EXPERIMENTAL STUDIES OF THE CHARACTERISTICS OF A PYROLYSIS BURNER FOR A THERMOE-LECTRIC POWER GENERATOR
In today's environment, the demand for low-power electricity sources used to power various devices in the field, such as communication, data transmission, control systems, etc. is growing rapidly. Therefore, it is important to ensure the production of electricity through the use of thermoelectr...
Збережено в:
| Дата: | 2024 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2024
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/499 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103849180168192 |
|---|---|
| author | Lobunets , Yu. Klius , V. Chetveryk , H. Zurian , O. |
| author_facet | Lobunets , Yu. Klius , V. Chetveryk , H. Zurian , O. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Yu. Lobunets ",
"institution": "Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "V. Klius ",
"institution": "Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "H. Chetveryk ",
"institution": "Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "O. Zurian ",
"institution": "Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine Kyiv, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Lobunets , Yu. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:21Z |
| description | In today's environment, the demand for low-power electricity sources used to power various devices in the field, such as communication, data transmission, control systems, etc. is growing rapidly. Therefore, it is important to ensure the production of electricity through the use of thermoelectric generators. The paper presents an experimental stand created at the Institute of Renewable Energy, consisting of a burner on which prototypes of a thermoelectric generator are mounted. Unlike the existing prototypes, this work envisages the use of two-phase heat exchange systems (thermosyphons and heat pipes) to intensify heat transfer in the heating system. The heat flow is transferred to the thermoelectric generator by coolant vapours generated in a steam generator located in the combustion chamber area The authors have developed a research methodology and created an automated measurement system that provides measurement of 12 temperature channels, two channels for measuring the electromotive force of thermobatteries and a channel for measuring current and power, equipped with an electronic load for taking volt-ampere characteristics of the thermoelectric generator. Preliminary studies have shown that under the same initial conditions, the developed device provides approximately 4 times higher heat flux and, accordingly, the operating temperature difference on the thermocouples. Further research on the mechanisms of flame stabilisation in the burner is promising, focusing on the addition of secondary air to the combustion |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2024.4(79).152-158 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:39:47Z |
| format | Article |
| fulltext |
152
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Біоенергетика
УДК 532.529: 532.517.4; 504.062.2 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2024.4(79)152-158
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПІРОЛІЗНОГО ПАЛЬНИКА
ДЛЯ ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНОГО ГЕНЕРАТОРА ЕНЕРГІЇ
Отримано 22 лист. 2024 р.; рекомендовано до публікації 27 лист. 2024 р.
Доступно онлайн 11 груд. 2024 р.
Лобунець Ю. М.1, Клюс В. П.2,
Четверик Г. О.3, Зур’ян О. В. 4
Автор для кореспонденції: Четверик Геннадій,
e-mail: biomassa@ukr.net
У сучасних умовах швидко зростає попит на малопотужні
джерела електроенергії, що застосовуються для живлення
різноманітних приладів у польових умовах – систем зв’язку,
передачі даних, управління і таке інше. Тому актуальним є
забезпечення виробництва електричної енергії за рахунок
використання термоелектричних генераторів. У роботі представлено створений в Інституті віднов-
люваної енергетики експериментальний стенд, що складається з пальника, на якому монтуються до-
слідні зразки термоелектричного генератора. На відміну від існуючих прототипів у цій роботі з метою
інтенсифікації теплопередачі в системі нагріву передбачається застосування двофазних систем теп-
лообміну (термосифонів і теплових труб). Передача теплового потоку до термоелектричного генера-
тора здійснюється парами теплоносія, які утворюються в парогенераторі, що розташований в зоні
камери згоряння. Авторами розроблена методика проведення досліджень та створена автоматизо-
вана система вимірювання, що забезпечує 12 каналів вимірювання температур, два канали вимірю-
вання електрорушійної сили термобатарей і канал вимірювання струму й потужності, оснащений еле-
ктронним навантаженням для зняття вольт-амперних характеристик термоелектричного
генератора. Попередні дослідження показали, що за однакових початкових умов розроблений пристрій
забезпечує приблизно в 4 рази більший тепловий потік і, відповідно, робочий перепад температур на
термоелементах. Мають перспективу подальші дослідження щодо механізмів стабілізації полум’я в
пальнику, в яких основна увага приділяється додаванню вторинного повітря в камеру згоряння.
Ключові слова: термоелектричний генератор, пальник, автономна система, теплообмін.
