Теплогенераторы: конструктивные особенности и основные характеристики

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 04 (96) февраль 2008 года

Механическое воздействие на жидкость приводит к ее нагреву. Д. Джоуль и Р. Майер в середине ХIХ века сформулировали механический эквивалент теплоты. Даже спустя полтора века на эту тему создавались изобретения. При этом обнаружено, что в тепло может быть превращена не только подводимая извне механическая энергия, но и внутренняя энергия жидкости (в режиме кавитации). Для возбуждения кавитации широко используется метод закрутки жидкости (вихревые эффекты). Первенство в создании вихревого нагревателя жидкости принадлежит профессору Куйбышевского авиационного института А. П. Меркулову (1960‑е гг.). Энергоресурсы в те годы не считали, открытие еще долго не получало развития. В настоящее время ВНЖ производятся рядом фирм (Москва, Санкт-Петербург, Ростов‑на-Дону) в России и на Украине (Донецк, Харьков, Киев). Использование ВНЖ выгодно на электрифицированных объектах, прокладка газовых коммуникаций и теплоцентралей к которым невозможна или не экономична. В частности, такие аппараты пригодны в качестве мини-котельных для зданий и сооружений. С их помощью можно нагревать любые жидкости, в то время как ТЭНы недолговечны, пожароопасны, подвержены воздействию накипи и не могут применяться в агрессивных средах (нагрев растворов гальванических ванн).

Проблемы корректности

Имеются факторы, дискредитирующие гидродинамические теплогенераторы. В ряде статей – и особенно в рекламных материалах продавцов таких аппаратов – заявляется о «коэффициентах преобразования», иной раз превышающих 100 процентов. При этом в таких публикациях содержатся объяснения «исключительно высокой эффективности», но вопрос, каким образом она определялась, обходится стороной. Следует также отметить, что далеко не все производители «вихревых теплогенераторов» используют корректную методику определения эффективности своей продукции.

В качестве примера приведем методику Ковровского завода имени Дегтярева (ОАО «ЗиД») – одного из двух самых известных производителей таких установок. Методика любезно предоставлена менеджером по продажам теплогенераторов ВТУ и, как он заверил, согласована с руководителем проекта господином В. П. Сысой.

Вот эта методика.

Контроль теплопроизводительности ВТУ

1 Проверка потребляемой мощности.

1.1 Потребляемая мощность контролируется при помощи универсального измерителя электрической мощности MIC-2090W MOTECH INDUSSTRIED INC путем непосредственного замера потребляемой мощности.

1.2 Допускается определение потребляемой мощности путем замера величины силы тока (?! – комментарий автора помещен ниже).

В этом случае потребляемая мощность определяется по формуле P=3UФIФcosφη, где UФ – фазное напряжение; IФ – фазный ток; сosφ – угол сдвига между током и напряжением; η – КПД электродвигателя.

2. Проверка теплопроизводительности, подачи (массы теплоносителя, прокачиваемого через установку).

2.1 Контроль значений температуры, расхода, теплопроизводительности осуществляется по монитору теплосчетчика КМ-5‑2-25/25-ПП/ПП-0‑1*2‑0-0‑0-1 при достижении теплового баланса.

3.2 Регулировку теплового баланса производить с помощью открытия/закрытия заслонок раструба калорифера и/или кранами К2, К3.

Тепловой баланс считать достигнутым при установившейся температуре в диапазоне 75±15 °С с колебанием температуры t = ±2 °С и колебанием разницы температур Δt ± 0,3 °С в течение 1 часа.

3.3 После получения значения теплопроизводительности по теплосчетчику и определения потребляемой мощности определяется соотношение произведенной тепловой энергии и затраченной электрической энергии.

