíîñòè òîïëèâà;
îïðåäåëÿþùèé ðàçìåð;
ñâîáîäíûé îáúåì êàòàëèçàòîðà;
óäåëüíàÿ ïîâåðõíîñòü êàòàëèçàòîðà.
ãäå g �
ν �
h �
ξ �
À′ �
d ′ �
óñêîðåíèå ñèëû òÿæåñòè;
êèíåìàòè÷åñêàÿ âÿçêîñòü âîçäóøíîé ñìåñè;
âûñîòà ïðîìåæóòêà;
ãèäðàâëè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ïðîìåæóòêà;
êîýôôèöèåíò, êîòîðûé çàâèñèò îò ôîðìû ïðîìåæóòêà [16];
ãèäðàâëè÷åñêèé ýêâèâàëåíòíûé äèàìåòð ïðîìåæóòêà
(êîëüöåâîãî êàíàëà), êîòîðûé ðàâíÿåòñÿ ðàçíîñòè R2�R1
(ðèñ. 1, á) [16].
ãäå R1 �
R2 �
ðàäèóñ ñå÷åíèÿ êàòàëèòè÷åñêîãî èñòî÷íèêà òåïëà
(ðèñ. 1, á);
ðàäèóñ ñå÷åíèÿ ãîðÿ÷åãî ðàäèàòîðà.
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2008, ¹ 2
29
ÂÎÏÐÎÑÛ ÏÐÈÁÎÐÎÑÒÐÎÅÍÈß
Äëÿ âûáðàííîé ìîäåëè èññëåäîâàíî âëèÿíèå âå-
ëè÷èíû óäåëüíîé òåïëîâîé ìîùíîñòè èñòî÷íèêà òåï-
ëà q íà òåìïåðàòóðó ãîðÿ÷åé ñòîðîíû òåðìîáàòàðåè
ìèêðîãåíåðàòîðà (ñ ó÷åòîì òåïëîâîãî ñîïðîòèâëåíèÿ
ÒÝÁ) ïðè òåìïåðàòóðå õîëîäíîé ñòîðîíû ÒÝÁ â ïðå-
äåëàõ îò 30 äî 70°Ñ. Çàâèñèìîñòü òåìïåðàòóðû ãî-
ðÿ÷åé ñòîðîíû ÒÝÁ ÒH è òåìïåðàòóðû êàòàëèòè÷å-
ñêîé ïîâåðõíîñòè ÒQ îò óäåëüíîé òåïëîâîé ìîùíîñ-
òè èñòî÷íèêà òåïëà q ïðèâåäåíà íà ðèñ. 2.
Çàâèñèìîñòü îñíîâíûõ õàðàêòåðèñòèê ìèêðîãå-
íåðàòîðà îò òåïëîâîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ÒÝÁ R îïðå-
äåëåíà ïðè óñëîâèè ñòåõèîìåòðè÷åñêîãî ñîîòíîøå-
íèÿ òîïëèâî/âîçäóõ è ïîëíîãî ñãîðàíèÿ òîïëèâà íà
êàòàëèçàòîðå, ñ ó÷åòîì ñîïðîòèâëåíèÿ òåïëîèçîëÿ-
öèè òåðìîýëåìåíòîâ è èõ ýëåêòðè÷åñêîãî ñîïðîòèâ-
ëåíèÿ êîììóòàöèè. Çàâèñèìîñòü ýëåêòðè÷åñêîé ìîù-
íîñòè Ð, óäåëüíîé òåïëîâîé ìîùíîñòè èñòî÷íèêà
òåïëà q, ÊÏÄ ìèêðîãåíåðàòîðà η îò òåïëîâîãî ñî-
ïðîòèâëåíèÿ ÒÝÁ R ïðèâåäåíà íà ðèñ. 3.
Âèäíî, ÷òî ìàêñèìàëüíàÿ ýëåêòðè÷åñêàÿ ìîù-
íîñòü ìèêðîãåíåðàòîðà 152 ìÂò äîñòèãàåòñÿ ïðè òåï-
ëîâîì ñîïðîòèâëåíèè ÒÝÁ R=24�26 Ê/Âò, ìàêñè-
ìàëüíûé ÊÏÄ ìèêðîãåíåðàòîðà 1,7% äîñòèãàåòñÿ
ïðè òåïëîâîì ñîïðîòèâëåíèè ÒÝÁ R=28�30 Ê/Âò.
