Теплогенераторы для воздушного отопления: виды, принцип работы, преимущества — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое теплогенератор. Как работает теплогенератор. Какие бывают виды теплогенераторов. Чем отличаются напольные и настенные теплогенераторы. Каковы преимущества использования теплогенераторов для отопления.

Содержание

Что такое теплогенератор и как он работает

Теплогенератор — это устройство для нагрева воздуха, используемое для воздушного отопления помещений. Принцип работы теплогенератора заключается в следующем:

Топливо (газ, дизель, пеллеты и др.) сгорает в камере сгорания
Образующиеся горячие газы проходят через теплообменник
Теплообменник нагревает проходящий через него воздух
Нагретый воздух с помощью вентилятора подается в отапливаемое помещение

Таким образом, теплогенератор преобразует энергию сгорания топлива в тепловую энергию нагретого воздуха. Это позволяет эффективно и быстро обогревать помещения различного назначения.

Виды теплогенераторов по типу используемого топлива

В зависимости от вида используемого топлива выделяют следующие основные типы теплогенераторов:

Газовые — работают на природном или сжиженном газе
Дизельные — используют дизельное топливо
Электрические — преобразуют электроэнергию в тепловую
Твердотопливные — сжигают дрова, уголь, пеллеты

Газовые и дизельные теплогенераторы являются наиболее распространенными благодаря доступности топлива и высокой эффективности. Электрические модели удобны в эксплуатации, но более затратны. Твердотопливные агрегаты подходят для регионов с доступным твердым топливом.

Напольные и настенные теплогенераторы: в чем разница

По способу установки теплогенераторы делятся на напольные и настенные модели. Рассмотрим их основные отличия:

Напольные теплогенераторы:

Устанавливаются на пол
Имеют большую мощность (до 1000 кВт и выше)
Подходят для отопления крупных помещений
Оснащаются прочным корпусом
Теплообменник выполняется из стали или чугуна

Настенные теплогенераторы:

Монтируются на стену
Компактные размеры
Мощность до 100-150 кВт
Для небольших и средних помещений
Легкий корпус
Теплообменник из нержавеющей стали

Выбор между напольным и настенным вариантом зависит от требуемой мощности, размеров помещения и особенностей монтажа. Для промышленных объектов чаще используют напольные модели большой мощности.

Преимущества использования теплогенераторов для отопления

Теплогенераторы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с другими системами отопления:

Быстрый нагрев помещения — теплый воздух начинает поступать практически сразу после включения
Высокий КПД — до 90-95%
Возможность точной регулировки температуры
Равномерное распределение тепла по всему объему помещения

Отсутствие промежуточного теплоносителя (как в водяных системах)
Компактность оборудования
Простота монтажа и обслуживания
Пожаробезопасность (отсутствие открытого пламени)

Эти преимущества делают теплогенераторы эффективным решением для отопления складов, производственных цехов, торговых центров, спортивных объектов и других крупных помещений.

Критерии выбора теплогенератора

При выборе теплогенератора следует учитывать следующие ключевые параметры:

Требуемая тепловая мощность — рассчитывается исходя из объема помещения и теплопотерь
Вид доступного топлива — газ, дизель, электричество и т.д.
Способ установки — напольный или настенный
КПД устройства — желательно не ниже 90%
Наличие системы автоматики и безопасности
Уровень шума при работе
Габариты и вес агрегата

Правильный подбор теплогенератора по этим критериям обеспечит эффективное и экономичное отопление помещения.

Особенности монтажа и эксплуатации теплогенераторов

Для корректной и безопасной работы теплогенератора необходимо соблюдать следующие правила при монтаже и эксплуатации:

Монтаж должен выполняться квалифицированными специалистами
Помещение для установки должно иметь хорошую вентиляцию
Необходимо обеспечить отвод продуктов сгорания через дымоход
Следует соблюдать минимальные расстояния до стен и горючих материалов
Требуется регулярное техническое обслуживание (не реже 1 раза в год)
Важно использовать только рекомендованное производителем топливо
Нужно контролировать состояние фильтров и чистоту теплообменника

Соблюдение этих правил обеспечит длительную и надежную работу теплогенератора, а также безопасность его эксплуатации.

Сравнение теплогенераторов с другими системами отопления

Рассмотрим основные отличия теплогенераторов от других популярных систем отопления:

Критерий	Теплогенератор	Водяное отопление	Электрические обогреватели
Скорость нагрева	Высокая	Средняя	Высокая
КПД	До 95%	70-85%	100%
Монтаж	Простой	Сложный	Очень простой
Обслуживание	Среднее	Сложное	Минимальное
Стоимость эксплуатации	Средняя	Низкая	Высокая

Теплогенераторы сочетают в себе преимущества быстрого нагрева, высокой эффективности и относительно простого монтажа, что делает их оптимальным выбором для многих помещений.