Методика испытаний

Такой метод контроля теплопроизводительности ВТУ некорректен, т. к. измеряемые мощности (электрическая и тепловая) – это дифференциальные параметры, определяемые мгновенными значениями, использование которых значительно увеличивает величину субъективных ошибок. Обеспечить стабильное значение потребляемой электрической мощности практически невозможно, т. к. фазное напряжение электросети нестабильно, особенно в рабочее время. В любом асинхронном электродвигателе наблюдается пульсация скольжения потребляемой мощности и т. п. Вот почему допустимость замеров затраченной электроэнергии путем токовых клещей (разовые замеры силы тока, допускаемые методикой) заведомо некорректны. Обеспечить стабильность показаний тепловой мощности с теплосчетчика тем более проблематично, т. к. показания о расходе постоянно шумят (испытывают скачкообразные изменения), наблюдаются значительные пульсации расхода при работе насоса без стабилизаторов, реализовать поддержание разности температур Δt в ±0,3 °С абсолютно нереально. Все это только часть факторов, дестабилизирующих показания тепловой мощности. Для обеспечения достоверных оценок должно быть использовано измерение тепловой и электрической энергии, произведенной за контролируемый отрезок времени.

Завод имени Дегтярева декларирует для установки ВТУ-22 КПД, равный 80 процентам. Но если демонтировать этот аппарат с электронасосного агрегата КМ100‑65‑200 и вместо него подключить макетный образец «БРАВО» (что было проделано в самом начале испытаний макетного образца летом 2007 г. ), то один и тот же объем воды в двухсотлитровом бойлере нагревается от 22 до 70 градусов Цельсия в 1,8 раза быстрее. При этом КПД макетного образца не превышает 87,2 процента (при условии равенства единице теплоемкости механоактивированной воды). Это доказывает несоответствие декларируемого КПД реальному и является следствием некорректности методики, используемой производителем ВТУ-22.

Корректные замеры

Не ставя перед собой задачу подтвердить или опровергнуть эффекты, возникающие в процессе работы «вихревых» теплогенераторов (гидромеханических преобразователей электроэнергии в теплоту), мы решили провести измерения выделяемой теплоты по корректной методике и с минимальной погрешностью, чему способствовал научный потенциал и накопленный опыт директора по науке ЗАО «НПО «Тепловизор» В. С. Коптева, разработавшего методику испытаний. ЗАО «НПО «Тепловизор» специализируется в области разработки, производства и реализации многоканальных теплосчетчиков и расходомеров ВИС. Т и ВИС.МИР на базе электромагнитных преобразователей расхода на диаметры Ду 15…1420 мм. Приборы используются для коммерческого учета тепловой энергии и количества теплоносителя у производителей и потребителей тепловой энергии. Кроме того, они нашли широкое применение для технологических целей на различных производствах, включая химическое и металлургическое.

На момент начала испытаний (декабрь 2007 г.) макетный образец «БРАВО» (о его особенностях будет сказано ниже) входил, наряду с электронасосным агрегатом, трубной обвязкой и запорной арматурой, в состав теплового пункта (испытательного стенда). В тепловом пункте имелись также трубные ответвления на два теплообменника (бойлера), которые при проведении замеров были перекрыты. Для измерения теплопроизводительности был использован серийный одноканальный электромагнитный теплосчетчик ВИС.Т с первичным преобразователем расхода dy15, который устанавливался на подпиточном трубопроводе. Измерение потребляемой электрической энергии производилось с помощью электросчетчика типа САУ-И678. С целью минимизации затрат на работы по измерению теплопроизводительности была реализована следующая методика экспериментов.

В тепловую установку осуществлялся постоянный подвод холодной воды, которая после гидромеханических воздействий в «БРАВО» непрерывно сливалась через накопительный бак в сливной трап бойлерной. Учитывая гидравлическую плотность установки (отсутствие утечек контролировалось визуально), массовый расход воды на входе в установку был равен массовому расходу сливаемой воды. Поэтому для измерения количества генерируемой установкой «БРАВО» тепловой энергии достаточно было измерить массовый расход холодной воды, температуру (энтальпию) воды на ее входе и выходе и осуществить численное интегрирование произведения разности энтальпии на массовый расход на контролируемом отрезке времени. Этот алгоритм, в соответствии с «Правилами учета тепловой энергии и теплоносителя», реализует одноканальный теплосчетчик ВИС.Т, укомплектованный подобранной парой платиновых термометров сопротивлений. Теплосчетчики ВИС.Т позволяют измерять количество тепловой энергии с погрешностью не более 4 процентов в диапазоне разностей температур от 2 до 10 градусов Цельсия и при расходах менее 1 процента (до 0,1 процента) от верхнего предела измерения.