EXPERIMENTAL STUDIES OF THE CHARACTERISTICS OF A PYROLYSIS BURNER FOR A THERMOELEC-
TRIC POWER GENERATOR
Received Nov. 22, 2024; accepted Nov. 27, 2024
Available online Dec. 11, 2024
Lobunets Yu.1, Klius V.2,
Chetveryk H.3, Zurian O.4
Author for correspondence: Chetveryk Hennadiy,
e-mail: biomassa@ukr.net
In today's environment, the demand for low-power electricity
sources used to power various devices in the field, such as com-
munication, data transmission, control systems, etc. is growing
rapidly. Therefore, it is important to ensure the production of
electricity through the use of thermoelectric generators. The pa-
per presents an experimental stand created at the Institute of Renewable Energy, consisting of a burner on which
prototypes of a thermoelectric generator are mounted. Unlike the existing prototypes, this work envisages the use
1 д-р техн. наук
https://orcid.org/0000-0002-3593-1687
2 канд. техн. наук
http://orcid.org/0000-0001-8536-3211
3 канд. техн. наук
https://orcid.org/0000-0001-9398-1968
4 канд. техн. наук
https://orcid.org/0000-0002-2391-1611
1, 2, 3, 4 Інститут відновлюваної енергетики
НАН України, м. Київ, Україна
1 Dr of Tech. Science
https://orcid.org/0000-0002-3593-1687
2 Сand. of Tech. Science
http://orcid.org/0000-0001-8536-3211
3 Сand. of Tech. Science
https://orcid.org/0000-0001-9398-1968
4 Сand. of Tech. Science
https://orcid.org/0000-0002-2391-1611
1, 2, 3, 4 Institute of Renewable Energy of the
National Academy of Sciences of Ukraine
Kyiv, Ukraine
153
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Біоенергетика
of two-phase heat exchange systems (thermosyphons and heat pipes) to intensify heat transfer in the heating
system. The heat flow is transferred to the thermoelectric generator by coolant vapours generated in a steam
generator located in the combustion chamber area The authors have developed a research methodology and cre-
ated an automated measurement system that provides measurement of 12 temperature channels, two channels
for measuring the electromotive force of thermobatteries and a channel for measuring current and power,
equipped with an electronic load for taking volt-ampere characteristics of the thermoelectric generator. Prelimi-
nary studies have shown that under the same initial conditions, the developed device provides approximately 4
times higher heat flux and, accordingly, the operating temperature difference on the thermocouples. Further re-
search on the mechanisms of flame stabilisation in the burner is promising, focusing on the addition of secondary
air to the combustion
Key words: thermoelectric generator, burner, autonomous system, heat exchange.
Вступ. У сучасних умовах швидко зростає попит на мало-
потужні джерела електроенергії, що застосовуються для
живлення різноманітних приладів в польових умовах –
систем зв’язку, передачі даних, управління і таке інше. З
цією метою використовуються хімічні джерела й акуму-
лятори електроенергії, фотоелектричні, вітрові й термое-
лектричні генератори. Перевага останніх полягає в тому,
що їх застосування дозволяє використати принципи ком-
бінованого виробництва теплової та електричної енергії,
тобто одночасно використовувати генератор електрое-
нергії як джерела теплоти для систем опалення [1].
Останнім часом можливість утилізації тепла, що викида-
ється різними теплогенерувальними джерелами, з вико-
ристанням термоелектричного генератора (ТЕГ) вивча-
ється дуже широко. Так, дослідження [2] спрямоване на
розробку 50-ватного термоелектричного генератора для
використання низькоякісного тепла в системах охоло-
дження промислових процесів і високоактивних радіоі-
зотопних джерел. У роботі [3] вивчалися можливості
оснащення дров’яних печей термоелектричними генера-
торами. В лабораторних умовах було проведено тести,
які показали, що піч за нормальних умов роботи видава-
тиме приблизно 28 Вт/год. Існує значна кількість дослі-
джень, присвячених термоелектричним матеріалам, ро-
боті різних пристроїв теплообміну, різним конструкціям
термоелектричних генераторів (включно з описом пра-
вил їх проєктування), можливостям поліпшення майбут-
ніх високотемпературних термоелектричних перетворю-
вачів [4, 5]. У роботі [6] представлено невеликий термо-
електричний пристрій для генерації енергії, що викорис-
товує спалювання. Цей пристрій може застосовуватися у
віддалених районах, де важко отримати мережеву елек-
трику, зокрема в промисловості. Є можливість його засто-
сування у військових цілях, а також у країнах, де елект-
рика не є загальнодоступною. Пристрій був розроблений
з акцентом на низькій вартості та реалістичному автоно-
мному дизайні, що має потенціал для комерціалізації.
Пристрій розрахований на безперервну роботу протягом
тривалого періоду. Особливу увагу було приділено усу-
ненню механізмів, що рухаються, а саме таких, як насоси
й компресори для подачі повітря, для зменшення варто-
сті виробництва та підвищення надійності пристрою. Ра-
ніше повідомлялося про різні невеликі генератори енер-
гії, що використовують термоелектрику та спалювання. В
роботі [7] автори провели експериментальне досліджен-
ня термоелектричного генератора, де модулі інтегровані
в мікрокамеру згоряння. Дослідниками в роботі [8] опи-
сано інноваційну розробку та результати випробувань мі-
крокаталітичного пальника для вироблення електроене-
ргії. Проведено також дослідження щодо використання
суперадіабатичних пористих каталітичних каталізаторів у
термоелектричних генераторах [9]. У роботі [10] повідо-
мляється про використання термоелектрики для утиліза-
ції теплових відходів з паливного елемента.