Òåðìîýëåêòðè÷åñêèé ïðåîáðàçîâàòåëü ðàññ÷èòûâàþò
äëÿ ïîëó÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîãî ÊÏÄ èëè ìàêñèìàëü-
íîé ìîùíîñòè ãåíåðàòîðà â çàâèñèìîñòè îò êîíêðåò-
íûõ çàäà÷ ïðîåêòèðîâàíèÿ. Ïðåäñòàâëåííûå âûøå
èññëåäîâàíèÿ ïðîâåäåíû äëÿ òåðìîýëåêòðè÷åñêîãî
ìàòåðèàëà ñ òåïëîïðîâîäíîñòüþ λ=0,014 Âò/(ñì·Ê).
Ïðîâåäåííûé àíàëèç ïðåäëîæåííîé ìîäåëè ïî-
çâîëèë îïðåäåëèòü ðàöèîíàëüíûå êîíñòðóêòèâíûå
õàðàêòåðèñòèêè ìèêðîãåíåðàòîðà. Åãî îïòèìèçàöèÿ
ìîæåò äîñòèãàòüñÿ â ñëó÷àå ïðîâåäåíèÿ ïàðàìåòðè-
÷åñêèõ àíàëèçîâ, â ÷àñòíîñòè ñ ó÷åòîì ðåçóëüòàòîâ
èññëåäîâàíèé âëèÿíèÿ ãàçîäèíàìè÷åñêèõ óñëîâèé è
êèíåòèêè ïðîöåññà êàòàëèòè÷åñêîãî ñæèãàíèÿ òîï-
ëèâà íà õàðàêòåðèñòèêè ìèêðîãåíåðàòîðà.
Âëèÿíèå ñêîðîñòè õèìè÷åñêîé ðåàêöèè îêèñëå-
íèÿ òîïëèâà íà òåìïåðàòóðíûå õàðàêòåðèñòèêè èñ-
òî÷íèêà òåïëà â ñîñòàâå ãåíåðàòîðà îïðåäåëåíî â
çàâèñèìîñòè îò ðàñõîäà òîïëèâà (ðèñ. 4). Âèäíî, ÷òî
çàâèñèìîñòü òåìïåðàòóðû êàòàëèòè÷åñêîãî èñòî÷íè-
êà òåïëà îò ðàñõîäà òîïëèâà ñ ó÷åòîì ñêîðîñòè ðåàê-
öèè (êðèâàÿ 2), â îòëè÷èå îò àíàëîãè÷íîé çàâèñèìî-
ñòè ïðè ïîëíîì ñãîðàíèè òîïëèâà (êðèâàÿ 1), èìååò
ìàêñèìóì ïðè ðàñõîäå òîïëèâà îêîëî 0,7 ã/÷, ïîñêîëü-
êó êàòàëèòè÷åñêèé èñòî÷íèê òåïëà èìååò âåðõíþþ
ãðàíèöó ïî ðàñõîäó òîïëèâà, ïðåâûøåíèå êîòîðîé
ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ ñòåïåíè ïðåâðàùåíèÿ òîï-
ëèâà.
Ðàññ÷èòàíû îñíîâíûå ýíåðãåòè÷åñêèå è òåïëîâûå
õàðàêòåðèñòèêè ìèêðîãåíåðàòîðà â çàâèñèìîñòè îò
øèðèíû âîçäóøíîãî ïðîìåæóòêà ìåæäó êàòàëèòè-
÷åñêèì èñòî÷íèêîì òåïëà è ãîðÿ÷èì ðàäèàòîðîì (ñ
ó÷åòîì ïîòåðü òåïëà íà íàãðåâ èçáûòêà âîçäóõà â
ïðîìåæóòêå), êîòîðûå ïîçâîëÿþò îïðåäåëèòü íåîá-
õîäèìóþ øèðèíó ïðîìåæóòêà â ìèêðîãåíåðàòîðå.