Напольные и настенные теплогенераторы | ООО Фрамосс-Волга

Теплогенераторы представляют собой высокотехнологичные системы, которые позволяют создавать воздушное отопление посредством сгорания определенных видов топлива.

В зависимости от модификации устройства, теплогенераторы способны обеспечивать напор теплого воздуха для создания оптимального микроклимата в помещениях жилого назначения, а также обеспечения технологических процессов на производстве (высушивание поверхностей, материалов и т.д.).

Использование теплогенераторов, в основном выполняется в помещениях бытового или небольшого промышленного назначения. Для каждого помещения оборудование подбирается в индивидуальном порядке в зависимости от его площади и целевого назначения.

Кроме того, использование

теплогенератора существенно экономит затраты на дополнительных энергоресурсах. Воздушный теплогенератор намного экономичнее, чем водяные калориферы с котельной.

Основное преимущество теплогенератора в том, что конструкция тепловой установки не основана на использовании воды, тем самым не требует размораживания и полностью отсутствует риск протечек.

Наша компания занимается реализацией теплогенераторов уже не первый год. Мы предлагаем исключительно высококачественные и современные установки, которые прослужат Вам долгие годы.

Наши специалисты помогут Вам подобрать правильные установки, которые индивидуально подойдут отапливаемому помещению. В зависимости от размеров и технических особенностей помещения, Вам необходимо подобрать теплогенератор определенной мощности. Мы можем для Вас предложить напольные или настенные теплогенераторы

, которые оптимально подходят как для установки внутри обслуживаемых помещений, так и за его пределами. Наш богатый ассортимент сможет удовлетворить Ваши потребности и удивить приятными ценами.

Отличия напольных и настенных теплогенераторов

Наибольшее распространение получили напольные теплогенераторы с увеличенным сроком эксплуатации. Теплообменник в данной модели выполняется из высокопрочной стали (чугуна) и обладает высокой устойчивостью к коррозионным поражениям.

Напольные теплогенераторы классифицируются по типу используемой горелки на наддувные и атмосферные модели.

Первый тип горелок обладает большим КПД и может достигать максимально высоких показателей мощности, но при этом имеет более высокую стоимость.
Второй вариант имеет более простую конструкцию, обеспечивает бесшумную работу. Цена такого теплогенератора более доступна в сравнении с аналогом наддувного типа.

Настенные теплогенераторы отличает компактный корпус, в котором размещается теплообменник, горелка расширительный бак, циркуляционный насос, измерительные устройства, система контроля и управления.

Данное оборудование не имеет сложностей в монтаже и отлично вписывается в любой современный интерьер.

Настенные теплогенераторы подразделяются на модели с электророзжигом и пьезорозжигом. Первый вариант обеспечивает более экономный расход газа за счет отсутствия необходимости в постоянном пламени запальника. Кроме того, настенные теплогенераторы отличаются по виду используемой горелки на стандартные и модуляционные. Отопительные приборы для настенного монтажа комплектуются особым устройством, обеспечивающим высокую степень безопасности за счет возможности отключения блокировочного термостата при незапланированном повышении температурных показателей.

Компания «Фрамосс – Волга» является надежным поставщиком настенных и напольных теплогенераторов в самых актуальных модификациях, с отменными техническими характеристиками. Все предлагаемое оборудование отличается высоким качеством и соответствует действующим требованиям безопасности и стандартам качества.