Результати цих досліджень підтверджують перспектив-
ність напряму розробки й удосконалення комбінова-
ного генератора теплової та електричної енергії, що пра-
цює на будь-якій біомасі.
Попри значну кількість досліджень, присвячених термое-
лектричним матеріалам, роботі різних пристроїв теплоо-
бміну, різним конструкціям термоелектричних генерато-
рів, безпосереднє комплексне застосування пальника та
термоелектричного генератора для одночасного генеру-
вання теплової та електричної енергії не набуло масового
характеру. А саме такі системи мають змогу забезпечу-
вати можливість безперебійного живлення, не потребу-
ють спеціальних видів палива, характеризуються невели-
кою масою й компактними габаритами. В цій роботі для
вирішення задачі запропоновано використати пальник,
що працює за схемою газифікатора, тобто забезпечує ре-
жим піролізного горіння палива. Такий вибір дозволяє за-
безпечити стійку роботу пристрою, необхідну тривалість
робочого циклу між заправками та можливість контролю
та регулювання температурних режимів. Регулювання те-
мпературного режиму може здійснюватися через зміну
потужності джерела за рахунок контрольованої подачі
повітря. Наявність проміжного теплоносія й системи ре-
гулювання забезпечує можливість стабілізації температу-
рного режиму термоелектричного генератора й захисту
його від перегріву.
Постановка завдання. Існуючі прототипи подібних при-
строїв базуються на використанні джерел теплової ене-
ргії (дров’яні печі або відкритий вогонь), що не підда-
ються регулюванню й вимагають постійної присутності
оператора для підтримки робочих режимів. Для забез-
печення стабільних температурних режимів ТЕГ перед-
бачається використати джерело теплової енергії, що
працює за схемою газифікатора, тобто забезпечує ре-
жим піролізного горіння палива. Крім того, на відміну
154
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Біоенергетика
від існуючих прототипів у цій роботі з метою інтенсифі-
кації теплопередачі в системі нагріву передбачається за-
стосування двофазних систем теплообміну (термосифо-
нів і теплових труб).
Такий вибір дає змогу забезпечити стійку роботу при-
строю, необхідну тривалість робочого циклу між запра-
вками та можливість автоматичного контролю й регу-
лювання температурних режимів, а отже, обумовлює
актуальність теми дослідження.
Мета дослідження – розроблення комбінованого гене-
ратора теплової та електричної енергії, що працює на
будь-якій біомасі.
Методи. У статті використано математичне моделю-
вання і експериментальні дослідження.
Виклад основного матеріалу
Під час розробки термоелектричного генератора з
огляду на його цільове призначення за основу було
прийнято такі технічні дані й умови експлуатації [1]:
− електрична потужність генератора ‒ 5‒100 Вт;
− теплова потужність генератора ‒ 5‒10 кВт;
− паливо ‒ біомаса;
− система перетворення енергії ‒ термоелектричний
перетворювач;
− система охолодження генератора ‒ повітряна;
− система опалення приміщення ‒ повітряна;
− робочий цикл між заправками ‒ 6–8 год;
− маса генератора ‒ 20 кг.
Прийняті технічні вимоги накладають певні обмеження
на конструкцію генератора й потребують проведення ві-
дповідних науково-технічних досліджень та розробок.
Завдання проєктування комбінованого генератора теп-
лової та електричної енергії (КГТЕ) полягає у визначенні
параметрів основних систем: піролізного пальника, сис-
теми нагріву, системи охолодження, термоелектричних
батарей, поєднання яких має забезпечити необхідний
баланс теплових потоків, заданий температурний ре-
жим і проектні показники теплової та електричної поту-
жності генератора. Завдання розробки й проєктування
такого пристрою полягає в узгодженні й оптимізації ре-
жимів всіх його складових частин. Основою системи є
термоелектричний генератор, проєктні параметри
якого визначають вимоги й обмеження для джерела те-
плоти й системи охолодження. Він задає обмеження на
робочі температури й на щільність теплових потоків, які
надходять від джерела теплоти й відводяться системою
охолодження. В свою чергу умови теплообміну в систе-
мах нагріву та охолодження визначають оптимальні ро-
зміри й конструкцію ТЕГ.
В існуючих прототипах подібних пристроїв передача те-
плового потоку від продуктів згоряння до перетворю-
вача енергії здійснюється крізь металеві стінки паль-
ника, тобто інтенсивність теплопередачі обмежена
механізмом теплопровідності конструкцій [11, 12]. На-
томість у пропонованій роботі з метою інтенсифікації те-
плопередачі в системі нагріву передбачається застосу-
вання двофазних систем теплообміну (термосифонів).
На рис. 1 зображена принципова схема КГТЕ. Передача
теплового потоку до ТЕГ здійснюється парами теплоно-
сія, які утворюються в парогенераторі, що розташова-
ний в зоні камери згоряння (1), пара (3) надходить до
поверхні термоелектричних модулів ТЕГ, де конденсу-
ється, після чого конденсат (4) повертається в парогене-
ратор, й цикл відновлюється.