Äëÿ ïîëó÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîãî ÊÏÄ è ìàêñè-
ìàëüíîé ýëåêòðè÷åñêîé ìîùíîñòè â ìèêðîãåíåðà-
òîðå çàäàííûõ ðàçìåðîâ ðàöèîíàëüíûì ÿâëÿåòñÿ
ïðîìåæóòîê îêîëî 2,3 ìì, êîòîðûé ïîçâîëÿåò äîñ-
òè÷ü ýëåêòðè÷åñêîé ìîùíîñòè 150 ìÂò è ÊÏÄ
1,67% (gf =0,71 ã/÷) (ðèñ. 5). Ïîñëåäóþùåå óâåëè÷å-
íèå øèðèíû ïðîìåæóòêà äî 2,5 ìì ïðèâîäèò ê ïîòå-
ðå áîëüøîãî êîëè÷åñòâà òåïëà íà íàãðåâ èçáûòêà âîç-
äóõà (5,3go/gf >>1), ÷òî, â ñâîþ î÷åðåäü, ïðèâîäèò ê
ñíèæåíèþ ýëåêòðè÷åñêîé ìîùíîñòè äî 140 ìÂò è
ÊÏÄ ìèêðîãåíåðàòîðà äî 1,55%.
TH, TQ,
°C
350
300
250
200
6 7 8 9 q, Âò/ñì3
1
2
Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòü òåìïåðàòóðû êàòàëèòè÷åñêîé ïîâåðõ-
íîñòè ÒQ (1) è òåìïåðàòóðû ãîðÿ÷åé ñòîðîíû ÒÝÁ ÒH (2)
ìèêðîãåíåðàòîðà îò óäåëüíîé òåïëîâîé ìîùíîñòè èñòî÷-
íèêà òåïëà q ïðè ÒC =50°Ñ
Ð, ìÂò
147
142
137
η, %
1,6
1,5
1,4
q,
Âò/ñì3
9,5
9,0
8,5
1
2
3
Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòü ýëåêòðè÷åñêîé ìîùíîñòè (1), óäåëü-
íîé òåïëîâîé ìîùíîñòè èñòî÷íèêà òåïëà (2), ÊÏÄ ìèêðî-
ãåíåðàòîðà (3) îò òåïëîâîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ÒÝÁ
22 24 26 28 30 R, Ê/Âò
TQ, °Ñ
350
300
250
w, ñ�1
0,153
0,15
0,147
0,5 0,6 0,7 gf , ã/÷
1
2
3
Ðèñ. 4. Çàâèñèìîñòü îò ðàñõîäà òîïëèâà òåìïåðàòóðû êàòà-
ëèòè÷åñêîãî èñòî÷íèêà òåïëà ïðè ïîëíîì ñãîðàíèè òîï-
ëèâà (1) è ñ ó÷åòîì ñêîðîñòè ðåàêöèè (2), à òàêæå ñêîðîñòè
õèìè÷åñêîé ðåàêöèè (3)
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2008, ¹ 2
30
ÂÎÏÐÎÑÛ ÏÐÈÁÎÐÎÑÒÐÎÅÍÈß
 ïðîìåæóòêå øèðèíîé 2 ìì ñòåõèîìåòðè÷åñêîå
ñîîòíîøåíèå òîïëèâî/êèñëîðîä è ïîëíîå ñãîðàíèå
òîïëèâà âîçìîæíû ïðè ðàñõîäå òîïëèâà 0,6 ã/÷.
Óäåëüíàÿ òåïëîâàÿ ìîùíîñòü èñòî÷íèêà òåïëà ïðè
ýòîì äîñòèãàåò 7,5 Âò/ñì2, ÷òî ïðåäîïðåäåëÿåò óìåíü-
øåíèå ýëåêòðè÷åñêîé ìîùíîñòè (124 ìÂò) è ÊÏÄ
ìèêðîãåíåðàòîðà (1,6%). Âèäíî, ÷òî ñ óâåëè÷åíèåì
øèðèíû ïðîìåæóòêà ìàêñèìóì ýëåêòðè÷åñêîé ìîù-
íîñòè è ÊÏÄ ìèêðîãåíåðàòîðà ñìåùàåòñÿ â îáëàñòü
áîëüøèõ çíà÷åíèé ðàñõîäà òîïëèâà è áîëüøèõ òåï-
ëîâûõ ìîùíîñòåé èñòî÷íèêà òåïëà. Øèðèíà âîçäóø-
íîãî ïðîìåæóòêà îêîëî 2,3 ìì ïîçâîëÿåò îáåñïå÷èòü
íàèáîëåå ýôôåêòèâíûé ðàáî÷èé ðåæèì ãåíåðàòîðà
ïðè óñëîâèè ñòåõèîìåòðè÷åñêîãî ñîîòíîøåíèÿ òîï-
ëèâî/êèñëîðîä è ïîëíîãî ñãîðàíèÿ òîïëèâà.