EUGEN B | Группа компаний CARLIEUKLIMA

Модель	Тепловая мощность	Кол-во вентиляторов	Мощность электродвигателя	Воздушный поток	Макс. Потребление прир. газ сжиж. газ диз. топливо			Размеры (без горелки)
Модель	кВт	Кол-во вентиляторов	кВт	м3/ч	G20 м3/ч	G30 кг/ч	кг/ч	A	B	C
B 30	34	1	0,25	2660	3,6	2,66	2,45	1050	600	1497
B 40	46	1	0,25	3130	4,8	3,59	3,32	1050	600	1497
B 60	69	1	0,55	4200	7,3	5,39	4,97	1200	750	1797
B 80	93	1	0,55	5450	9,8	7,27	6,71	1200	750	1797
B 110	127	1	1,5	8180	13,4	9,92	9,16	1300	950	1950
B 130	151	1	1,5	9420	14,5	11,8	10,89	1300	950	1950
B 160	186	1	2,2	10760	17,7	14,54	13,41	1700	1100	2300
B 200	232	1	3	14310	22,2	18,14	16,73	1700	1100	2300
B 250	290	2	3	16360	27,9	22,67	20,91	2200	1250	2400
B 300	348	2	4,4	20900	33,6	27,2	25,09	2200	1250	2400
B 350	407	2	4,4	23770	39,4	31,8	29,34	2400	1350	2550
B 400	465	2	6	28620	45,2	36,33	33,53	2400	1350	2550
B 450	522	2	6	31440	50,5	40,78	37,64	2400	1400	2800
B 520	603	2	8	34620	57,8	47,11	43,48	2400	1400	2800
B 580	672	3	9	41200	65,2	52,5	48,45	2900	1600	3100
B 650	754	3	12	42000	72,1	58,91	54,36	2900	1600	3100
B 750	870	3	12	51940	84	67,97	62,73	3400	1700	3300
B 850	986	3	16,5	54380	94	77,03	71,09	3400	1700	3300
B 1000	1160	4	22	72000	111,4	90,63	83,63	4000	1900	3500
B 1200	1392	4	22	72000	147,3	100,8	92,7	4000	1900	3500

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) | Продукты | Термоэлектрическое охлаждение | Охладители Пельтье

Похоже, в вашем браузере отключен JavaScript.
Для использования функций этого веб-сайта в вашем браузере должен быть включен JavaScript.

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ), также известные как устройства Зеебека, генераторы Пельтье и другие. ТЭГ превращают отработанное тепло в полезную энергию, используя преимущества источника тепла и поглотителя холода. Термоэлектрические генераторы идеально подходят для удаленных мест, которые не подключены к сети, но имеют источник тепла.

Вот некоторые примеры источников тепла; печи, дровяные печи, камины, пеллетные печи, выхлопные трубы, бензиновые и дизельные двигатели, солнечные коллекторы, солнечные концентраторы, нагреватели ракетной массы, котлы и многое другое. Отработанное тепло повсюду и доступно для получения энергии.

Просто предоставьте источник тепла (до 320°C [608F]) и способ охлаждения холодной стороны. Чем больше разница температур между горячей стороной ТЭГ и холодной стороной, тем больше вырабатываемая электрическая мощность. Разница в 10 градусов по Цельсию даст милливатт на ТЭГ, а разница в 270 градусов по Цельсию может произвести до 21 ватта электроэнергии. Когда тепло проходит через ТЭГ от горячей стороны к холодной, полупроводниковые таблетки вырабатывают электроэнергию. Эффективность преобразования этого теплового потока в электричество увеличивается по мере увеличения дельты T [Delta T = T _{горячий} — T _{холодный} ] становится больше. Чем больше дельта Т, тем выше КПД. КПД достигает максимума около 7,5%. Простой способ представить себе эту эффективность состоит в том, что на каждые 100 ватт тепла, проходящего через ТЭГ, будет вырабатываться максимум 7,5 ватт электроэнергии.

Имейте в виду, что наиболее сложной задачей при сборе отходящего тепла с помощью ТЭГ является поддержание низкой температуры на холодной стороне. Даже когда ТЭГ работает с максимальной эффективностью, остается 92,5% тепла поступает на холодную сторону (100-7,5%). Это тепло должно быть устранено, иначе холодная сторона ТЭГ больше не будет «холодной стороной», поскольку она будет быстро нагреваться. Воздушного охлаждения может быть достаточно для 1 или 2 ТЭГ, но жидкостное охлаждение является гораздо лучшим методом для охлаждения холодной стороны.

См. нашу энциклопедию TEG, чтобы узнать, как это работает. См. наше руководство по установке TEG, чтобы узнать, как их установить.

Модули ТЭГ
ТЭГ Электроника
Принадлежности ТЭГ

25 шт.

Показать 5 10 15 20 25 100 Всего на странице

Посмотреть, как: Список Сетка

Сортировать по Часть # Цена Размер А (мм) Тусклый B (мм) Тусклый В (мм) Pgmax Игмакс Вгмакс

10,50 $

Управление теплом в термоэлектрических генераторах

Скачать PDF

Ваша статья скачана

Слайдер с тремя статьями на слайде. Используйте кнопки «Назад» и «Далее» для перемещения по слайдам или кнопки контроллера слайдов в конце для перемещения по каждому слайду.

Скачать PDF

Открытый доступ
Опубликовано: 01 апреля 2016 г.

