Моделирование термоэлектрической системы генерирования тепловой и электрической энергии
Предложена аналитическая модель термоэлектрического генератора (ТЭГ) на газовом топливе с водяным охлаждением. Описан метод оптимизации ТЭГ с учетом его функционального назначения....
Gespeichert in:
| Datum: | 2005 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2005
|
| Schriftenreihe: | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/53604 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Моделирование термоэлектрической системы генерирования тепловой и электрической энергии / В.Я. Михайловский, Л.Т. Струтинская, Е.В. Чайковская // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2005. — № 4. — С. 27-30. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-53604 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-536042025-02-09T09:42:54Z Моделирование термоэлектрической системы генерирования тепловой и электрической энергии Моделювання термоелектричної системи генерування теплової та електричної енергії Simulation of thermoelectric heat and electric power generation system Михайловский, В.Я. Струтинская, Л.Т. Чайковская, Е.В. Энергетическая электроника Предложена аналитическая модель термоэлектрического генератора (ТЭГ) на газовом топливе с водяным охлаждением. Описан метод оптимизации ТЭГ с учетом его функционального назначения. 2005 Article Моделирование термоэлектрической системы генерирования тепловой и электрической энергии / В.Я. Михайловский, Л.Т. Струтинская, Е.В. Чайковская // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2005. — № 4. — С. 27-30. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 2225-5818 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/53604 ru Технология и конструирование в электронной аппаратуре application/pdf Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Энергетическая электроника Энергетическая электроника |
| spellingShingle |
Энергетическая электроника Энергетическая электроника Михайловский, В.Я. Струтинская, Л.Т. Чайковская, Е.В. Моделирование термоэлектрической системы генерирования тепловой и электрической энергии Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| description |
Предложена аналитическая модель термоэлектрического генератора (ТЭГ) на газовом топливе с водяным охлаждением. Описан метод оптимизации ТЭГ с учетом его функционального назначения. |
| format |
Article |
| author |
Михайловский, В.Я. Струтинская, Л.Т. Чайковская, Е.В. |
| author_facet |
Михайловский, В.Я. Струтинская, Л.Т. Чайковская, Е.В. |
| author_sort |
Михайловский, В.Я. |
| title |
Моделирование термоэлектрической системы генерирования тепловой и электрической энергии |
| title_short |
Моделирование термоэлектрической системы генерирования тепловой и электрической энергии |
| title_full |
Моделирование термоэлектрической системы генерирования тепловой и электрической энергии |
| title_fullStr |
Моделирование термоэлектрической системы генерирования тепловой и электрической энергии |
| title_full_unstemmed |
Моделирование термоэлектрической системы генерирования тепловой и электрической энергии |
| title_sort |
моделирование термоэлектрической системы генерирования тепловой и электрической энергии |
| publisher |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| publishDate |
2005 |
| topic_facet |
Энергетическая электроника |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/53604 |
| citation_txt |
Моделирование термоэлектрической системы генерирования тепловой и электрической энергии / В.Я. Михайловский, Л.Т. Струтинская, Е.В. Чайковская // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2005. — № 4. — С. 27-30. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| work_keys_str_mv |
AT mihajlovskijvâ modelirovanietermoélektričeskojsistemygenerirovaniâteplovojiélektričeskojénergii AT strutinskaâlt modelirovanietermoélektričeskojsistemygenerirovaniâteplovojiélektričeskojénergii AT čajkovskaâev modelirovanietermoélektričeskojsistemygenerirovaniâteplovojiélektričeskojénergii AT mihajlovskijvâ modelûvannâtermoelektričnoísistemigeneruvannâteplovoítaelektričnoíenergíí AT strutinskaâlt modelûvannâtermoelektričnoísistemigeneruvannâteplovoítaelektričnoíenergíí AT čajkovskaâev modelûvannâtermoelektričnoísistemigeneruvannâteplovoítaelektričnoíenergíí AT mihajlovskijvâ simulationofthermoelectricheatandelectricpowergenerationsystem AT strutinskaâlt simulationofthermoelectricheatandelectricpowergenerationsystem AT čajkovskaâev simulationofthermoelectricheatandelectricpowergenerationsystem |
| first_indexed |
2025-11-25T11:24:01Z |
| last_indexed |
2025-11-25T11:24:01Z |
| _version_ |
1849761301006385152 |
| fulltext |
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2005, ¹ 4
27
ÝÍÅÐÃÅÒÈ×ÅÑÊÀß ÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ
Öåëüþ äàííîé ðàáîòû ÿâëÿåòñÿ ïîñòðîåíèå àíàëè-
òè÷åñêîé ìîäåëè òåðìîýëåêòðè÷åñêîé ñèñòåìû ãåíå-
ðèðîâàíèÿ òåïëîâîé è ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè, îïòè-
ìèçàöèÿ ýíåðãåòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ÒÝÃ.
Ôèçè÷åñêàÿ ìîäåëü
Ôèçè÷åñêàÿ ìîäåëü òåðìîýëåêòðè÷åñêîãî ãåíåðà-
òîðà òåïëà è ýëåêòðè÷åñòâà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 1.
Èñòî÷íèêîì òåïëà â äàííîé ìîäåëè ÒÝà ÿâëÿåòñÿ
õèìè÷åñêàÿ ðåàêöèÿ ãîðåíèÿ ïðîïàí-áóòàíîâîé ñìå-
ñè ñ âûäåëåíèåì òåïëîâîé ìîùíîñòè Q:
Q=gG, (1)
Òåïëî 'Q1 îò èñòî÷íèêà òåïëà 1 ê ãîðÿ÷åìó ðàäèàòî-
ðó 2 ïåðåäàåòñÿ êîíâåêòèâíûì ïóòåì è èçëó÷åíèåì:
( ) ( )' 4 4
1 0 1 1åó áG wr w G wrQ T T S T T S= − + − , (2)
Äëÿ âûáðàííîãî òèïà è êîíñòðóêöèè èñòî÷íèêà òåïëà
ïîòåðè íà åãî ýëåìåíòàõ ñîñòàâëÿþò îêîëî 3%, ò. å.