Рис. 1. Принципова схема КГТЕ: ТС – термосифон; ТЕГ –
термоелектричний генератор; 1 – камера згоряння;
2 – парогенератор; 3 – пара; 4 – конденсат
Fig. 1. Schematic diagram of the KGTE: TS –
thermosyphon; TEG – thermoelectric generator; 1 –
combustion chamber; 2 – steam generator; 3 – steam; 4 –
condensate
Температура теплоносія визначається його властивос-
тями, конструкцією термосифона та тепловим балансом
системи й залежно від сполучення цих параметрів вста-
новлюється на певному рівні. Оскільки температурний
потенціал продуктів згоряння значно перевищує макси-
мально допустиму температуру термоелектричного ма-
теріалу, проєктна робоча температура встановлюється
на рівні цього обмеження. Регулювання температур-
ного режиму може здійснюватися через зміну потужно-
сті джерела за рахунок контрольованої подачі повітря.
Наявність проміжного теплоносія й системи регулю-
вання забезпечує можливість стабілізації температур-
ного режиму ТЕГ і захисту його від перегріву.
Для охолодження ТЕГ також використовується двофа-
зна система теплообміну – теплова труба з вертикаль-
ними ребрами. Низькотемпературний теплоносій ки-
пить у зоні контакту труби з термобатареями ТЕГ, пари
155
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Біоенергетика
піднімаються вздовж стінки, конденсуються в повітря-
ному теплообміннику, й конденсат повертається в зону
випаровування. Тепловий потік відводиться в навколи-
шнє повітря.
Перепад температур, що виникає між поверхнями тер-
моелектричних модулів внаслідок протікання тепло-
вого потоку, приводить до появи термо-електрорушій-
ної сили в ланцюгу ТЕГ, яка в разі підключення
корисного навантаження забезпечує генерацію відпові-
дної потужності. Корисним навантаженням слугує
DC/DC інвертор, який регулює електричні параметри згі-
дно з керувальними сигналами контролера заряду, що
оптимізує процес зарядки акумуляторів банку енергії, з
якого живляться кінцеві споживачі системи.
Передбачається, що запропонована схема здатна забез-
печити стабільний температурний режим генератора,
надійне функціонування без обслуговування, надзви-
чайно високу ефективність опалення (на рівні 60 %) і
практично нульові викиди шкідливих речовин.
Принцип дії піролізного пальника заснований на техно-
логії газифікації біомаси. Перевагами цієї технології по-
рівняно з методами прямого спалювання є регульована
швидкість реакції горіння, відсутність смол у продуктах
горіння, можливість використання будь-якого палива,
простота експлуатації. В основу технології покладено
ефект «зворотної теплової хвилі» в шарі палива. Ця тех-
нологія має принципову відмінність від класичної гази-
фікації палива в газогенераторах щільного шару, яка по-
лягає в тому, що зворотна теплова хвиля (зона
газифікації) рухається зі сталою швидкістю вздовж ма-
сиву палива, залишаючи позаду продукти газифікації.
На рис. 2 наведено схему реалізації процесу окиснюва-
льного піролізу [3].
Рис. 2. Схема процесу окиснювального піролізу
Fig. 2. Scheme of the oxidative pyrolysis process
Газогенератор являє собою вертикальний реактор пері-
одичної дії, в якому міститься щільний шар палива.
Розпалювання палива відбувається зверху, а подача по-
вітря – знизу, як у газогенераторі прямого процесу. Пі-
сля запалювання високотемпературна область починає
рухатися назустріч потоку повітря зі сталою швидкістю.
Це явище нагадує фронт теплового і хімічного перетво-
рення палива або зону газифікації. Зона газифікації – це
частина шару, яка розділяє зони сирого біопалива й
утвореного біовугілля. Рух зони газифікації відбувається
завдяки високій теплопровідності палива. Шар біопа-
лива поступово нагрівається, і відбувається його піроліз.
У зоні піролізу леткі речовини окислюються киснем по-
вітря. Потім відбувається окислення частини біовугілля і
кисень повністю витрачається. Далі протікають реакції
окислення вуглецю з водяною парою і вуглекислим га-
зом. За фронтом горіння залишається шар розпеченого
біовугілля, в якому відбувається термічний розпад (кре-
кінг) смол, як у газогенераторі оберненого процесу. За
рахунок подачі вторинного повітря біовугілля допалю-
ється до золи. Таким чином, у газогенераторі з рухомою
зоною газифікації використовується комбінація елемен-
тів прямого і оберненого процесів газифікації. Коефіці-
єнт надлишку повітря для часткової газифікації стано-
вить 0,12 0,25; а для повної газифікації – 0,30–0,50 [13,
14]. За рахунок зменшення обсягу димових газів суттєво
підвищується ефективність джерела теплової енергії.
Для проєкту КГТЕ було розроблено піролізний пальник
ПП-8, що складається з реторти та зовнішнього корпусу,
виконаних з тонкої нержавіючої сталі (0,8 мм) для змен-
шення ваги. В реторту через кришку завантажується па-
ливо й розпалюється зверху. Після закриття кришки про-
дукти згоряння виходять через штуцер в димар.