М. Зебарджади ^1,2

Научные отчеты том 6 , Номер статьи: 20951 (2016) Процитировать эту статью

5719 доступов
22 цитаты
3 Альтметрика
Сведения о показателях

Предметы

Прикладная физика
Машиностроение

Abstract

Термоэлектрические генераторы используются для преобразования тепла в электричество. Как и у любого другого теплового двигателя, производительность термоэлектрического генератора увеличивается по мере увеличения перепада температур по сторонам. Обычно предполагается, что чем больше тепла проходит через термоэлектрические ветви, тем выше их производительность. Поэтому изоляция обычно используется для минимизации потерь тепла и ограничения переноса тепла через термоэлектрические ветви. В этой статье мы показываем, что в некоторой степени выгодно преднамеренно открывать каналы потерь тепла, чтобы установить больший температурный градиент и, следовательно, повысить общий КПД и достичь большей выходной мощности. Мы определяем модифицированное число Био (Bi) как показатель требований к изоляции боковых стенок. Мы показываем, что охлаждение от боковых стенок повышает эффективность при значениях Bi меньше единицы и снижает эффективность при значениях Bi больше единицы.

Введение

Термоэлектрические генераторы предлагаются для многих применений, таких как утилизация отработанного тепла (в качестве циклов долива) ^1,2,3,4 , автомобильная промышленность и солнечные термоэлектрические генераторы ^5,6,7 . Показано, что производительность термоэлектрических генераторов является возрастающей функцией добротности их материала, , где – электропроводность, S – коэффициент Зеебека, T – рабочая температура, – теплопроводность ² . Типичные коммерческие термоэлектрические устройства изготавливаются из Bi ₂ Te ₃ /Sb ₂ Te ₃ для применений при комнатной температуре и PbTe для применений при высоких температурах, и они имеют ZT около 1. Эти модули изготовлены из много p-n ветвей, которые термически расположены параллельно, а электрически последовательно. Например, модель HZ-14, разработанная компанией Hi-Z, имеет керамическую поверхность размером 6,27 см на 6,27 см с 49 p-n парами полупроводников на основе теллурида висмута и толщиной около 5 мм9.0127 8 . Модуль обеспечивает выходную мощность 25 Вт (КПД 5%) при разнице температур 300 °C. Это эквивалентно 60 °C/мм, что довольно много. Согласно анализу Голдсмида ⁹ идеальный КПД термоэлектрического модуля, используемого в этом примере (т. е. для ZT ~ 1 и перепада температур 300 °C) составляет около 10%. Очевидно, что между идеальной и практической эффективностью существует разница в два раза, что может быть связано с тепловым/электрическим контактным сопротивлением и неидеальным управлением теплом (рабочими условиями). Оба вопроса широко изучались в литературе в прошлом. В этой работе мы хотели бы рассмотреть вопрос управления теплом. Несколькими авторами показано, что потери тепла через боковые стенки термоэлектрических ветвей приводят к снижению термоэлектрического КПД ^10,11,12 . Аргумент здесь простой. Открытие каналов потери тепла приводит к меньшему преобразованию тепла в электричество и, следовательно, к снижению термоэлектрической эффективности, что является прямым выводом. Цель данной статьи — указать на практические вопросы, возникающие в случаях, когда открытие каналов теплопотерь повышает КПД!

Методы

Рассмотрим одиночный термоэлектрический модуль n-p, схематично показанный на рис. 1. Предполагается, что свойства материалов в каждой ветви неизменны. — коэффициент Зеебека, удельное электрическое сопротивление и теплопроводность ветвей n/p соответственно. Ветви n-p соединены электрически последовательно, а термически параллельно. Следовательно, электрическое сопротивление R и теплопроводность K одной пары n-p без учета металлических соединений и межфазных сопротивлений можно записать как: и (это полная теплопроводность, в которую входят электроны и фононы ). Коэффициент Зеебека пары n-p и, наконец, добротность определяется как

Рисунок 1

Схематическая диаграмма, представляющая термоэлектрический модуль с одной парой n-p.

Модуль хорошо контактирует с источником тепла (межфазное сопротивление отсутствует). С другого конца он охлаждается жидким потоком. Показан энергетический баланс над плитой п-образного участка и учтены тепловые потери через боковые стенки с использованием конвективного теплообмена.