При этом теплоемкость воды, подвергнутой воздействию аппаратом «БРАВО», условно принята равной единице, поскольку мы не успели пока провести замеры фактической теплоемкости механоактивированной воды, которая, по данным Е. Ф. Фурмакова, может сильно отличаться от справочных значений и достигать значения 2 (в случае, если эти данные подтвердятся, полученные значения КПД придется пересмотреть в большую сторону).

Так как в большинстве случаев практическое использование теплогенератора для обогрева рабочих и жилых помещений требует непрерывных или квазинепрерывных режимов подачи тепла, теплопроизводительность установки измеряли в квазинепрерывном режиме, т. е. в установившемся режиме (температура сливаемой воды стабилизировалась и не менялась на протяжении часа).

Замеры теплопроизводительности агрегата «Браво», с учетом максимально возможной погрешности измерений, показывают, что КПД установки в опробованных режимах работы находится в пределах от 75,6 до 87,2 процента. Потери в обмотках электродвигателя (теплота, отдаваемая ими окружающей среде) хорошо коррелируют с разностью между затраченной электроэнергией и верхним значением теплового КПД макетного образца «БРАВО». Становится вполне реальным усовершенствовать конструкцию «БРАВО» таким образом, чтобы тепловой КПД равнялся КПД электродвигателя, приводящего насос. В этом случае аппарат предполагается оснастить погружным электронасосным агрегатом и поместить такой агрегат в термоизолированный бойлер, чтобы вода нагревалась с тепловым КПД, равным единице.

Особенности «БРАВО»

В аппарате «БРАВО» (Би-роторный аппарат волновой отопительный) вокруг неподвижной геометрической оси установлены, как минимум, два ротора – активатор и генератор. На периферии активатора расположены вихревые камеры. Генератор выполнен по принципу Сегнерова колеса. Роторы вращаются встречно. При этом циклически генерируются гидроудары путем перекрытия генератором выходов вихревых камер активатора. Гидроударные волны из перекрытых камер перепускаются в тыловые зоны открытых камер. Имеются средства саморегулирования энергообмена роторов с рабочим телом. Все это обеспечивает большую амплитуду и широкий частотный спектр колебаний, а также высокую эффективность кавитации при малом гидравлическом сопротивлении. Конструкция аппарата позволяет избежать общего недостатка аппаратов динамического типа – наличия валов с жестко посаженными на них роторами, а также кавитационного износа роторов (зоны кавитации локализованы в осевых зонах рабочих камер, вне контакта с их поверхностями). Чтобы принципиальные отличия «БРАВО» от «вихревых» теплогенераторов стали понятны читателю, кратко рассмотрим особенности известных типов «вихревых» теплогенераторов.

В статических «вихревых» теплогенераторах отсутствуют подвижные конструктивные элементы и имеется тормозное устройство с большим гидравлическим сопротивлением.

Динамические «вихревые» теплогенераторы имеют размещенные в полости корпуса активаторы, жестко скрепленные с приводными валами (роторные активаторы либо лопаточный активатор). Некоторые из аппаратов снабжены средствами создания автоколебаний в потоке жидкости (сходного с «БРАВО» назначения). Однако, например, в «Роторном гидроударном насосе – теплогенераторе» (патент RU2247906) зона кавитации совмещена с рабочим колесом насоса, что снижает ресурс и производительность последнего, а также эффективность всей нагревательной системы. Это присуще всем подобным аппаратам. Большой момент инерции роторов, кинематически связанных с валом приводного электродвигателя, – общий недостаток всех известных «вихревых» теплогенераторов динамического типа. Этот недостаток присущ, в частности, теплогенераторам марки «ТС» (производства ФГУП «СПЛАВ», г. Тула). Аппаратам «ТС» необходимы энергоемкий привод вала ротора, дорогостоящая динамическая балансировка массивного ротора, применение выносных подшипниковых опор с радиальными уплотнениями, а также циркуляционного насоса. «ТС» требуют также применения аппаратуры плавного пуска (именно ввиду больших моментов инерции роторов).

Таким образом, сопоставление с существующими аналогами позволяет сделать вывод, что «БРАВО» представляет собой новый тип гидродинамического теплогенератора (смешанный), сочетающий преимущества статических и динамических ВНЖ и лишенный их недостатков.