Q0=0,03Q. (3)
ÌÎÄÅËÈÐÎÂÀÍÈÅ ÒÅÐÌÎÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÎÉ ÑÈÑÒÅÌÛ
ÃÅÍÅÐÈÐÎÂÀÍÈß ÒÅÏËÎÂÎÉ È ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÎÉ ÝÍÅÐÃÈÈ
Ê. õ. í. Â. ß. ÌÈÕÀÉËÎÂÑÊÈÉ, ê. õ. í. Ë. Ò. ÑÒÐÓÒÈÍÑÊÀß,
Å. Â. ×ÀÉÊÎÂÑÊÀß
Óêðàèíà, ã. ×åðíîâöû, Èíñòèòóò òåðìîýëåêòðè÷åñòâà
E-mail: vimot@bk.ru
ýôôåêòèâíàÿ ñòåïåíü ÷åðíîòû ñèñòåìû "èñòî÷íèê òåïëà
� ãîðÿ÷èé ðàäèàòîð";
ïîñòîÿííàÿ Ñòåôàíà�Áîëüöìàíà;
ñðåäíÿÿ òåìïåðàòóðà ãîðÿ÷èõ ãàçîâ â ñèñòåìå "èñòî÷-
íèê òåïëà � ãîðÿ÷èé ðàäèàòîð";
òåìïåðàòóðà ãîðÿ÷åãî ðàäèàòîðà;
ïëîùàäü òåïëîïðèíèìàþùåé ïîâåðõíîñòè ãîðÿ÷åãî ðà-
äèàòîðà;
êîýôôèöèåíò êîíâåêòèâíîãî òåïëîîáìåíà ìåæäó ãîðÿ-
÷èì ãàçîì è ïîâåðõíîñòüþ ãîðÿ÷åãî ðàäèàòîðà.
ãäå ε �
σ0 �
ÒG �
Ò1 �
Swr �
αw �
Äàòà ïîñòóïëåíèÿ â ðåäàêöèþ
05.04 2005 ã.
Îïïîíåíò ä. ò. í. À. À. ÄÐÓÆÈÍÈÍ
(ÍÒÓ "Ëüâîâñêàÿ ïîëèòåõíèêà", ã. Ëüâîâ)
Ïðåäëîæåíà àíàëèòè÷åñêàÿ ìîäåëü òåð-
ìîýëåêòðè÷åñêîãî ãåíåðàòîðà (ÒÝÃ) íà
ãàçîâîì òîïëèâå ñ âîäÿíûì îõëàæäåíè-
åì. Îïèñàí ìåòîä îïòèìèçàöèè ÒÝÃ ñ
ó÷åòîì åãî ôóíêöèîíàëüíîãî íàçíà÷åíèÿ.
Áëàãîäàðÿ ïîñëåäíèì äîñòèæåíèÿì â îáëàñòè ðàç-
ðàáîòêè òåðìîýëåêòðè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ è ñèñòåì [1,
2] âîçîáíîâèëñÿ èíòåðåñ ê ïðèìåíåíèþ òåðìîýëåêò-
ðè÷åñòâà äëÿ ãåíåðèðîâàíèÿ ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè.
Ïðåèìóùåñòâà òåðìîýëåêòðè÷åñêèõ ñèñòåì � îòñóò-
ñòâèå ïîäâèæíûõ ÷àñòåé, áåñøóìíàÿ ðàáîòà, ïåð-
ñïåêòèâû ýêîëîãè÷åñêîé ÷èñòîòû è âîçìîæíîñòè ðå-
êóïåðàöèè îòðàáîòàííîé òåïëîâîé ýíåðãèè � óñèëè-
âàþò ýòó çàèíòåðåñîâàííîñòü. Íåîáõîäèìîñòü ðàçðà-
áîòîê ñîâåðøåííûõ òåðìîýëåêòðè÷åñêèõ ñèñòåì ñ
öåëüþ ïîëó÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîé ýëåêòðè÷åñêîé ìîù-
íîñòè è ÊÏÄ ïîâûøàåò âàæíîñòü ìåòîäîâ êîìïüþ-
òåðíîãî ìîäåëèðîâàíèÿ òàêèõ ñèñòåì.
 ðàáîòå [3] ïðåäñòàâëåíà àíàëèòè÷åñêàÿ ìîäåëü
òåðìîýëåêòðè÷åñêîãî ãåíåðàòîðà (ÒÝÃ), ðàáîòà êîòî-
ðîãî îñíîâàíà íà ïðèíöèïå âñòðå÷íûõ ïîòîêîâ òåï-
ëîíîñèòåëåé. Îíà ïîçâîëÿåò ïðîãíîçèðîâàòü ðàáî÷èå
õàðàêòåðèñòèêè ãåíåðàòîðà è âëèÿíèå íåêîòîðûõ ðà-
áî÷èõ ïàðàìåòðîâ íà õàðàêòåðèñòèêè ÒÝÃ. Àâòîðû ðà-
áîò [1, 4] ðåøàþò çàäà÷è ïðîåêòèðîâàíèÿ ÒÝà ñ ó÷å-
òîì îñîáåííîñòåé èõ ïðèìåíåíèÿ ñ íèçêîïîòåíöèàëü-
íûìè èñòî÷íèêàìè òåïëà [5], äëÿ êîòîðûõ ãëàâíàÿ
öåëü � íàäåæíîñòü, à íå ÊÏÄ. Çàäà÷à îïòèìèçàöèè
êîíñòðóêòèâíûõ ïàðàìåòðîâ ðåøàåòñÿ àâòîðàìè [2,
6] ïðè ìîäåëèðîâàíèè òåðìîýëåêòðè÷åñêèõ óñòðîéñòâ
ñ âûñîêîé ïëîòíîñòüþ ýíåðãîâûäåëåíèÿ, â êîòîðûõ
èñïîëüçîâàíà òåïëîâàÿ èçîëÿöèÿ. Â ïðèâåäåííûõ ðà-
áîòàõ òåðìîãåíåðàòîðû ðàññìàòðèâàþòñÿ òîëüêî êàê
èñòî÷íèêè ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè.
Ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâóþò ïóáëèêàöèè ðàáîò, â êî-
òîðûõ êîìïëåêñíî èññëåäîâàëèñü áû òåðìîýëåêòðè-
÷åñêèå ñèñòåìû òåïëîâîé è ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè ñ
ó÷åòîì ðàöèîíàëüíûõ êîíñòðóêòèâíûõ ðåøåíèé, ôóíê-
öèîíàëüíîãî íàçíà÷åíèÿ, â òîì ÷èñëå â óñëîâèÿõ àâ-
òîíîìíîãî èñïîëüçîâàíèÿ. Âìåñòå ñ òåì êîãåíåðàöè-
îííûå ñèñòåìû ìîãóò èìåòü øèðîêîå ïðàêòè÷åñêîå
èñïîëüçîâàíèå. Êîìáèíèðîâàííîå ïðîèçâîäñòâî òåï-
ëîâîé è ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè ïîçâîëÿåò óâåëè÷èòü
êîýôôèöèåíò ïîëåçíîãî èñïîëüçîâàíèÿ òåïëîòâîðíîé
ñïîñîáíîñòè òîïëèâà äî 90%. Ïðè ýòîì ñåáåñòîè-
ìîñòü ïðîèçâîäñòâà ýëåêòðîýíåðãèè ñíèæàåòñÿ â 2�
2,5 ðàçà [7].
ãäå g �
G �
ðàñõîä òîïëèâà;
òåïëîòâîðíàÿ ñïîñîáíîñòü òîïëèâà.
Q3 T5
Q
TG
Q0
Q1
Q'1
Q2
Q4
Q'4
Q6
T1 T2T0
Tg
T4
Rí
2 3 4 51
6
7
T3
Ðèñ. 1. Ôèçè÷åñêàÿ ìîäåëü ãåíåðàòîðà ñ âîäÿíûì îõëàæäåíèåì:
1 � èñòî÷íèê òåïëà; 2 � ãîðÿ÷èé ðàäèàòîð; 3 � òåðìîýëåêòðè-
÷åñêàÿ áàòàðåÿ; 4 � õîëîäíûé æèäêîñòíûé ðàäèàòîð; 5 � èçîëÿ-
öèÿ; 6 � öèðêóëÿöèîííûé íàñîñ; 7 � õîëîäíûé âîçäóøíî-æèä-
êîñòíûé ðàäèàòîð
28
ÝÍÅÐÃÅÒÈ×ÅÑÊÀß ÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2005, ¹ 4
×àñòü ãåíåðèðîâàííîãî òåïëà Q3 îòâîäèòñÿ â îêðó-
æàþùóþ ñðåäó ñ ïðîäóêòàìè ðåàêöèè ãîðåíèÿ ÑÎ2,
Í2Î è àçîòîì âîçäóõà, êîòîðûé íåîáõîäèì äëÿ ãîðå-
íèÿ òîïëèâà:
( )
( ) ( )
2 2 2
2
2
3 CO H O N
CO 1 5 0
'
H O 2 5 3 0
;
3;
100 100 1,615;
p
p p
Q Q Q Q
Q c T T g
Q c T c T g
= + +
= − ⋅
= − + + − ⋅ λ
( ) ( )
2N 0 5 0 4 5 017,25 3,624,p pQ c T T g c T T g= − ⋅ − − ⋅
(4)
Ïîëåçíîå òåïëî Q1 ïåðåäàåòñÿ îò ãîðÿ÷åãî ðàäèà-
òîðà 2 ê òåðìîýëåêòðè÷åñêîé áàòàðåå (ÒÝÁ) 3 òåïëî-
ïðîâîäíîñòüþ.
Íà ýëåìåíòàõ êîíñòðóêöèè òåðìîïðåîáðàçîâàòåëÿ
òåðÿåòñÿ ÷àñòü òåïëà Q2:
( )21
è
2 TT
L
S
Q −λ= , (5)
Òåïëîâîé ïîòîê Q1 óñòàíàâëèâàåòñÿ â çàâèñèìî-
ñòè îò ðàçíîñòè òåìïåðàòóð Ò1�Ò2 íà ñïàÿõ ÒÝÁ, êî-
òîðàÿ, ñîãëàñíî çàêîíó Çååáåêà, ãåíåðèðóåò ÝÄÑ. Â
çàìêíóòîé öåïè íà íàãðóçêå Rí âûäåëÿåòñÿ ýëåêòðè-
÷åñêàÿ ìîùíîñòü Ð, ïðè÷åì
Q1=Ð +Q4. (6)
Òåïëî Q4 îòâîäèòñÿ îò ÒÝÁ ïîòîêîì âîäû, êîòî-
ðàÿ öèðêóëèðóåò â æèäêîñòíîì ðàäèàòîðå 4:
Q4=gâñp3(T4�T3), (7)
Òåïëî, êîòîðîå ïåðåäàåòñÿ æèäêîñòíûì ðàäèà-
òîðîì 4,
Q5=αcSwt(T2�T0), (8)
ãäå αc, Swt � ñîîòâåòñòâåííî êîýôôèöèåíò òåïëîîá-
ìåíà è ïëîùàäü òåïëîïðèíèìàþùåé ïîâåðõíîñòè õî-
ëîäíîãî æèäêîñòíîãî ðàäèàòîðà.