Изображение полного размера

В своей новаторской работе Альтенкирх ¹³ /Иоффе ¹ разработал аналитическую модель с постоянными свойствами материалов для определения эффективности термоэлектрических генераторов энергии. Позже модель была переформулирована Goldsmid 9.0127 14 , при этом предполагал одномерный перенос внутри термоэлектрических ветвей, пренебрегая конвективными потерями тепла с периметра (совершенная изоляция), а также пренебрегая контактами. Он применил граничные условия с постоянной температурой (на горячей стороне и на холодном радиаторе) и доказал, что максимально достижимая эффективность (для оптимальной внешней нагрузки) может быть записана в терминах n-p добротности (Z) и разности температур () как:

Это ясно из уравнения. 1 видно, что большие значения Z и большие перепады температур приводят к более высокой эффективности. Следовательно, естественная тенденция состоит в том, чтобы (1) изолировать термоэлектрические ветви, чтобы свести к минимуму потери тепла и запустить модуль как можно ближе к идеальным условиям (идеальная изоляция) и (2) создать большой температурный градиент, подключив один конец к источнику тепла. с большими тепловыми потоками и высокими температурами и охлаждением другого конца потоками холодного воздуха/воды. Нет сомнений в том, что такой подход верен, если предположить, что температура горячего/холодного концов (термоэлектрических ветвей) точно такая же, как у горячего источника тепла/холодного радиатора. На практике это не так. На границах раздела источник тепла/горячий конец ТЭ и радиатор/холодный конец ТЭ всегда существует перепад температуры. Этот перепад температуры находится за пределами термоэлектрической ветви и не приводит к выработке ТЭ электроэнергии. Если холодный конец охлаждается потоком жидкости при температуре , то температура на холодном конце термоэлектрической ветви не равна и больше температуры жидкости . Правильным граничным условием в этом случае является согласование теплового потока на холодной стороне; к конвективному потоку теплопередачи от термоэлектрической ветви к жидкости (). Только когда коэффициент теплопередачи жидкости стремится к бесконечности (), и можно использовать граничные условия с постоянной температурой. Во многих случаях охлаждение холодной стороны обходится слишком дорого, и термоэлектрические модули просто присоединяются к источнику тепла, а холодная сторона охлаждается за счет естественной конвекции, для которой всего около 1 Вт/м ² К. В случае принудительной конвекции воздуха (с помощью вентилятора) может увеличиться примерно до 100 Вт/м ² К. Водяное охлаждение дороже, но может увеличить коэффициент теплопередачи до довольно больших значений ( 10–1000 Вт/м ² К) и до еще больших значений при использовании принудительного водяного охлаждения.

В тех случаях, когда осуществляется плохое охлаждение, естественным последствием направления большого теплового потока на термоэлектрические модули является перегрев модуля и, следовательно, установление гораздо меньших температурных перепадов (), что, следовательно, снижает общий КПД. В таких случаях можно было бы увеличить разницу температур, просто открыв каналы потери тепла на боковых стенках. То есть удалить изоляционные слои и позволить большей площади поверхности соприкасаться с источником охлаждения, чтобы создать большую разницу температур вдоль ноги. Главный вопрос заключается в том, каковы наилучшие условия работы, при которых эффективность достаточно велика при более дешевых вариантах охлаждения.

Чтобы ответить на этот вопрос, мы разрабатываем более реалистичную модель, учитывающую конвективные потери тепла по периметру и более реалистичные конвективные граничные условия на холодной стороне. Только если коэффициент теплоотдачи стремится к бесконечности, граничное условие на холодной стороне равно . Геометрия и подробный вывод уравнения теплопроводности показаны на рис. 1.

Здесь для упрощения мы записываем уравнение только для участка p и, следовательно, опускаем подиндекс p для материалов/геометрических свойств. Результаты можно просто расширить, чтобы включить оба типа, определив общее тепловое/электрическое сопротивление ветвей n-p. Результаты записи уравнения теплового баланса, как показано на рис. 1 и как обсуждалось в нашей предыдущей публикации ¹⁵ , представляет собой уравнение теплопроводности для электронов и фононов вместе взятых.

, а тепловой поток определяется как:

— периметр ветви, A — поперечное сечение ветви, — температура окружающей среды, — полная теплопроводность, обусловленная электронами и фононами, и — поток электрического тока. Обратите внимание, что в уравнении 2 мы пренебрегаем эффектом Томсона для упрощения решений. Другими словами, мы предполагаем, что коэффициент Зеебека не меняется с температурой (). Чтобы включить зависящий от температуры коэффициент Зеебека, член Томсона должен быть добавлен к левой части уравнения. 2 как – . Полные решения с включением членов Томсона слишком длинны, и из таких сложных уравнений трудно извлечь информацию ^12,16 .