Внаслідок розрідження, що виникає, в пальник крізь за-
сувку надходить первинне повітря, що підтримує го-
ріння в зоні газифікації. Вторинне повітря надходить
крізь отвори в нижній частині корпусу, підігрівається в
зазорі між корпусом і ретортою та через фурми поступає
до камери згоряння. Надлишок повітря йде на допалю-
вання біовугілля, яке згорає до золи. Розрахункова тем-
пература в камері згоряння сягає 600–900 °С залежно
від якості палива, кількості повітря, стадії горіння. Регу-
лювання подачі повітря здійснюється за допомогою за-
сувки і шибера на димарі. Піролізний пальник ПП-8 зо-
бражено на фото справа (рис. 3).
Для визначення основних характеристик пальника й
умов теплообміну в системі було створено експеримен-
тальний стенд, що складається з пальника ПП-8, на
якому монтуються дослідні зразки термоелектричного
генератора (див. рис. 3).
Для забезпечення вимірювань необхідних параметрів
була створена автоматизована система вимірювання
TUI-1, що забезпечує 12 каналів вимірювання темпера-
тур, два канали вимірювання електрорушійної сили
(ЕРС) термобатарей і канал вимірювання струму й поту-
жності, оснащений електронним навантаженням для
зняття вольт-амперних характеристик ТЕГ. Система ви-
мірювань через USB роз’єм підключена до комп’ютера,
де всі дані вимірювань протоколюються у вигляді фай-
лів xlsx. Принципову електричну схему TUI-1 наведено
на рис. 4.
156
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Біоенергетика
Рис. 3. Експериментальний стенд Рис. 4. Принципова електрична схема системи вимірювань
Fig. 3. Experimental stand Fig. 4. Schematic diagram of the measuring system
Передусім необхідно було визначу гідравлічного опору
повітряно-димового тракту. З цією метою вимірювався
хід температур продуктів горіння в камері згоряння tho,
на поверхні пальника ths, у боксі термоелектричного ге-
нератора tb і на вході в димар tf. Типовий розподіл тем-
ператур у системі наведено на рис. 5.
Рис. 5. Розподіл температур у системі протягом ци-
клу горіння палива
Fig. 5. Temperature distribution in the system during the
fuel combustion cycle
Експериментальні дані щодо рівня температур у камері
згоряння добре узгоджуються з розрахунковими (tho =
600–900 °С). Водночас суттєвий вплив на цей параметр
має розхід повітря, який регулюється за рахунок приро-
дної тяги в димарі завдяки вибору певного положення
засувок. Вплив розходу на температурний режим ілюст-
рує рис. 6, на якому наведено хід температури продук-
тів згоряння tho для трьох різних режимів регулювання
розходу повітря. З наведених даних випливає, що за пе-
вних умов можливо забезпечити зниження темпера-
тури в камері згоряння до рівня 500–600 °С з підтрим-
кою більш рівномірного температурного режиму
протягом циклу горіння (червона крива). Такі режими
найприйнятніші з погляду забезпечення ефективності й
надійності КГТЕ.
Потужність ТЕГ є квадратичною функцією перепаду тем-
ператур між спаями термоелементів, тобто на гарячій
стороні необхідно підтримувати максимально допус-
тиму температуру. Водночас робочі температури термо-
сифона і термоелектричних модулів обмежені їх власти-
востями. Для термоелектричних модулів це
максимально допустима робоча температура (у цьому
разі Тр = 200 °С). Температуру термосифона обмежено
критичними параметрами теплоносія –тиском і темпе-
ратурою. Для води, яка є найефективнішим теплоносієм
для умов, що розглядаються, критичні параметри дорі-
внюють Ркр = 208 атм; Ткр = 370 °С. З погляду надійності
оптимальна робоча температура для водяних термо-
157
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Біоенергетика
сифонів у схемі, що розглядається, дорівнює Тр = 235 °С
(Рр = 30 атм). Перевищення цієї температури призво-
дить до швидкого зростання тиску в камері термоси-
фона й збільшення ризику розриву його корпусу.
Рис. 6. Розподіл температур у камері згоряння протя-
гом циклу горіння для різних режимів регулювання ро-
зходу повітря
Fig. 6. Temperature distribution in the combustion
chamber during the combustion cycle for different modes
of air flow control
Важливим завданням під час розробки КГТЕ є забезпе-
чення оптимального співвідношення характеристик сис-
тем нагріву й охолодження – вони повинні забезпечити ба-
ланс теплових потоків, за якого втрати температурного
напору в теплообмінних системах будуть мінімальними.