 ðàññìàòðèâàåìîé ìîäåëè ÒÝà Q6 � ýòî òåïëî,
ðàññåèâàåìîå â îêðóæàþùóþ ñðåäó âîçäóøíî-æèä-
êîñòíûì ðàäèàòîðîì 7:
3 4
6 ýô 02 r
T T
Q T S
+ = −
α , (9)
Âåëè÷èíà Q1 äëÿ ÒÝà çàäàííîé ýëåêòðè÷åñêîé
ìîùíîñòè ïîëó÷åíà èñõîäÿ èç ìîùíîñòè Ð' îäíîãî
ñòàíäàðòíîãî ìîäóëÿ ïðè îïðåäåëåííûõ òåìïåðàòó-
ðàõ ãîðÿ÷åé Ò1 è õîëîäíîé Ò2 ñòîðîí ÒÝÁ, åãî ÊÏÄ
η' è êîëè÷åñòâà ìîäóëåé n:
1 2
1 1 2
1 2
'( , )
( , )
ç'( , )
P T T
Q T T n
T T
= . (10)
Òåìïåðàòóðíûå çàâèñèìîñòè ýëåêòðè÷åñêèõ ïàðà-
ìåòðîâ ñòàíäàðòíûõ ìîäóëåé À-1061, êîòîðûå èñïîëü-
çîâàíû â äàííîé ìîäåëè ÒÝÃ, ïðèâåäåíû â [8].
Âàðèàíò ÒÝÃ, ðàññìàòðèâàåìûé â äàííîé ðàáîòå,
ñîäåðæèò ÒÝÁ, êîòîðàÿ ñîñòîèò èç 24 ìîäóëåé, ñî-
åäèíåííûõ ïîñëåäîâàòåëüíî-ïàðàëëåëüíî äëÿ îáåñ-
ïå÷åíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî íàïðÿæåíèÿ íå ìåíåå 12  è
âûõîäíîé ýëåêòðè÷åñêîé ìîùíîñòè íå ìåíåå 100 Âò.
ÊÏÄ òåðìîãåíåðàòîðà
'
Q
Q η=η 1 . (11)
Ãðàôèê ôóíêöèè η(Ò1, Ò2) ïðèâåäåí íà ðèñ. 2.
Èç ðèñ. 2 âèäíî, ÷òî ïðè Ò1=280°Ñ è Ò2=40°Ñ ìàê-
ñèìàëüíîå çíà÷åíèå ÊÏÄ òåðìîýëåêòðè÷åñêîãî ãåíåðà-
òîðà ìîæåò äîñòèãàòü 4%. Ïðè ýòîì ìàêñèìàëüíàÿ ýëåê-
òðè÷åñêàÿ ìîùíîñòü ñîñòàâëÿåò 151 Âò ïðè Q=3767 Âò.
(Ìèíèìàëüíûé ðàñõîä òîïëèâà ñîñòàâëÿåò 295 ã/÷.)
Àëãîðèòì ðàñ÷åòà
Îáùàÿ ìåòîäèêà ðàñ÷åòà òåðìîýëåêòðè÷åñêîé ñè-
ñòåìû ãåíåðèðîâàíèÿ òåïëîâîé è ýëåêòðè÷åñêîé ýíåð-
ãèè äîëæíà ó÷èòûâàòü:
� ãåíåðèðîâàíèå òåïëà èëè îáùèé òåïëîâîé ïî-
òîê îò èñòî÷íèêà òåïëà;
� ñïîñîá ïîäâåäåíèÿ òåïëà ê òåðìîýëåêòðè÷åñêèì
ìîäóëÿì;
� ñïîñîá îòâîäà òåïëà îò òåðìîýëåêòðè÷åñêèõ ìî-
äóëåé è åãî äàëüíåéøåå èñïîëüçîâàíèå (íàïðèìåð äëÿ
îáîãðåâà ïîìåùåíèé);
� ïîòåðè òåïëà ñ ïðîäóêòàìè ñãîðàíèÿ, êîòîðûå
îòâîäÿòñÿ â îêðóæàþùóþ ñðåäó;
� ïîòåðè òåïëà íà ýëåìåíòàõ êîíñòðóêöèè èñòî÷-
íèêà òåïëà è òåðìîïðåîáðàçîâàòåëÿ;
� ãåíåðèðîâàíèå ìàêñèìàëüíîé èñõîäíîé ýëåêòðè-
÷åñêîé ìîùíîñòè ñ ó÷åòîì çàòðàò ýëåêòðè÷åñêîé ýíåð-
ãèè íà ïðèíóäèòåëüíóþ öèðêóëÿöèþ òåïëîíîñèòåëÿ.
ãäå λè �
S �
L �
Ò2 �
òåïëîïðîâîäíîñòü èçîëÿöèîííîãî ìàòåðèàëà;
ïëîùàäü òåïëîîòäàþùåé ïîâåðõíîñòè ãîðÿ÷åãî ðàäèà-
òîðà, êîòîðàÿ íå çàíÿòà ìîäóëÿìè;
òîëùèíà ñëîÿ òåïëîèçîëÿöèè;
òåìïåðàòóðà õîëîäíîé ñòîðîíû ÒÝÁ.