Для дальнейшего упрощения решений мы определяем набор безразмерных параметров, а также меняем эталон для измерения температуры:

где I — ток (в единицах Ампер), — безразмерный ток. аналогичен числу Био, определяемому на холодном конце длиной термоэлектрической ветви и теплопроводностью ТЭ модуля. является показателем эффективности охлаждения на холодной стороне. Большие значения соответствуют большим значениям и, следовательно, лучшему охлаждению на холодном конце. можно рассматривать как демпфирующий член, падение температуры на ветвях ТЭ пропорционально . — еще один безразмерный параметр, известный как параметр плавника. В этом анализе он представляет потери тепла через боковые стенки и увеличивается по мере увеличения (коэффициента теплопередачи через боковые стенки). Основное приближение в нашей модели состоит в том, что температура постоянна в плоскости y-z. Обратите внимание, что это допущение очень часто используется при моделировании плавников и справедливо для параметров плавников менее 3 ^17,18 .

Решение уравнения. 2, для фиксированного температурного граничного условия () на горячей стороне и конвективных граничных условий на холодной стороне

Обратите внимание, что здесь для упрощения проблемы; мы приняли, что температура охлаждающей жидкости () такая же, как и температура окружающей среды (). Разница между охлаждением холодной стороны и потерями тепла через боковые стенки показана двумя разными коэффициентами теплопередачи и .

Используя уравнение 3, скорость нагрева на горячей стороне (x = 0) составляет:

Можно показать, что полезная работа, выполненная на внешней нагрузке, равна:

Наконец, эффективность равна

Результаты

Чтобы посмотреть на практическую работу устройства, мы возьмем размеры типичного термоэлектрического модуля. Например, параметры HZ-14 обсуждались ранее во введении и суммированы в подписи к рис. 2.