Теплогенератор твердотопливный, воздухонагреватель от производителя GRV. Мощности от 10 до 2000 кВт.

Твердотопливный теплогенератор —  (тепловая пушка, воздухонагреватель) это устройство для получения горячего воздуха за счет теплопередачи от источника горения к нагреваемому воздуху через стенки теплообменника и стенки топки. Теплогенераторы GRV широко используются для процессов сушки, систем воздушного отопления, в составе подогрева приточной вентиляции. Большое распространение тепловые пушки твердотопливные стали получать на тепличных комплексах для сушки древесины и сушильных камерах полимеризации (порошковая покраска).

Теплогенераторы могут быть с автоматической, ручной подачей топлива и универсально комбинированные 

Воздухонагревательное оборудование состоит из топочного блока, теплообменника, раструба для подключения вентилятора, внутренних каналов по которым проходит воздух, зольного отдела (на теплогенераторах работающих на твердом топливе), обязательно дверцы для прочистки теплообменника. Блок управления и защиты от перегрева стенок теплогенератора.

Автоматическая подача топлива: упрощает использование теплогенератора. Топливо засыпается в специальный бункер, и из него подается в вихревую горелку.

Виды топлива

Воздушное отопление выгодно на твердом топливе и комбинированном. Мы разработали оборудование которое работает сразу на нескольких видах топлива, это снижает зависимость от конкретного поставщика топлива, а также автоматизировать процесс подачи. Рациональное решение – автоматическая подача топлива с ручной загрузкой. Загрузка вручную обеспечивает утилизацию любых горючих не токсичных отходов, снижаются затраты на вывоз мусора.

• Твердое топливо – пеллеты, дрова, уголь, брикеты, опилки, шелуха, поддоны, древесные отходы, картон, бумажные отходы
• Жидкое топливо – печное топливо, отработка
• Газообразное топливо – пиролизный газ

Во многих случаях теплогенераторы способны заменить парогенераторы, электрические нагревательные приборы, котельные водогрейные агрегаты. Дешевый монтаж, высокий диапазон регулировок мощности, экономичная работа обеспечивает быструю окупаемость. Агрегат в своем составе имеет меньшее количество элементов чем парогенератор (нет насосов, водоподготовки, не нужно регистрировать в органах котлонадзора).

Твердотопливные теплогенераторы GRV используются

1.      Сушильные камеры для древесины

2.      Сушильные камеры для дров, трав, реагентов

3.      Сушильные камеры полимеризации (автоматическая подача топлива)

4.      Отопление теплиц площадью от 100 до 5000 м.кв.

5.      Работа в комплексу с сушильными барабанами

6.      Отопление промышленных помещений

7.      Точечный обогрев на улице на строительных объектах (с использованием укрывного материала, для монолитных работ)

8.      Отопление птичников, при заборе воздуха с улице, теплогенератор играет роль отопления, и нагрева приточной вентиляции

9.      Теплогенератор воздухогрейный твердотопливный работает в составе приточной вентиляции в холодное время года, снижая нагрузку на действующую систему отопления

10.  Использование для нагрева агрегатов работающих в условиях крайнего севера, и при сильных морозах (особенно в условиях ограниченного количества дизельного топлива)

11.  При работах МЧС в зимнее время года на удаленных объектах

Компания GRV занимается разработкой и производством теплогенераторов, котлов, систем автоматической подачи топлива. Нам удалось вывести в серию теплогенераторы с автоматической подачей гранул, опилок, шелухи, при этом их характеристики позволяют без перебоев отапливать такие объекты как теплицы, где не допустима остановка работы теплогенератора.

Производство новой серии универсальных теплогенераторов (ручная и авто подача) – они работают на дровах, угле, гранулах с автоматической подачей, — это увеличило надежность агрегатов. Оборудование очень гибкое, и может без перенастроек работать как на дровах, угле так и на гранулах (пеллетах).

За счет внедрения аэродинамического расчета теплогенераторы GRV эффективнее аналогов. Использование материалов с большой теплопроводностью позволит уменьшить габаритные размеры. Устройство топки с многослойной стенкой улучшит тепловые характеристики, снизит потери. Разработка универсальной горелки, которая работает на отработке, печном топливе, газе и пеллетах сделает полную независимость от конкретного вида топлива, что является экономически целесообразным для владельцев предприятий, теплиц, сушильных камер. Компания GRV разработала новые стандартные универсальные горелки, которые быстро модернизируются на любой вид топлива.