ãäå gâ �
T3, T4 �
ðàñõîä âîäû;
çíà÷åíèÿ òåìïåðàòóðû âîäû íà âõîäå è íà âûõîäå ðàäè-
àòîðà, ñîîòâåòñòâåííî.
ãäå αýô �
Ò3, Ò4 �
Sr �
ýôôåêòèâíûé êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è äëÿ âîçäóø-
íî-æèäêîñòíîãî ðàäèàòîðà â óñëîâèÿõ ñâîáîäíîé êîí-
âåêöèè âîçäóõà;
ñîîòâåòñòâåííî çíà÷åíèÿ òåìïåðàòóðû âîäû íà âûõî-
äå è âõîäå ðàäèàòîðà;
ïëîùàäü òåïëîîòäàþùåé ïîâåðõíîñòè.
η, %
T2, °C
Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòü ÊÏÄ òåðìîýëåêòðè÷åñêîãî ãåíåðà-
òîðà îò çíà÷åíèé òåìïåðàòóðû ãîðÿ÷åé è õîëîäíîé ñòî-
ðîí òåðìîýëåêòðè÷åñêîé áàòàðåè
T1, °C
ãäå ñð0, ñð1, ñð2, ñð3, ñð4 �
Ò5 �
Ò0 �
λ' �
çíà÷åíèÿ òåïëîåìêîñòè ñîîòâåòñòâåííî
âîçäóõà, ÑÎ2, âîäÿíîãî ïàðà, âîäû è
êèñëîðîäà;
òåìïåðàòóðà ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ íà âû-
õîäå èç ãîðÿ÷åãî ðàäèàòîðà;
òåìïåðàòóðà îêðóæàþùåé ñðåäû;
óäåëüíàÿ òåïëîòà ïàðîîáðàçîâàíèÿ âîäû;
êîýôôèöèåíòû 3 è 1,615 îïðåäåëÿþò ñîîòâåòñòâåííî ìàññîâûå
äîëè ÑÎ2 è Í2Î, êîòîðûå ïîëó÷àþòñÿ ïðè ñãîðàíèè åäèíèöû
ìàññû ïðîïàí-áóòàíîâîé ñìåñè, à êîýôôèöèåíòû 17,25 è 3,624
� ñîîòâåòñòâåííî ìàññó âîçäóõà è êèñëîðîäà.
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2005, ¹ 4
29
ÝÍÅÐÃÅÒÈ×ÅÑÊÀß ÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ
 îñíîâó àëãîðèòìà ðàñ÷åòà è îïòèìèçàöèè òåð-
ìîýëåêòðè÷åñêîãî ãåíåðàòîðà ïîëîæåíà ñèñòåìà óðàâ-
íåíèé òåïëîâîãî áàëàíñà, êîòîðàÿ îòâå÷àåò âûáðàí-
íîé ìîäåëè:
0 1 2 3
'
1 1 2
1 4
4 5
'
4 6 4
;
;
;
;
,
Q Q Q Q Q
Q Q Q
Q P Q
Q Q
Q Q Q
= + + +
= − = +
=
= +
(12)
ãäå 'Q4 � ïîòåðè òåïëà â ñèñòåìå "õîëîäíàÿ ñòîðîíà
ÒÝÁ � âîçäóøíî-æèäêîñòíûé ðàäèàòîð".
Ïðèìåì, ÷òî Ò1≤320°Ñ, 40°Ñ<Ò2<80°Ñ, òåìïåðà-
òóðà ãîðÿ÷åãî ðàäèàòîðà Ò1 ðàâíà òåìïåðàòóðå ãîðÿ-
÷åé ñòîðîíû ÒÝÁ.
Îñíîâíûå èñõîäíûå äàííûå äëÿ ðàñ÷åòà ÒÝÃ:
� òåìïåðàòóðà îêðóæàþùåé ñðåäû Ò0=20°Ñ;
� òåïëîòâîðíàÿ ñïîñîáíîñòü òîïëèâà G=10,95 êêàë/ã;
� ýôôåêòèâíàÿ ñòåïåíü ÷åðíîòû ñèñòåìû "èñòî÷-
íèê òåïëà � ãîðÿ÷èé ðàäèàòîð" ε=0,3;
� ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè ãîðÿ÷åãî ðàäèàòîðà, ïî-
êðûòàÿ èçîëÿöèåé, S=0,14 ì2;
� òîëùèíà ñëîÿ èçîëÿöèè L=27 ìì;
� òåïëîïðîâîäíîñòü èçîëÿöèîííîãî ìàòåðèàëà
λè=0,1 Âò/(ì·Ê).
Äîïîëíèòåëüíî äîëæíû áûòü çàäàíû:
� ðàñõîä òîïëèâà g;
� êîýôôèöèåíò êîíâåêòèâíîãî òåïëîîáìåíà ãî-
ðÿ÷åãî ðàäèàòîðà αw;
� ïëîùàäü òåïëîïðèíèìàþùåé ïîâåðõíîñòè ãî-
ðÿ÷åãî ðàäèàòîðà Swr;
� êîýôôèöèåíò òåïëîîáìåíà ìåæäó ïîâåðõíîñòüþ
õîëîäíîãî æèäêîñòíîãî ðàäèàòîðà è öèðêóëÿöèîííîé
âîäîé αñ;
� ýôôåêòèâíûé êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è äëÿ âîç-
äóøíî-æèäêîñòíîãî ðàäèàòîðà â óñëîâèÿõ ñâîáîä-
íîé êîíâåêöèè αýô;
� ïëîùàäü òåïëîïðèíèìàþùåé ïîâåðõíîñòè õî-
ëîäíîãî æèäêîñòíîãî ðàäèàòîðà Swt;
� ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè õîëîäíîãî âîçäóøíî-
æèäêîñòíîãî ðàäèàòîðà Sr;
� ýëåêòðè÷åñêàÿ ìîùíîñòü, íåîáõîäèìàÿ äëÿ ðà-
áîòû öèðêóëÿöèîííîãî íàñîñà, Ðð.