Ñ öåëüþ îïðåäåëåíèÿ ðàöèîíàëüíîé êîíñòðóêöèè
êîíóñîâèäíîãî ñîïëà èññëåäîâàí ïðîöåññ âûõîäà
âîçäóøíîé ñìåñè èç ãîðÿ÷åãî ðàäèàòîðà. Ñ ó÷åòîì
îáúåìíîãî ðàñõîäà è íàïîðà âîçäóøíîé ñìåñè, êî-
òîðàÿ ïðîõîäèò ñêâîçü ñîïëî íàðóæó (â îêðóæàþùóþ
ñðåäó), ðàññ÷èòàí íåîáõîäèìûé äèàìåòð âûõîäíîãî
îòâåðñòèÿ (7,3 ìì) è âûñîòà êîíóñîâèäíîãî ñîïëà
(7 ìì) ïðè øèðèíå ïðîìåæóòêà â ãîðÿ÷åì ðàäèàòîðå
2,3 ìì.
Çàêëþ÷åíèå
Ïîñòðîåíà è èññëåäîâàíà ôèçè÷åñêàÿ ìîäåëü òåð-
ìîýëåêòðè÷åñêîãî ìèêðîãåíåðàòîðà ñ êàòàëèòè÷åñ-
êèì èñòî÷íèêîì òåïëà. Êîìïüþòåðíûìè ìåòîäàìè
îïðåäåëåíû ðàöèîíàëüíûå òåïëîâûå, êèíåòè÷åñêèå
è ãàçîäèíàìè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè, à òàêæå íåîá-
õîäèìûå äëÿ ïðîåêòèðîâàíèÿ êîíñòðóêòèâíûå ïàðà-
ìåòðû ãåíåðàòîðà.
Ïðåäëîæåí ìåòîä ïîâûøåíèÿ ýôôåêòèâíîñòè
ìèêðîãåíåðàòîðà ñ êàòàëèòè÷åñêèì èñòî÷íèêîì òåï-
ëà ïóòåì ñîãëàñîâàíèÿ ñèñòåìû òåïëîîáìåíà, êîí-
ñòðóêòèâíûõ õàðàêòåðèñòèê è ñâîéñòâ òåðìîýëåêò-
ðè÷åñêèõ áàòàðåé. Ñ ó÷åòîì ñêîðîñòè õèìè÷åñêîé ðå-
Ð, ìÂò
200
150
100
η, %
1,5
1,3
1,1
0,5 0,6 0,7 gf , ã/÷
1
2
3
4
5
6
Ðèñ. 5. Çàâèñèìîñòü ýëåêòðè÷åñêîé ìîùíîñòè Ð (1, 2, 3) è
ÊÏÄ (4, 5, 6) ìèêðîãåíåðàòîðà îò ðàñõîäà òîïëèâà ïðè
øèðèíå ïðîìåæóòêà 2 ìì (1, 4), 2,3 ìì (2, 5), 2,5 ìì (3, 6)
(TC=50°Ñ, R=28�30 Ê/Âò, λ=0,014 Âò/(ñì·Ê))
àêöèè îêèñëåíèÿ òîïëèâà è ñîîòíîøåíèÿ òîïëèâî/
âîçäóõ, ïîñòóïàþùèõ íà êàòàëèçàòîð, îïðåäåëåíû
ðàöèîíàëüíûé âîçäóøíûé ïðîìåæóòîê ìåæäó èñòî÷-
íèêîì òåïëà è ãîðÿ÷èì ðàäèàòîðîì, ðàáî÷èé èíòåð-
âàë ðàñõîäà òîïëèâà � 0,6�0,8 ã/÷ è âåëè÷èíà òåï-
ëîâîé íàãðóçêè � 6�10 Âò/ñì3.