Теплогенераторы могут работать в составе оборудования с водогрейными системами, при этом возможность получения как горячей воды так и горячего воздуха от одного агрегата обеспечивает универсальность и экономию, снижению кол-ва агрегатов и снижению необходимого места для установки.

Идеально подходит для отопления промышленных помещений, мастерских, цехов, технологических процессов, обогрева конюшен, теплиц, сервисных центров. 
Воздухогрейный котел — альтернатива: водяным калориферам Volcano (Вулкан), тепловым дизельным пушкам. В отличие от дизельной пушки воздухогрейный котел наиболее экономичен так как работает на твердом топливе

Система воздушного отопления теплицы строится на основании теплогенератора (воздухогрейного котла). Эффективность данной системы проверенна временем, наиболее экономична для теплиц площадью от 50 до 5000 м.кв.

Теплогенератор устанавливается в саму теплицу у торца, рядом с входом. Горячий воздух подается из теплогенератора в воздуховоды и распределяется равномерно по всей длине. Основной экономический эффект связан с дешевизной и простотой системы отопления. Для монтажа системы не требуется задействовать сварочные работы. Система может работать в очень широком диапазоне температур.

Теплогенераторы можно разделить на несколько категорий:

С автоматической подачей топлива и поддержанием, как правило это сыпучие виды топлива и жидкие (пеллеты, уголь, шелуха, опилки, мазут ,печное топливо и т.д.)

Теплогенераторы с ручной загрузкой топлива (дрова, крупнокусковой уголь, отходы деревообрабатывающего производства).

Для установки теплогенератора следует залить бетонную плиту. Воздуховоды устанавливаются на уровне 1,8 – 1,6 метра. Наиболее экономичный вид – оцинкованные воздуховоды круглого сечения. К примеру для теплицы площадью в 1000 м.кв. потребуется две ветки воздуховодов во всю длину теплицы.

Дымоход выводится отдельной трубой. Над теплогенератором следует сделать стальную крышу, утепленную негорючими материалами. Теплогенераторы с автоматической подачей можно эксплуатировать только с наличием дымососа.

Регулирование температуры в теплицы производится в ручном или автоматическом режиме в зависимости от комплектации и модели. Возможна полная комплектация с автоматическим блоком управления. 

Производственная компания GRV предлагает специальное оборудование для получения нагретого воздуха до температур от 30 до 300 *С. Данные воздухогрейные агрегаты используются для систем отопления теплиц, ферм,, отопление мастерских и цехов, в технологических процессах – таких как сушка древесины или сушка заготовок из бетона, сушка зерновых культур в составе сложных комплексов, отопление магазинов и складских помещений, отопление сервисных центров.

При проектировании воздухогрейный котлов GRV, мы в первую очередь обратили внимание на КПД, чтобы оно не уступало водогрейным котлам. За счет развитой системы воздушных каналов внутри самого котла, воздух равномерно протекает по всем поверхностям обеспечивая полноценный отбор тепла без зон перегрева металла. В конструкции GRV предусмотрено отдельное управление подачей воздуха в топку котла для процесса горения и отдельная воздушная турбина для прокачки воздуха через воздушную рубашку.

Так же воздухогрейные котлы называют теплогенераторы и тепловые пушки. Это название больше применима для систем где требуется высокая температура воздуха – как обычно это системы сушки. Теплогенератор позволяет задавать нужный микроклимат включая не только температуру но и влажность. На выходе из воздухогрейного котла можно установить специальный испаритель, благодаря которому за счет испарения воды увеличивать влажность до нужных пределов. Так например при сушки древесины влажность должна плавно изменяться со временим, что можно легко сделать с помощью воздухогрейного котла и системы подпитки воды на выходящем патрубке.

В котлах воздухогрейных GRV, нам удалось достигнуть температуру уходящих газов не более 160*С во всем диапазоне работы. Что говорит о высоком значении КПД самого агрегата.