Òàêèå èñõîäíûå äàííûå ïîëíîñòüþ îïðåäåëÿþò
ñèñòåìó ïîäâîäà è îòâîäà òåïëà â òåðìîýëåêòðè÷åñêîì
ãåíåðàòîðå, ò. å. ñèñòåìà óðàâíåíèé (12) ïîçâîëÿåò îä-
íîçíà÷íî îïðåäåëèòü çíà÷åíèÿ Ò1, Ò2, Ò3, Ò4 è Ò5.
Òåìïåðàòóðà ãîðÿ÷èõ ãàçîâ íà âõîäå â ãîðÿ÷èé
ðàäèàòîð îïðåäåëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå
g
A
T
B
= , (13)
ãäå
( )( )
( ) ( ) ( )
0 1 0 4
'
3 0
0,97 1,163 3 17,25 3,624
1,615 ë 100 ;
p p g p
g p g
A G T c c T c
T c T T
= ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ − −
− + ⋅ −
( ) ( )1 0 4 23 17,25 3,624 1,615 ,p p g p p gB c c T c c T= ⋅ + ⋅ − +
âñå îñòàëüíûå îáîçíà÷åíèÿ òàêèå æå, êàê è â (4).
Ñðåäíÿÿ òåìïåðàòóðà ãîðÿ÷èõ ãàçîâ â ñèñòåìå "èñ-
òî÷íèê òåïëà � ãîðÿ÷èé ðàäèàòîð" îïðåäåëÿåòñÿ êàê
TG=(Òg+Ò5)/2.
Äëÿ ïîëíîòû ðåøåíèÿ çàäà÷è ñèñòåìà äîëæíà áûòü
äîïîëíåíà óðàâíåíèÿìè äëÿ îïðåäåëåíèÿ èñõîäíîé
ýëåêòðè÷åñêîé ìîùíîñòè ÒÝÁ
Ð=ηQ=η'Q1 (14)
è ýëåêòðè÷åñêîé ìîùíîñòè òåðìîãåíåðàòîðà Ðâ ñ ó÷å-
òîì ìîùíîñòè, íåîáõîäèìîé äëÿ ðàáîòû öèðêóëÿöè-
îííîãî íàñîñà 7:
Ðâ=Ð�Ðð. (15)
Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà ÒÝÃ
Îïèñàííûé âûøå àëãîðèòì è ïðèâåäåííûå èñõîä-
íûå äàííûå ëåãëè â îñíîâó ðàçðàáîòêè êîìïüþòåð-
íîé ïðîãðàììû ðàñ÷åòà òåðìîýëåêòðè÷åñêîãî ãåíå-
ðàòîðà òåïëîâîé è ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè ñ îïòèìàëü-
íûìè õàðàêòåðèñòèêàìè.
Ãëàâíàÿ çàäà÷à ñâîäèòñÿ ê îïðåäåëåíèþ óñëîâèé
ìàêñèìèçàöèè ÊÏÄ, ò. å. ïîëó÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîé
ýëåêòðè÷åñêîé ìîùíîñòè ïðè ìèíèìàëüíîì ðàñõîäå
òîïëèâà. Îïðåäåëèì η êàê ôóíêöèþ Ò1 è Ò2 è íàéäåì
åå ìàêñèìóì.
Ïîñêîëüêó Ò1 è Ò2 â çíà÷èòåëüíîé ìåðå îïðåäåëÿþò-
ñÿ ðàñõîäîì òîïëèâà g, ò. å. òåïëîâîé ìîùíîñòüþ èñ-
òî÷íèêà òåïëà Q, áûëè èññëåäîâàíû çàâèñèìîñòè ÊÏÄ,
îáùåé ýëåêòðè÷åñêîé ìîùíîñòè òåðìîãåíåðàòîðà è ðàñ-
õîäà òîïëèâà îò îòíîøåíèÿ Ò1/Ò2. Òåìïåðàòóðû èçìå-
íÿëè â ïðåäåëàõ: 250°Ñ<Ò1<320°Ñ; 55°Ñ<Ò2< 75°Ñ.
Èç ðèñ. 3 âèäíî, ÷òî ìàêñèìóì ÊÏÄ 3,65% òåð-
ìîãåíåðàòîðà äîñòèãàåòñÿ ïðè Ò1/Ò2=3,9, ïðè ýòîì îá-
ùàÿ ýëåêòðè÷åñêàÿ ìîùíîñòü ñîñòàâëÿåò 127 Âò.
Ðàçðàáîòàííàÿ ïðîãðàììà ðåøåíèÿ ñèñòåìû óðàâ-
íåíèé òåïëîâîãî áàëàíñà (12) ïîçâîëèëà ðàññ÷èòàòü
çàâèñèìîñòè αñ, ∆Ò è ηÐ îò ðàñõîäà âîäû â õîëîäíîì
êîíòóðå (∆Ò=Ò4�Ò3, ηÐ � ÊÏÄ òåðìîãåíåðàòîðà ñ
ó÷åòîì ìîùíîñòè, íåîáõîäèìîé äëÿ ðàáîòû öèðêóëÿ-
öèîííîãî íàñîñà).