Óñòàíîâëåíû ïàðàìåòðû ÒÝÁ èç ìàòåðèàëà íà
îñíîâå ³2Òå3 äëÿ ìèêðîãåíåðàòîðà â èíòåðâàëå ìîù-
íîñòåé 130�150 ìÂò. Ïîêàçàíî, ÷òî ïðè èñïîëüçî-
âàíèè òåðìîýëåêòðè÷åñêîãî ìàòåðèàëà ñ òåïëîïðî-
âîäíîñòüþ 0,014 Âò/(ñì·Ê) ìîæíî îæèäàòü ïîëó÷å-
íèÿ ÊÏÄ ìèêðîãåíåðàòîðà íà óðîâíå 1,7%.
Îêîí÷àòåëüíûå âûâîäû î äîñòèæèìûõ ïàðàìåò-
ðàõ ìèêðîãåíåðàòîðîâ è îïòèìèçàöèè èõ êîíñòðóê-
öèè àâòîðû íàìåðåíû îïóáëèêîâàòü ïîñëå ýêñïåðè-
ìåíòàëüíîé ïðîâåðêè ìàêåòà, ñïðîåêòèðîâàííîãî íà
îñíîâå èññëåäîâàíèé, ïðåäñòàâëåííûõ â íàñòîÿùåé
ïóáëèêàöèè.
ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÍÛÅ ÈÑÒÎ×ÍÈÊÈ
1. Àíàòû÷óê Ë. È., Ñåìåíþê Â. À. Îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå
ñâîéñòâàìè òåðìîýëåêòðè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ è ïðèáîðîâ.� ×åð-
íîâöû: Ïðóò, 1992.
2. Îõîòèí À. Ñ., Åôðåìîâ À. À., Îõîòèí Â. Ñ., Ïóøêàðñêèé
À. Ñ. Òåðìîýëåêòðè÷åñêèå ãåíåðàòîðû.� Ì.: Àòîìèçäàò, 1971.
3. Êîòèðëî Ã. Ê., Ëîáóíåö Þ. Í. Ðàñ÷åò è êîíñòðóèðîâàíèå
òåðìîýëåêòðè÷åñêèõ ãåíåðàòîðîâ è òåïëîâûõ íàñîñîâ.� Êèåâ:
Íàóêîâà äóìêà, 1980.
4. Jacquot A., Liu W. L., Chen G. et al. Fabrication and modeling
of an in-plane Thermoelectric micro-generator // Proc. of the 21st
International conference thermoelectrics.� Long Beach, CA.�
2002.� P. 561.
5. Maruta K., Takeda K. Catalytic combustion in microchannels
for MEMS power generation // The third asia-pacific conference on
combustion.� Seoul, Korea.� June 24�27, 2001.
6. Sitzki L., Borer K., Schuster E. et al. Combustion in microscale
heat-recirculating burners // Ibid.� P. 86�94.
7. Ìèõàéëîâñüêèé Â. ß. Òåðìîåëåêòðè÷í³ ì³êðîãåíåðàòîðè ç
êàòàë³òè÷íèì ñïàëþâàííÿì ïðîïàí-áóòàíó // Òåðìîåëåêòðèêà.�
2002.� ¹ 4.� Ñ. 86�90.
8. Èñàåâ Ñ. È., Ìèðîíîâ Á. Ì., Íèêèòèí Â. Ì., Õâîñòîâ Â. È.
Îñíîâû òåðìîäèíàìèêè, ãàçîâîé äèíàìèêè è òåïëîïåðåäà÷è.�
Ì.: Ìàøèíîñòðîåíèå, 1968.
9. Ãðèãîðüåâ Â. À., Çîðèí Â. Ì. Òåïëî- è ìàññîîáìåí. Òåïëî-
òåõíè÷åñêèé ýêñïåðèìåíò.� Ì.: Ýíåðãîèçäàò, 1982.
10. Áîðåñêîâ Ã. Ê. Ãåòåðîãåííûé êàòàëèç.� Ì.: Íàóêà, 1986.
