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....
Saved in:
| Published in: | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
|---|---|
| Date: | 2005 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2005
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/53604 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | 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| _version_ | 1859505711910748160 |
|---|---|
| author | Михайловский, В.Я. Струтинская, Л.Т. Чайковская, Е.В. |
| author_facet | Михайловский, В.Я. Струтинская, Л.Т. Чайковская, Е.В. |
| 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. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | 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.
|
| first_indexed | 2025-11-25T11:24:01Z |
| format | Article |
| 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
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-53604 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2225-5818 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-25T11:24:01Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Михайловский, В.Я. Струтинская, Л.Т. Чайковская, Е.В. 2014-01-25T10:55:41Z 2014-01-25T10:55:41Z 2005 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 Предложена аналитическая модель термоэлектрического генератора (ТЭГ) на газовом топливе с водяным охлаждением. Описан метод оптимизации ТЭГ с учетом его функционального назначения. ru Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України Технология и конструирование в электронной аппаратуре Энергетическая электроника 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 Article published earlier |
| spellingShingle | Моделирование термоэлектрической системы генерирования тепловой и электрической энергии Михайловский, В.Я. Струтинская, Л.Т. Чайковская, Е.В. Энергетическая электроника |
| title | Моделирование термоэлектрической системы генерирования тепловой и электрической энергии |
| title_alt | Моделювання термоелектричної системи генерування теплової та електричної енергії Simulation of thermoelectric heat and electric power generation system |
| 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_short | Моделирование термоэлектрической системы генерирования тепловой и электрической энергии |
| title_sort | моделирование термоэлектрической системы генерирования тепловой и электрической энергии |
| topic | Энергетическая электроника |
| topic_facet | Энергетическая электроника |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/53604 |
| work_keys_str_mv | AT mihailovskiivâ modelirovanietermoélektričeskoisistemygenerirovaniâteplovoiiélektričeskoiénergii AT strutinskaâlt modelirovanietermoélektričeskoisistemygenerirovaniâteplovoiiélektričeskoiénergii AT čaikovskaâev modelirovanietermoélektričeskoisistemygenerirovaniâteplovoiiélektričeskoiénergii AT mihailovskiivâ modelûvannâtermoelektričnoísistemigeneruvannâteplovoítaelektričnoíenergíí AT strutinskaâlt modelûvannâtermoelektričnoísistemigeneruvannâteplovoítaelektričnoíenergíí AT čaikovskaâev modelûvannâtermoelektričnoísistemigeneruvannâteplovoítaelektričnoíenergíí AT mihailovskiivâ simulationofthermoelectricheatandelectricpowergenerationsystem AT strutinskaâlt simulationofthermoelectricheatandelectricpowergenerationsystem AT čaikovskaâev simulationofthermoelectricheatandelectricpowergenerationsystem |