Математичне моделювання дозволяє розрахувати опти-
мальні параметри КГТЕ, але в математичній моделі завжди
присутні невизначені параметри, які необхідно віднайти
експериментально. В цьому разі це коефіцієнти теплопе-
редачі між нагрівальним і охолоджувальним теплоносі-
ями та поверхнею термоелектричних модулів. З цією ме-
тою проводились дослідження прототипів ТЕГ у різно-
манітних режимах роботи піролізного пальника. Оскільки
термоелектричний модуль являє собою високочутливий
датчик перепаду температур, в основі цього дослідження
лежить визначення залежності ЕРС термобатарей від ре-
жимних параметрів пальника. Як приклад на рис. 7 пред-
ставлено дані експерименту з двома варіантами гарячих
термосифонів, які відрізняються площею поверхні теплоо-
бміну з продуктами горіння. Поверхня теплообміну Н2 в
5,3 раза перевищує площу Н1. Завдяки цьому теплообмін-
ник Н2 в однакових початкових умовах забезпечує приб-
лизно в 4 рази більший тепловий потік і, відповідно, робо-
чий перепад температур на термоелементах.
Рис. 8 ілюструє коефіцієнт використання наявного пере-
паду температур (співвідношення робочого перепаду
температур на термоелементах dTp до різниці темпера-
тур між джерелом і стоком теплової енергії dTo) для
обох варіантів.
Рис. 7. Залежність ЕРС від поточного перепаду тем-
ператур між гарячим та холодним теплообмінни-
ками
Fig. 7. Dependence of the emf on the current temperature
difference between the hot and cold heat exchanger
Рис. 8. Коефіцієнт використання наявного перепаду
температур
Fig. 8. Utilization of the available temperature difference
Висновки
Запропонована схема здатна забезпечити стабільний
температурний режим генератора, надійно функціонує
без обслуговування, має надзвичайно високу теплову
ефективність (на рівні 60 %) та практично нульові ви-
киди шкідливих речовин.
Очікувані технічні характеристики таких генераторів за-
безпечують їм конкурентоздатність в порівнянні з існу-
ючими зразками, в результаті вирішується завдання під-
вищення енергоефективності системи опалення і
одночасного одержання електричної енергії для внутрі-
шнього споживання.
158
Відновлювана енергетика. №3/2024 | Біоенергетика
ПОСИЛАННЯ
1. Лобунець Ю. М., Клюс В. П., Зур’ян О. В. Комбіно-
ване джерело теплової та електричної енергії на
базі газогенераторного пальника та термоелектрич-
ного генератора. Відновлювана енергетика. 2023.
№ 4 (75). С. 20–28. https://doi.org/10.36296/1819-
8058.2023.4(75).20-28
2. Punnachaiya S., Kovitcharoenkul Р., Thong-aram D. De-
velopment of low grade waste heat thermoelectric
power generator Songklanakarin. Journal of Science
and Technology. 2010. Vol. 32. No. 3. Р. 307–313.
3. Favarel С., Champier D. et al. Thermoelectricity, a Prom-
ising Complementarity with Efficient Stoves in Off-Grid-
Areas. Journal of Sustainable Development of Energy
Water and Environment Systems. 2015. Vol. Issue 33. P.
256–268.DOI:10.13044/j.sdewes.2015.03.0020. 118
4. Weidenkaff A. Thermoelectricity for future sustainable
energy technologies. The European Physical Journal
Conferences. 2017. Vol. 148. P. 11.
DOI:10.1051/epjconf/201714800010.
5. Исмаилов Т. А., Мирземагомедова М. М. Исследова-
ние стационарных режимов работы устройств тер-
моэлектрического теплообмена. Вестник Дагестан-
ского Государственного Технического Университета:
Технические науки. 2016. Т. 40. № 1. С. 23–30. DOI
10.21822 / 2073-6185-2016-40-1-23-30.
6. Merotto L., Fanciulli C., Dondè R., De Iuliis S. Study of a
thermoelectric generator based on a catalytic premixed
meso-scale combustor. Appl Energy 2016; 162:346–53.
7. Yadav S., Yamasani P., Kumar S. Experimental studies on
a micro power generator using thermo-electric modules
mounted on a micro-combustor. Energy Convers Man-
age 2015; 99:1–7.
8. Xiao H., Qiu K., Gou X., Ou Q. A flameless catalytic com-
bustion-based thermoelectric generator for powering
electronic instruments on gas pipelines. Appl Energy
2013; 112:1161–5.
9. Mueller K. T., Waters O., Bubnovich V., Orlovskaya N.,
Chen R. Super-adiabatic combustion in Al2O3 and SiC
coated porous media for thermoelectric power conver-
sion. Energy 2013; 56:108–16.
10. Hasani M., Rahbar N. Application of thermoelectric
cooler as a power generator in waste heat recovery
from a PEM fuel cell – an experimental study. Int J Hy-
drogen Energy 2015; 40:15040–51.
11. Federici J., Norton D., Bruggemann T., Voit K., Wetzel E.,
Vlochas D. Catalytic microcombustors with integrated
thermoelectric elements for portable power produc-
tion. J Power Sources 2006; 161:1469–78.
12. Sonoc A., Jeswiet J., Soo Vi Kie. Opportunities to im-
prove recycling of automotive lithium ion batteries.
Proc CIRP 2015; 29:752–7.
13. Кремнева К. В. Підвищення ефективності двостадій-
ного процесу газифікації дрібнодисперсної біомаси
для когенераційних установок малої потужності: ав-
тореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн.
наук: спец. 05.14.06. Дніпро, 2015. 21 с.