11. Ìàðãîëèñ Ë. ß. Ãåòåðîãåííîå êàòàëèòè÷åñêîå îêèñëåíèå
óãëåâîäîðîäîâ.� Ë.: Õèìèÿ, 1967.
12. Ïëàíîâñêèé À. Í., Ðàìì Â. Ì., Êàãàí Ñ. Ç. Ïðîöåññû è
àïïàðàòû õèìè÷åñêîé òåõíîëîãèè.� Ì.: Ãîñõèìèçäàò, 1962.
13. Ðîìàíêîâ Ï. Ã., Êóðî÷êèíà Ì. È. Ãèäðîìåõàíè÷åñêèå ïðî-
öåññû õèìè÷åñêîé òåõíîëîãèè.� Ë.: Õèìèÿ, 1974.
14. Ôðàíê-Êàìåíåöêèé Ä. À. Äèôôóçèÿ è òåïëîïåðåäà÷à â
õèìè÷åñêîé êèíåòèêå.� Ì.: Íàóêà, 1967.
15. Âàðãèíà À. Á., Êîâàëüñêèé Ð. Â. Òåïëîâîé ðàñ÷åò òåðìî-
ýëåêòðè÷åñêèõ ãåíåðàòîðîâ ñ åñòåñòâåííîé öèðêóëÿöèåé òåïëîíî-
ñèòåëÿ // Ýíåðãåòèêà è òðàíñïîðò.� 1980.� ¹ 1.� Ñ. 170�175.
16. Íèêîëüñêèé Á. Ï. Ñïðàâî÷íèê õèìèêà. III òîì.� Ë.: Ãîñ-
õèìèçäàò, 1952.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-52405 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2225-5818 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:27:12Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Струтинская, Л.Т. 2013-12-31T18:05:42Z 2013-12-31T18:05:42Z 2008 Моделирование термоэлектрического микрогенератора с каталитическим источником тепла на газовом топливе / Л.Т. Струтинская // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2008. — № 2. — С. 25-30. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 2225-5818 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/52405 В работе представлены результаты исследований микрогенератора с каталитическим источником тепла на газовом топливе. Предложена модель микрогенератора со встречной подачей реагентов на катализатор. ru Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України Технология и конструирование в электронной аппаратуре Вопросы приборостроения Моделирование термоэлектрического микрогенератора с каталитическим источником тепла на газовом топливе Моделювання термоелектричного мікрогенератора з каталітичним джерелом тепла на газовому паливі Simulation of thermoelectric microgenerator with gas-fueled catalytic heat source Article published earlier |
| spellingShingle | Моделирование термоэлектрического микрогенератора с каталитическим источником тепла на газовом топливе Струтинская, Л.Т. Вопросы приборостроения |
| title | Моделирование термоэлектрического микрогенератора с каталитическим источником тепла на газовом топливе |
| title_alt | Моделювання термоелектричного мікрогенератора з каталітичним джерелом тепла на газовому паливі Simulation of thermoelectric microgenerator with gas-fueled catalytic heat source |
| title_full | Моделирование термоэлектрического микрогенератора с каталитическим источником тепла на газовом топливе |
| title_fullStr | Моделирование термоэлектрического микрогенератора с каталитическим источником тепла на газовом топливе |
| title_full_unstemmed | Моделирование термоэлектрического микрогенератора с каталитическим источником тепла на газовом топливе |
| title_short | Моделирование термоэлектрического микрогенератора с каталитическим источником тепла на газовом топливе |
| title_sort | моделирование термоэлектрического микрогенератора с каталитическим источником тепла на газовом топливе |
| topic | Вопросы приборостроения |
| topic_facet | Вопросы приборостроения |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/52405 |
| work_keys_str_mv | AT strutinskaâlt modelirovanietermoélektričeskogomikrogeneratoraskatalitičeskimistočnikomteplanagazovomtoplive AT strutinskaâlt modelûvannâtermoelektričnogomíkrogeneratorazkatalítičnimdžerelomteplanagazovomupaliví AT strutinskaâlt simulationofthermoelectricmicrogeneratorwithgasfueledcatalyticheatsource |