Підвищення ефективності утилізації тепла відпрацьованого витяжного повітря з камер згоряння шляхом конверсії в електричну енергію

Автор(и)

  • М. М. Заблодський Національний університет біоресурсів і природокористування України image/svg+xml
  • О. І. Ковальчук Національний університет біоресурсів і природокористування України image/svg+xml

DOI:

https://doi.org/10.31548/

Анотація

Стаття присвячена вирішенню актуальної задачі підвищення енергоефективності теплових процесів шляхом впровадження  новітньої технології з використанням термоелектричних модулів як альтернативного джерела електроенергії, що використовує відхідне тепло. Метою дослідження є розробка та експериментальна перевірка працездатності автономної системи рекуперації теплових втрат із камери згоряння вуглеводнево-водяних сумішей на основі термоелектричних генераторів. Експериментальна установка включала комерційний модуль TEC1-12715, який при температурному градієнті ≈40 °C (141 °C / 101 °C) генерував напругу 1,56 В і струм ≈0,32 А, що відповідає потужності ≈0,49 Вт. Для підвищення напруги застосовувався DC-DC перетворювач (2 В → 24 В). Практичну придатність системи перевірено на прикладі живлення малопотужного електричного навантаження. Оцінка температурного поля під час експериментального дослідження проводилась з використанням тепловізійних вимірювань і безконтактного термометра. Була розроблена тривимірна модель десяти пар елементів P/N-Type, яка враховує теплопровідність та термоелектричні ефекти. Для оцінки ефективності роботи модуля проведено чисельне моделювання в COMSOL Multiphysics, де створено тривимірну модель елемента з 10 термопар. За аналогічних температурних умов вона забезпечила вихідну напругу 0,144 В. Екстраполяція на повний модуль із 127 парами дало теоретичне значення ≈1,83 В, що приблизно на 14,7 % вище за експериментальні результати. Розбіжність пояснюється тепловими втратами та ідеалізованими умовами моделювання. Отримані результати підтверджують потенціал ТЕГ для утилізації низькопотенційного тепла й живлення допоміжних пристроїв у автономних енергосистемах. Перспективи подальшого розвитку системи передбачають використання матеріалів із вищим коефіцієнтом Зеєбека; вдосконалення системи охолодження, зокрема із застосуванням CFD-аналізу; реалізацію буферного накопичення енергії для імпульсного живлення навантажень.

Ключові слова: термоелектричні генератори, рекуперація тепла, утилізація теплових втрат, водо-вуглеводневі суміші, підвищувальний перетворювач, камера згоряння, програмне середовище COMSOL Multiphysics, градієнт температури 

Посилання

1. Wu, C., Zhang, J., Zhang, Y., & Zeng, Y. (2022). A 7.5-mV Input and 88%-Efficiency Single-Inductor Boost Converter with Self-Startup and MPPT for Thermoelectric Energy Harvesting. Micromachines, 14(1), 60. https://doi.org/10.3390/mi14010060

2. Heber, L., Schwab, J., & Knobelspies, T. (2021). 3 kW Thermoelectric Generator for Natural Gas-Powered Heavy-Duty Vehicles—Holistic Development, Optimization and Validation. Energies, 15(1), 15. https://doi.org/10.3390/en15010015

3. Raut, P., & Vohra, M. (2021). Experimental investigation and comparative analysis of selected thermoelectric generators operating with automotive waste heat recovery module. Materials Today: Proceedings. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.07.227

4. Araiz, M., Casi, Á., Catalán, L., Aranguren, P., & Astrain, D. (2021). Thermoelectric Generator with Passive Biphasic Thermosyphon Heat Exchanger for Waste Heat Recovery: Design and Experimentation. Energies, 14(18), 5815. https://doi.org/10.3390/en14185815

5. Konstantinou, G., Kyratsi, T., & Louca, L. S. (2022). Design of a Thermoelectric Device for Power Generation through Waste Heat Recovery from Marine Internal Combustion Engines. Energies, 15(11), 4075. https://doi.org/10.3390/en15114075

6. Brito, F. P., Peixoto, J. S., Martins, J., Gonçalves, A. P., Louca, L., Vlachos, N., & Kyratsi, T. (2021). Analysis and Design of a Silicide-Tetrahedrite Thermoelectric Generator Concept Suitable for Large-Scale Industrial Waste Heat Recovery. Energies, 14(18), 5655. https://doi.org/10.3390/en14185655

7. Attar, A., Rady, M., Abuhabaya, A., Albatati, F., Hegab, A., & Almatrafi, E. (2021). Performance Assessment of Using Thermoelectric Generators for Waste Heat Recovery from Vapor Compression Refrigeration Systems. Energies, 14(23), 8192. https://doi.org/10.3390/en14238192

8. Wang, J., Lu, L., & Jiao, K. (2024). Solar- and/or Radiative Cooling-Driven Thermoelectric Generators: A Critical Review. Energy Engineering, 1–10. https://doi.org/10.32604/ee.2024.051051

9. Yazawa, K., & Shakouri, A. (2021). Heat Flux Based Optimization of Combined Heat and Power Thermoelectric Heat Exchanger. Energies, 14(22), 7791. https://doi.org/10.3390/en14227791

10. Zablodskiy, N., Kovalchuk, O., Kovalchuk, S., & Nasieka, I. (2024). Numerical Modeling and Investigation of Streamer Breakdown in a Coaxial Plasma Torch Based on Townsend Processes. In 2024 International Conference on Engineering and Emerging Technologies (ICEET) (pp. 1–5). IEEE. https://doi.org/10.1109/iceet65156.2024.10913556

11. Zablodsky M.M., Andrievsky A.P. (2022). Method of multi-streamer pulse-discharge support of combustion of stoichiometrically depleted combustible air-water-hydrocarbon-gas mixture. Patent of Ukraine for invention No. 125775. MPK H05H 1/24 (2006.01),C10K3/06 (2006.01) 05.11.2020, publ. 01.06.2022, bull. No. 22. https://sis.nipo.gov.ua/uk/search/simple/?form-TOTAL_FORMS=1&form-INITIAL_FORMS=1&form-MAX_NUM_FORMS=&form-0-param_type=3&form-0-value=125775 (access date: 04/28/2025).

12. Farokhipour, A., Hamidpour, E., & Amani, E. (2018). A numerical study of NOx reduction by water spray injection in gas turbine combustion chambers. Fuel, 212, 173–186. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.10.033

13. COMSOL Multiphysics ® Reference Manual [Електронний ресурс] URL: https://doc.comsol.com/6.2/doc/com.comsol.help.comsol/COMSOL_ReferenceManual.pdf

Опубліковано

2025-09-08

Номер

№ 3 (2025)

Розділ

Статті

Ліцензія

Стосунки між правовласниками і користувачами регулюються на умовах ліцензії Creative Commons Із Зазначенням Авторства – Некомерційна – Поширення На Тих Самих Умовах 4.0 Міжнародна (CC BY-NC-SA 4.0):https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.uk

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

  • Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
  • Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
  • Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див.The Effect of Open Access).