14. Лобунець Ю. М. Методи розрахунку та проектування
термоелектричних перетворювачів енергії. К.: Наук.
думка. 1989. 176 с.
REFERENCES
1. Lobunets Y. M., Klyus V. P., Zurian O. V. Combined
source of thermal and electric energy based on a gas
generator burner and a thermoelectric generator. Vid-
novluvana Energetika. 2023. No. 4(75). P. 20–28.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2023.4(75).20-28
2. Punnachaiya S., Kovitcharoenkul Р., Thong-aram D. De-
velopment of low grade waste heat thermoelectric
power generator Songklanakarin. Journal of Science
and Technology. 2010. Vol. 32. No. 3. Р. 307–313.
3. Favarel С., Champier D. et al. Thermoelectricity, a Prom-
ising Complementarity with Efficient Stoves in Off-Grid-
Areas. Journal of Sustainable Development of Energy
Water and Environment Systems. 2015. Vol. Issue 33. P.
256–268. DOI: 10.13044/j.sdewes.2015.03.0020. 118
4. Weidenkaff A. Thermoelectricity for future sustainable
energy technologies. The European Physical Journal
Conferences. 2017. Vol. 148. P. 11.
DOI:10.1051/epjconf/201714800010.
5. Ismailov T. A., Mirzemagomedova M. M. Study of
steady-state operating modes of thermoelectric heat
exchange devices. Bulletin of Dagestan State Technical
University: Technical Sciences. 2016. Т. 40, No. 1. С. 23–
30. DOI 10.21822 / 2073-6185-2016-40-1-23-30.
6. Merotto L., Fanciulli C., Dondè R., De Iuliis S. Study of a
thermoelectric generator based on a catalytic premixed
meso-scale combustor. Appl Energy 2016; 162:346–53.
7. Yadav S., Yamasani P., Kumar S. Experimental studies on
a micro power generator using thermo-electric modules
mounted on a micro-combustor. Energy Convers Man-
age 2015; 99:1–7.
8. Xiao H., Qiu K., Gou X., Ou Q. A flameless catalytic com-
bustion-based thermoelectric generator for powering
electronic instruments on gas pipelines. Appl Energy
2013; 112:1161–5.
9. Mueller K. T., Waters O., Bubnovich V., Orlovskaya N.,
Chen R. Super-adiabatic combustion in Al2O3 and SiC
coated porous media for thermoelectric power conver-
sion. Energy 2013; 56:108–16.
10. Hasani M., Rahbar N. Application of thermoelectric
cooler as a power generator in waste heat recovery
from a PEM fuel cell – an experimental study. Int J Hy-
drogen Energy 2015; 40:15040–51.
11. Federici J., Norton D., Bruggemann T., Voit K., Wetzel E.,
Vlochas D. Catalytic microcombustors with integrated
thermoelectric elements for portable power produc-
tion. J Power Sources 2006; 161:1469–78.
12. Sonoc A., Jeswiet J., Soo Vi Kie. Opportunities to im-
prove recycling of automotive lithium ion batteries.
Proc CIRP 2015;.29:752–7.
13. Kremneva K. V. Increasing the efficiency of a two-stage
gasification process of finely dispersed biomass for low-
power cogeneration units: PhD thesis for the degree of
Candidate of Technical Sciences: specialty 05.14.06.
Dnipro, 2015. 21 p.
14. Lobunets Y. M., Methods of calculation and design of
thermoelectric energy converters. K.: Nauk. dumka.
1989. 176 с.
|
| id | veorgua-article-499 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:14:44Z |
| publishDate | 2024 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/3b/355139684b1c59346f8615164cf3733b.pdf |
| spelling | veorgua-article-4992026-07-18T06:32:21Z EXPERIMENTAL STUDIES OF THE CHARACTERISTICS OF A PYROLYSIS BURNER FOR A THERMOE-LECTRIC POWER GENERATOR ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПІРОЛІЗНОГО ПАЛЬНИКА ДЛЯ ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНОГО ГЕНЕРАТОРА ЕНЕРГІЇ Lobunets , Yu. Klius , V. Chetveryk , H. Zurian , O. thermoelectric generator, burner, autonomous system, heat exchange. термоелектричний генератор, пальник, автономна система, теплообмін. In today's environment, the demand for low-power electricity sources used to power various devices in the field, such as communication, data transmission, control systems, etc. is growing rapidly. Therefore, it is important to ensure the production of electricity through the use of thermoelectric generators. The paper presents an experimental stand created at the Institute of Renewable Energy, consisting of a burner on which prototypes of a thermoelectric generator are mounted. Unlike the existing prototypes, this work envisages the use of two-phase heat exchange systems (thermosyphons and heat pipes) to intensify heat transfer in the heating system. The heat flow is transferred to the thermoelectric generator by coolant vapours generated in a steam generator located in the combustion chamber area The authors have developed a research methodology and created an automated measurement system that provides measurement of 12 temperature channels, two channels for measuring the electromotive force of thermobatteries and a channel for measuring current and power, equipped with an electronic load for taking volt-ampere characteristics of the thermoelectric generator. Preliminary studies have shown that under the same