Èç ðèñ. 4 âèäíî, ÷òî çàâèñèìîñòü ηð(gâ) èìååò ýêñ-
òðåìàëüíûé õàðàêòåð, ò. å. ðàöèîíàëüíûì äèàïàçîíîì
çíà÷åíèé ðàñõîäà âîäû äëÿ âûáðàííîé ìîäåëè ÒÝÃ
ÿâëÿåòñÿ 300�400 ë/÷.  ðåçóëüòàòå ðàñ÷åòîâ ïðè
gâ=350 ë/÷ ïîëó÷åíû çíà÷åíèÿ η=3,7%, Ð=129 Âò.
Ýëåêòðè÷åñêàÿ ìîùíîñòü, ÊÏÄ òåðìîãåíåðàòîðà
è òåïëîâîé ÊÏÄ óñòðîéñòâà â öåëîì ñóùåñòâåííî çà-
âèñÿò îò òåìïåðàòóðû õîëîäíîé ñòîðîíû òåðìîáàòà-
3,6 3,8 4,0 4,2 T1/T2
450
395
340
285
230
3,8
3,6
3,4
3,2
3,0
156
128
100
g, ã/÷ η, % P, Âò
1
3
2
Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòü ìîùíîñòè (1), ÊÏÄ (2), ðàñõîäà òîï-
ëèâà (3) îò ñîîòíîøåíèÿ òåìïåðàòóð ãîðÿ÷åé è õîëîäíîé
ñòîðîí ÒÝÁ
30
ÝÍÅÐÃÅÒÈ×ÅÑÊÀß ÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2005, ¹ 4
ðåè. Ïðè ýêñïëóàòàöèè ÒÝà äëÿ îáåñïå÷åíèÿ íåîáõî-
äèìîãî òåïëîâîãî ðåæèìà â ïîìåùåíèè òåìïåðàòóðà
áàòàðåè äëÿ ðàññåÿíèÿ òåïëà áóäåò êîëåáàòüñÿ îò 40
äî 80°Ñ. Èç ðèñ. 5 âèäíî, ÷òî â òàêîì ñëó÷àå ýëåê-
òðè÷åñêàÿ ìîùíîñòü ÒÝà áóäåò èçìåíÿòüñÿ â ïðåäå-
ëàõ 118,7�142,6 Âò, à ÊÏÄ � îò 3,4 äî 4,1%.
Äàëüíåéøèå ðàñ÷åòû ïðîâîäèëè äëÿ òåìïåðàòóðû
Ò2=65°Ñ êàê íàèáîëåå öåëåñîîáðàçíîé ñ òî÷êè çðå-
íèÿ ïðàêòè÷åñêîé ýêñïëóàòàöèè ñèñòåì îòîïëåíèÿ.
Îäèí èç ïóòåé ïîâûøåíèÿ ÊÏÄ òåðìîãåíåðàòîðà
� ýòî ñíèæåíèå òåìïåðàòóðû Ò5 ïðîäóêòîâ ñãîðà-
íèÿ. Â ñèñòåìå ñ êîíâåêòèâíûì òåïëîîáìåíîì ýòîãî
äîñòèãàþò óâåëè÷åíèåì ïîâåðõíîñòè òåïëîîáìåíà ãî-
ðÿ÷åãî ðàäèàòîðà. ÊÏÄ èñòî÷íèêà òåïëà ïðè ýòîì
[9, ñ. 199]
( ) ( )
( ) ( )00
11
à TcTTcT
TcTTcT
pgpg
pgpg
−
−
=η , (17)
ãäå ñð(Ò) � òåïëîåìêîñòü ïðîäóêòîâ ñãîðàíèÿ ïðè
ñîîòâåòñòâóþùåé òåìïåðàòóðå.
Ìàêñèìóì ÊÏÄ áóäåò ïðè óñëîâèè äη/äÒ1=0. Ðå-
øåíèå ýòîãî óðàâíåíèÿ äàåò îïòèìàëüíîå çíà÷åíèå òåì-
ïåðàòóðû òåïëîïðèíèìàþùåé ïîâåðõíîñòè ãîðÿ÷åãî
ðàäèàòîðà, êîòîðàÿ ñîñòàâëÿåò Ò1=285°C. Ïðè ýòîì
Ò5=Ò1. Êîëè÷åñòâî òîïëèâà, êîòîðîå íåîáõîäèìî äëÿ
îñóùåñòâëåíèÿ òàêîãî ðåæèìà, ñîñòàâëÿåò g=275 ã/÷.
Çàâèñèìîñòè ηÅ, ηà è η îò Ò1 ïðèâåäåíû íà ðèñ. 6
(ηÅ � ÊÏÄ òåðìîýëåêòðîáàòàðåè).
Êàê âèäíî èç ðèñóíêà, ìàêñèìàëüíûå çíà÷åíèÿ
ÊÏÄ ñîñòàâëÿþò: äëÿ òåðìîãåíåðàòîðà η=3,85%, äëÿ
ÒÝÁ ηÅ=5,2%, äëÿ èñòî÷íèêà òåïëà ηÃ=74%.