Эксплуатация теплогенератора GRV достаточно простая и не требует дополнительных навыков. Теплогенераторы в отличие от водяных котлов не критичны к отключению электроэнергии. Если в водяном котле при отключении электроэнергии и отключении насосов моментально начинается кипение, и выброс пара, то воздушные котлы просто останавливаются. При отключении электроэнергии требуется соблюдать инструкцию.   

Применение теплогенераторов обеспечивает дешёвым теплом. Данные устройства надежны и просты в эксплуатации. Использование автоматической подачи топлива снижает трудовые затраты в пять раз, повышает экономичность работы за счет автоматического управление компьютером контроллером. Первые теплогенераторы в нашей компании были разработаны для отопления теплиц, чтобы снизить затраты на строительство системы отопления. В процессе эксплуатации выявились дополнительные положительные стороны, такие как выносливость, работа на большом количестве разных топлив, за счет того что стенки теплогенератора имеют более высокую температуру чем водогрейные котлы, на них нет отложений. Так же теплогенераторы не подвержены процессу коррозии.

Твердое топливо в процессе горения выделяет нужное количество тепла, это тепло передаётся стенками топки и теплообменнику, при этом они интенсивно охлаждается принудительном протоком воздуха. Главное в устройстве теплогенератора – устройство протоков воздуха, для получения необходимого КПД, максимального ресурса.

Вентиляторы для каждого отдельного случая подбираются индивидуально, с этим вопросом следует обращаться к инженерам нашей компании. В основном на твердотопливные теплогенераторы устанавливаются вентиляторы серии среднего давления. Расчет по производительности производится исходя из потребности в температуре, расходе и сопротивления всей ветки воздуховодов.

Для теплиц и сушильных камеры мы можем порекомендовать полный комплект оборудования включая стандартные воздуховоды, вентиляторы, щиты управления. Наше предприятие так же производит твердотопливные теплогенераторы по индивидуальным заказам, например комбинированные которые по мимо нагрева воздуха нагревают воду.   

Управление теплогенератором для теплицы или ангара. В комплектацию входит два датчика температуры (точнее терм сопротивление), значение которого передаются в блок управления. Потребитель задает необходимое значение температуры в помещении, автоматически блок управляет подачей воздуха в топку включая или выключая его, что ведет к изменению мощности теплогенератора. Для вариантов с вихревой горелкой и автоматической подачей топлива, схема управления заложена полностью в алгоритм работы. Процентное соотношение экономии топлива при этом составляет не менее 25%, что с учетом снижения трудовых затрат значительно повышает экономичность отопления и ее точность, что кстати сказывается на урожайности если отапливается теплица. Отопление Ангаров и Цехов, с помощью воздушного охлаждения главное преимущества данная система не боится разморозки, и вы можете смело не топить цеха в выходные и праздники.   

Качество продукции соответствует международным нормам. Все теплогенераторы прошли испытания в зимнее время, на отоплении теплиц, цехов, сушильных камер. Положительные результаты и отзывы которые мы получили в процессе эксплуатации, дает нам уверенность и нашим заказчикам. Гарантия составляет 24 месяца с момента отгрузки оборудования.

Видео 1. Отопление теплицы с использованием теплогенератора GRV с ручной загрузкой топлива

Видео 2. Теплогенератор автоматический GRV 

Видео 3. Вода воздушный котел GRV 40+40

Видео 4. Теплогенератор твердотопливный GRV в составе с сушильной камерой 

Видео 5. Теплогенератор GRV на опилках с автоматической подачей топлива 

Видео 6. Работа воздухогрейного твердотопливного теплогенератора мощность 400 кВт 

Теплогенератор мощностью 50-60 кВт, модель GRV задействован для отопления теплицы круглогодичной работы. 

Рис. 1 Воздушное отопление теплицы 180 кв.м. 

На рис. 1 представлена схема воздушного отопления подходящая для отопления теплицы, ангара, склада, производственного помещений. Воздух нагревается теплогенератором GRV твердотопливного типа, направляется по воздуховодам к самой дальней торцевой стенки помещения, и возвращается обратно к тепло генератору. Равномерная температура, минимальный расход электричества и топлива, быстрый монтаж системы отопления. 

Очень актуальное отопление для тех помещений где требуется прогрев пола, вентиляция, определенная влажность воздуха. Оборудование воздухо водяной котел обеспечивает нагрев воды и воздуха одновременно. 