Рис.
Черные линии нанесены на график, а зеленые – на . ( a ) Распределение температуры вдоль термоэлектрической ветви для различных значений SI, которое увеличивается от 0 до 1,5 с шагом и с использованием уравнения. 5. Вставка: как функция СИ (в единицах). ( b ) Входной тепловой ток (тепловой ток на горячей стороне, , уравнение 6) как функция SI, ( c ) Полезная выходная работа (ур. 7) как функция SI и ( d ) Эффективность преобразования тепла в электричество (уравнение 8) в зависимости от SI.
Увеличить
На рис. 2а показано распределение температуры вдоль термоэлектрических ветвей, когда горячая сторона поддерживается при температуре 600 K, а холодная сторона охлаждается теплоносителем с температурой и коэффициентом теплоотдачи . Учитываются также конвективные потери тепла от боковых стенок, принимая, что стенки находятся в контакте с жидкостью при температуре окружающей среды, которая принимается равной температуре теплоносителя, но с другим коэффициентом теплоотдачи (). Строятся графики для разных приложенных токов и двух разных значений. Чтобы избежать каких-либо предварительных предположений о коэффициенте Зеебека, вместо тока мы используем СИ (умножение Зеебека на ток), который можно настроить, настроив электрический ток через внешнюю нагрузку. С ростом тока разность температур по бокам ветви ТЭ уменьшается за счет джоулева нагрева. Это показано на вставке рис. 1а. Подводимая теплота, перекачиваемая на горячей стороне (Q _H ) изображен на рис. 2b и увеличивается по мере пропускания большего тока (поскольку ток переносит больше тепла в ветвь). Наконец, существует оптимальная работа и КПД по отношению к току (рис. 2в,г). Рисунок 2 построен для двух различных коэффициентов теплопередачи боковых стенок. Даже при этом относительно большом коэффициенте теплопередачи хладагента () мы можем ясно видеть, что увеличение теплопотерь через боковые стенки (т.е. увеличение с 50 до 100) приводит к установлению большей разницы температур и, следовательно, большей эффективности, как показано на рис. 2d. .
Мы знаем, что на пределе , результаты будут совершенно другими, а большие значения приведут к большим потерям тепла и меньшей эффективности. Поэтому следующий естественный вопрос состоит в том, насколько велика величина, достаточно большая, чтобы считаться пределом бесконечности, и когда мы перейдем от получения путем открытия каналов теплоотдачи к потере путем открытия таких каналов. Чтобы ответить на этот вопрос, отметим, что для фиксированного набора температур эффективность зависит от 4 различных параметров, а именно Z, J и (см. уравнение 8). Среди этих параметров J не имеет значения в том смысле, что его можно настраивать, и для данного термоэлектрического модуля мы можем оптимизировать эффективность в зависимости от этого параметра. Параметр Z можно было бы зафиксировать, так как мы знаем, что хорошие коммерческие термоэлектрические материалы имеют значения, близкие к 1, а в исследовательских лабораториях это значение близко к 2. Оставшиеся два параметра и являются решающими параметрами в нашем обсуждении. Для нахождения точки перехода фиксировались температуры и добротность. Затем для данного и мы оптимизировали эффективность в зависимости от J. Полученная оптимальная эффективность представлена на рис. 3. Для набора выбранных параметров идеальная эффективность, согласно анализу Голдсмида, уравнение. 1, составляет около 10%. На рис. 3 показано, что эта идеальная эффективность достижима только для значений больше 8. Для теплопроводности 1 Вт/мК и длины 5 мм это соответствует . В этом режиме, как и ожидалось, любые потери тепла (увеличение ) приводят к снижению КПД. Переход происходит примерно в . Ниже этого значения КПД увеличивается по мере увеличения потерь тепла через боковые стенки (при увеличении), что противоречит здравому смыслу и происходит из-за последующего установления большей разницы температур. Точку перехода легче определить по рис. 3б. На этом рисунке изображена производная эффективности по . Эта производная положительна для малых значений Bi и отрицательна для больших. Переход происходит вокруг. Абсолютные значения эффективности чувствительны к выбранным температурам (горячей стороны и окружающей среды/жидкости) и параметру Z. Однако общая форма этого графика (рис. 3) имеет лишь незначительную чувствительность к любому из этих параметров, и поэтому значение может быть принято как значение перехода, не зависящее от значений Z и температуры. Фактически общий результат увеличения параметра Z и разности температур заключается в небольшом смещении точки перехода в сторону больших значений. Это означает, что при больших значениях ZT для эффективного преобразования тепла требуются еще большие значения. Исследуемый случай на рис. 2 соответствует режиму, при котором потери тепла через боковые стенки выгодны.
Рисунок 3
( a ) Оптимальная эффективность в зависимости от и , построенная для . Идеальный КПД (из уравнения 1) для набора выбранных параметров составляет 10%. ( b ) Производная эффективности по отношению к использованию тех же параметров, что и в части ( a ).
Изображение в натуральную величину
Наконец, мы хотели бы рассмотреть вопрос о межфазном термическом сопротивлении, которое не учитывалось в наших расчетах. Тепловое межфазное сопротивление разнородных интерфейсов порядка 10 ¹⁹ . Это число следует сравнить с теплопроводностью на единицу площади термоэлектрической ветви. Для исследуемого случая и длины ТЭ 5 мм теплопроводность на единицу площади на порядки меньше межфазной проводимости. Это означает, что сопротивлением теплового интерфейса можно пренебречь. В экстремальных случаях, когда интерфейс оказывает значительное влияние, его влияние может быть добавлено для эффективного изменения и снижения теплопроводности ТЭ ответвления. Эта эффективная теплопроводность соответственно изменит Bi и числа, но выводы не изменятся. Читатель должен отметить, что в этой работе мы рассматривали только влияние плохого охлаждения и предполагали, что горячая сторона правильно связана с большим тепловым потоком. Учитывая низкий КПД термоэлектрических модулей, случаи с плохим нагревом и плохим охлаждением не приводят к значимой выходной мощности.