initial conditions, the developed device provides approximately 4 times higher heat flux and, accordingly, the operating temperature difference on the thermocouples. Further research on the mechanisms of flame stabilisation in the burner is promising, focusing on the addition of secondary air to the combustion У сучасних умовах швидко зростає попит на малопотужні джерела електроенергії, що застосовуються для живлення різноманітних приладів у польових умовах – систем зв’язку, передачі даних, управління і таке інше. Тому актуальним є забезпечення виробництва електричної енергії за рахунок використання термоелектричних генераторів. У роботі представлено створений в Інституті відновлюваної енергетики експериментальний стенд, що складається з пальника, на якому монтуються дослідні зразки термоелектричного генератора. На відміну від існуючих прототипів у цій роботі з метою інтенсифікації теплопередачі в системі нагріву передбачається застосування двофазних систем теплообміну (термосифонів і теплових труб). Передача теплового потоку до термоелектричного генератора здійснюється парами теплоносія, які утворюються в парогенераторі, що розташований в зоні камери згоряння. Авторами розроблена методика проведення досліджень та створена автоматизована система вимірювання, що забезпечує 12 каналів вимірювання температур, два канали вимірювання електрорушійної сили термобатарей і канал вимірювання струму й потужності, оснащений електронним навантаженням для зняття вольт-амперних характеристик термоелектричного генератора. Попередні дослідження показали, що за однакових початкових умов розроблений пристрій забезпечує приблизно в 4 рази більший тепловий потік і, відповідно, робочий перепад температур на термоелементах. Мають перспективу подальші дослідження щодо механізмів стабілізації полум’я в пальнику, в яких основна увага приділяється додаванню вторинного повітря в камеру згоряння. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2024-12-10 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/499 10.36296/1819-8058.2024.4(79).152-158 Vidnovluvana energetika ; No. 4(79) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 152-158 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 4(79) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 152-158 Відновлювана енергетика; № 4(79) (2024): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 152-158 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2024.4(79) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/499/408 Copyright (c) 2024 Yu. Lobunets , V. Klius , H. Chetveryk , O. Zurian https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | thermoelectric generator burner autonomous system heat exchange. Lobunets , Yu. Klius , V. Chetveryk , H. Zurian , O. EXPERIMENTAL STUDIES OF THE CHARACTERISTICS OF A PYROLYSIS BURNER FOR A THERMOE-LECTRIC POWER GENERATOR |
| title | EXPERIMENTAL STUDIES OF THE CHARACTERISTICS OF A PYROLYSIS BURNER FOR A THERMOE-LECTRIC POWER GENERATOR |
| title_alt | ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПІРОЛІЗНОГО ПАЛЬНИКА ДЛЯ ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНОГО ГЕНЕРАТОРА ЕНЕРГІЇ |
| title_full | EXPERIMENTAL STUDIES OF THE CHARACTERISTICS OF A PYROLYSIS BURNER FOR A THERMOE-LECTRIC POWER GENERATOR |
| title_fullStr | EXPERIMENTAL STUDIES OF THE CHARACTERISTICS OF A PYROLYSIS BURNER FOR A THERMOE-LECTRIC POWER GENERATOR |
| title_full_unstemmed | EXPERIMENTAL STUDIES OF THE CHARACTERISTICS OF A PYROLYSIS BURNER FOR A THERMOE-LECTRIC POWER GENERATOR |
| title_short | EXPERIMENTAL STUDIES OF THE CHARACTERISTICS OF A PYROLYSIS BURNER FOR A THERMOE-LECTRIC POWER GENERATOR |
| title_sort | experimental studies of the characteristics of a pyrolysis burner for a thermoe-lectric power generator |
| topic | thermoelectric generator burner autonomous system heat exchange. |
| topic_facet | thermoelectric generator burner autonomous system heat exchange. термоелектричний генератор пальник автономна система теплообмін. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/499 |
| work_keys_str_mv | AT lobunetsyu experimentalstudiesofthecharacteristicsofapyrolysisburnerforathermoelectricpowergenerator AT kliusv experimentalstudiesofthecharacteristicsofapyrolysisburnerforathermoelectricpowergenerator AT chetverykh experimentalstudiesofthecharacteristicsofapyrolysisburnerforathermoelectricpowergenerator AT zuriano experimentalstudiesofthecharacteristicsofapyrolysisburnerforathermoelectricpowergenerator AT lobunetsyu eksperimentalʹnídoslídžennâharakteristikpírolíznogopalʹnikadlâtermoelektričnogogeneratoraenergíí AT kliusv eksperimentalʹnídoslídžennâharakteristikpírolíznogopalʹnikadlâtermoelektričnogogeneratoraenergíí AT chetverykh eksperimentalʹnídoslídžennâharakteristikpírolíznogopalʹnikadlâtermoelektričnogogeneratoraenergíí AT zuriano eksperimentalʹnídoslídžennâharakteristikpírolíznogopalʹnikadlâtermoelektričnogogeneratoraenergíí |