Ñ öåëüþ ïîëó÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîé ýëåêòðè÷åñêîé
ìîùíîñòè ïðè ôèêñèðîâàííîì îáùåì êîëè÷åñòâå òåïëà
(Q=const) íåîáõîäèìî íàéòè òàêîå ñîîòíîøåíèå êîýô-
ôèöèåíòîâ òåïëîîáìåíà αw è αñ, ïðè êîòîðîì äîñòè-
12
10
8
6
4
2
9,0
8,0
7,0
6,0
5,0
200 300 400 500 600 gâ, ë/÷
∆T, °C αc,10�2 Âò/(ì2·Ê)
3,5
3,3
3,1
2,9
2,7
ηð, %
1
3
2
Ðèñ. 4. Çàâèñèìîñòè αñ (1), ∆Ò (2), ηð (3) îò ðàñõîäà âîäû
â õîëîäíîì êîíòóðå
40 50 60 70 T2, °Ñ
4,3
4,1
3,9
3,7
3,5
145
139
133
127
121
115
P, Âò η, %
Ðèñ. 5. Çàâèñèìîñòü ÊÏÄ (1) è ýëåêòðè÷åñêîé ìîùíîñòè
(2) ÒÝÃ îò òåìïåðàòóðû õîëîäíîé ñòîðîíû ÒÝÁ
1
2
ãàåòñÿ ìàêñèìàëüíûé ÊÏÄ òåðìîãåíåðàòîðà. Ðàñ÷åòû
ïîêàçàëè, ÷òî äëÿ ýòîãî çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòîâ òåï-
ëîîáìåíà äîëæíû íàõîäèòüñÿ â ñëåäóþùèõ ïðåäå-
ëàõ: αw=4,5�6,0 Âò/(ì2·Ê), αñ=650�850 Âò/(ì2·Ê).
ÊÏÄ ÒÝà ïðè ýòîì ñîñòàâëÿåò 4,5%, ýëåêòðè÷åñêàÿ
ìîùíîñòü � 156 Âò, à òåïëîâîé ÊÏÄ ηà äîñòèãàåò 89%.
***
Òàêèì îáðàçîì, ðàçðàáîòàíà àíàëèòè÷åñêàÿ ìîäåëü
òåðìîýëåêòðè÷åñêîãî ãåíåðàòîðà òåïëà è ýëåêòðè÷å-
ñòâà íà ãàçîâîì òîïëèâå ñ âîäÿíûì îõëàæäåíèåì.
Îíà ïîçâîëÿåò îïòèìèçèðîâàòü óñëîâèÿ ðàáîòû òåð-
ìîãåíåðàòîðà ñ ó÷åòîì åãî ôóíêöèîíàëüíîãî íàçíà-
÷åíèÿ. Ïîëó÷åíî, ÷òî ÊÏÄ òåðìîãåíåðàòîðà âûáðàí-
íîé êîíñòðóêöèè ìîæåò äîñòèãàòü 4,5%, à òåïëîâîé
ÊÏÄ óñòðîéñòâà â öåëîì � 89%.
Ïîñòðîåííàÿ ìîäåëü ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàíà äëÿ
äàëüíåéøèõ ðàçðàáîòîê òåðìîãåíåðàòîðîâ íà îðãàíè-
÷åñêîì òîïëèâå, âêëþ÷àÿ ìîäåëèðîâàíèå ðàçëè÷íûõ
êîíôèãóðàöèé òåïëîîáìåííûõ ñèñòåì.
ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÍÛÅ ÈÑÒÎ×ÍÈÊÈ
1. Bell L. E. Alternate thermoelectric thermodynamic cycles
with improved power generation efficiencies / 22nd International
Conference on Thermoelectrics.� France.� 2003.� P. 558�562.
2. Diller R. W., Chang Y. Experimental results confirming improved
performance of systems using thermal isolation / Proceedings 21st
International Conference on Thermoelectrics.� Long Beach, USA.�
2002.� P. 558�562.
3. Mathiprakasam B., Sutikno T., Beeson J. Analitical model for
predicting the performance of thermoelectric generators // 14th Inter-
national Conference on Thermoelectric Energy Conversion.� Arling-
ton, USA.� 1982.� P. 61�66.
4. Diller R. W., Bell L. E. Experimental results confirming
improved efficiency power generation systems with alternate ther-
modynamic cycles / 22nd International Conference on Thermo-
electrics.� France.� 2003.� P. 571�573.
5. Matsuura K., Rowe D.M., Koumoto K. Design optimization
for a large scale, low temperature thermoelectric generation / 11th
International Conference on Thermoelectrics.� Arlington, USA.�
1992.� P. 10�16.
6. Crane D. T. Modeling high-power density thermoelectric
assemblies which use thermal isolation / 23rd International Conference
on Thermoelectrics. �Adelaida, Australia. �2004. �P. 86�92.
7. Êëèìåíêî Â. Í. Ïðîáëåìû êîãåíåðàöèîííûõ òåõíîëîãèé â Óê-
ðàèíå // Ïðîìûøëåííàÿ òåïëîòåõíèêà.� 2001.� Ò. 23, ¹ 4.�5.�
Ñ. 106�110.
8. Ìèõàéëîâñêèé Â. ß. Òåðìîýëåêòðè÷åñêèé ãåíåðàòîð òåï-
ëîâîé è ýëåêòðè÷åñêîé ýíåðãèè // Òåðìîýëåêòðè÷åñòâî.� 2004.�
¹ 2.� Ñ. 81�87.
9. Êîòûðëî Ã. Ê., Ëîáóíåö Þ. Í. Ðàñ÷åò è êîíñòðóèðîâàíèå
òåðìîýëåêòðè÷åñêèõ ãåíåðàòîðîâ è òåïëîâûõ íàñîñîâ.� Êèåâ:
Íàóêîâà äóìêà, 1980.
6
5
4
3
2
1
0
80 120 160 200 240 280 T1, °Ñ
ηE, η, % ηÃ, %
100
75
50
25
1
3
2
Ðèñ. 6. Çàâèñèìîñòè ηE (1), ηà (2) è η (3) îò Ò1
|