Таким образом, мы разработали модель оребрения для термоэлектрических генераторов, включая коэффициент конвективной теплопередачи от боковых стенок. Мы определили, что помимо параметра Z и температуры эффективность устройства зависит еще от двух безразмерных параметров. Один из них (число Био) представляет собой эффективность используемой системы охлаждения через значение, а другой (параметр ребра) представляет потери тепла через боковые стенки. Показано, что если , то есть при плохом охлаждении на холодной стороне, открытие каналов теплопотерь через боковые стенки увеличивает общий КПД термоэлектрического модуля за счет образования большего перепада температур на термоэлектрических ветвях. В противоположном режиме, когда мы восстановили стандартное предсказанное поведение термоэлектриков, при котором дополнительные потери тепла приводят к снижению эффективности преобразования тепла в электричество.
Дополнительная информация
Как цитировать эту статью : Zebarjadi, M. Управление теплом в термоэлектрических генераторах. Науч. Респ. 6 , 20951; doi: 10.1038/srep20951 (2016).
Литература
Иоффе А. Ф. Полупроводниковые термоэлементы и термоэлектрическое охлаждение. (Инфопоиск, ООО, 1957).
Goldsmid, HJ in Semiconductors and Semimetals (ed. Tritt, T.) 69, 1–24 (Academic Press, 2001).
Артикул КАС Google Scholar
Yazawa, K. et al. Циклы термоэлектрической доливки для электростанций для устранения потребления охлаждающей воды. Преобразование энергии. Управление 84, 244–252 (2014).
Артикул Google Scholar
Белл, Л. Э. Охлаждение, обогрев, выработка электроэнергии и рекуперация отработанного тепла с помощью термоэлектрических систем. Наука 321, 1457–61 (2008).
Артикул КАС ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar
Чен Дж. Термодинамический анализ термоэлектрического генератора, работающего от солнечной энергии. Дж. Заявл. физ. 79, 2717–2721 (1996).
Артикул КАС ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar
Xi, H., Luo, L. & Fraisse, G. Разработка и применение термоэлектрических технологий на основе солнечной энергии. Продлить. Поддерживать. Энергия Ред. 11, 923–936 (2007).
Артикул КАС Google Scholar
Kraemer, D. et al. Высокопроизводительные плоскопанельные солнечные термоэлектрические генераторы с высокой концентрацией тепла. Нац. Матер. 10, 532–8 (2011).
Артикул КАС ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar
Привет-Z. на http://www.hi-z.com/hz-14.html.
Нолас, Г. С. Шарп, Дж. и Голдсмид, Х. Дж. Термоэлектричество: основные принципы и разработка новых материалов. (Спрингер, 2001).
Xiao, H. , Gou, X. & Yang, S. Детальное моделирование и анализ процесса необратимого переноса многоэлементной термоэлектрической генераторной системы. Дж. Электрон. Матер. 40, 1195–1201 (2011).
Артикул КАС ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar
Редди, Б.В.К., Барри, М., Ли, Дж. и Чью, М.К. Термоэлектрические характеристики новых композитных и интегрированных устройств, применяемых для утилизации отработанного тепла. J. Теплопередача 135, 031706 (2013).
Артикул Google Scholar
Рабари Р., Махмуд С., Датта А. и Бигларбегян М. Влияние конвекционного теплообмена на производительность термоэлектрического генератора на отработанном тепле. Теплопередача. англ. 36, 1458–1471 (2015).
Артикул КАС ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar
Altenkirch, E. Phys. Zeitschrift 10, 506–580 (1909).
Google Scholar
Голдсмид, Х. Дж. Введение в термоэлектричество (серия Springer по материаловедению). (Спрингер, 2009).
Зебарджади М. Электронное охлаждение с использованием термоэлектрических устройств. заявл. физ. лат. 106, 203506 (2015).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar
Fraisse, G., Lazard, M., Goupil, C. & Serrat, J.Y. Изучение поведения термоэлемента с помощью моделирования, основанного на электрической аналогии. Междунар. J. Тепломассообмен. 53, 3503–3512 (2010).
Артикул КАС МАТЕМАТИКА Google Scholar
Ю. А., К. и А. Дж., Г. Основы и приложения тепло- и массообмена. (Макгроу-Хилл, 2015).
Бергман Т.Л., Лавин А.С., Инкропера Ф.П. и ДеВитт Д.П. Введение в теплопередачу. (Джон Уайли и сыновья, Inc., 2011).
Лио, Х.-К. и Кэхилл, Д. Г. Теплопроводность поверхностей раздела между сильно разнородными материалами. физ. Ред. В 73, 144301 (2006).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google Scholar
Скачать ссылки
Благодарности
М.З. хотел бы поблагодарить К. Эсфарджани за его полезные отзывы о рукописи. Эта работа поддержана наградой молодых исследователей ВВС, номер гранта FA9550-14-1-0316.
Информация об авторе
Авторы и организации
Факультет машиностроения и аэрокосмической техники, Университет Рутгерса, Пискатауэй, 08854, Нью-Джерси, США
M. Zebarjadi
Институт передовых материалов, устройств и нанотехнологий, Rutgers University, Piscataway, 08854, NJ, USA
M. Zebarjadi
2 M. Zebarjadi
17 Авторы
07
07
Посмотреть публикации автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar
Заявление об этике
Конкурирующие интересы
Автор заявляет об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.
Права и разрешения
Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons на статью, если иное не указано в кредитной строке; если материал не включен в лицензию Creative Commons, пользователям необходимо будет получить разрешение от держателя лицензии на воспроизведение материала. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Перепечатка и разрешения
Об этой статье
Эта статья цитируется
Подавленная фононная проводимость за счет геометрически индуцированной эволюции транспортных характеристик от броуновского движения к полету Леви.
Ёнджун Ким
Такаши Кодама
Усон Парк
NPG Азия Материалы (2022)
Перестраиваемая теплопроводность анизотропной решетки в одномерных сверхрешетках на основе моделирования молекулярной динамики
Сюци Ван
Мэн Ан
Син Чжан
Journal of Thermal Science (2022)
Аналитическая оптимизация конструкции пленочных термоэлектрических генераторов энергии
Йи Руи Кох
Кадзуаки Ядзава
Ёсинори Касаи
Журнал электронных материалов (2019)
Комментарии
Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и Правила сообщества.