Рис. 2 Воздухо водогрейная система отопления 

На рис. 2 схема комбинированной системы отопления воздухо водяного типа. Теплогенератор встроен в водогрейный котел. В верхней части котла расположен воздухогрейный теплообменник, в нижней части водогрейная топка. Такая конфигурация обеспечивает максимальную эффективность от системы отопления которая так же выполняет функции приточной вентиляции с подогревом воздуха. Проветривание в любую погоду, с сохранение функциональности водогрейной системы. Идеально подходит для тепличных комплексов, цехов, технологических процессов. 

Автоматические системы отопления GRV оптимальны по стоимости, надежны так как используется в системе подачи топлива Японские комплектующие SMC. 

Рис. 3 Автоматический теплогенератор GRV 150 установленный для отопления цеха, теплицы 500 кв.м.

Воздушное отопление с автоматической системой подачи на базе GRV 150. Гранулы из бункера подаются в вихревую горелку, управление процессом горения — автоматическое от спец. контроллера разработанного в нашей компании. Теплогенератор полностью автономный работает без участие человека. Особенность данной конструкции в ее универсальности, оставлена возможность топить на древесных отходах и угле в ручном режиме. 

Для воздушного отопления помещения с низкими потолками есть определенные правила размещения воздуховодов 

Рис. 4 Автоматический теплогенератор твердотопливный GRV 100 для отопления цеха, теплицы 

Пеллетные теплогенераторы GRV работают не менее 1 суток на одной загрузки топлива, в полностью автоматическом режиме работы. Поршневая подача топлива, вихревая горелка и конструкция теплогенератора полностью разработаны специалистами GRV. Низкое аэродинамическое сопротивление топки и теплообменника позволяют эксплуатировать оборудование без подключения дымососа 

Твердотопливные теплогенераторы самые выгодные на сегодня для систем отопления. Низкая стоимость оборудования, монтажа, и системы воздуховодов. Быстрый прогрев системы, нет риска перемерзания системы. Весь монтаж производится без сварочных соединений, требования к монтажникам ниже чем для водогрейных систем отопления, за счет простоты конструкции 

Рис. 5 Схема отопления теплицы, ангара на базе теплогенератора GRV 

Отопление больших площадей требует правильного распределения воздуха во всем объеме помещения. Теплицы площадью 2000-4000 кв.м. равномерно отапливаются с помощью воздуховодов и твердотопливного теплогенератора. Система по стоимости выходит дешевле чем водогрейная в два раза. Для теплицы с низкими потолками схема отопления показана на рис. 6. 

Рис. 6 Подключение теплогенератора GRV 400 для отопления теплицы площадью 2100 кв.м. 

Большие площади теплицы быстро окупаются, для высокой урожайности нужно соблюдать в теплице микроклимат. Воздухогрейные теплогенераторы GRV поддерживают температуру и обеспечивают оптимальную влажность. Вентиляция в теплице может работать в любой мороз, достаточно обеспечить частичный забор воздуха с улицы через теплогенератор, в котором он будет нагреваться и распределятся по всей теплице через систему воздуховодов. 

Средние теплопотери теплицы площадью 3000 кв.м. в холодную неделю составляют 600 кВт в час в ночное время суток. Теплогенератор GRV 600 с увеличенным протоком воздуха обеспечивает заданную мощность. Увеличивается количество воздуховодов до 4 и повышается мощность вентиляторов среднего давления. Отопление в теплице поддерживается на уровне 18-24*С в ночное время, для теплицы с пленкой с принудительным надувом между слоями. 

Рис. 7 Отопление теплицы 3000 кв.м теплогенератором GRV 600 

Теплогенератор можно обеспечить дополнительной горелкой на жидком топливе, при этом загрузочные дверцы для твердого топлива остаются как для резервной и основной топки. 

Отопление теплицы такой большой площадью в 9600 кв.м. с помощью твердотопливных теплогенераторов возможно при установке 4 х теплогенераторов. Так же оборудование можно перевезти на жидкое и газообразное топливо. Для эффективной работы теплового оборудование размещается непосредственно в теплице, что снижает тепловые потери. 

Рис. 8 Теплогенераторы GRV твердотопливные для отопления теплицы площадью 9600 кв.м. 

Для работы, теплогенераторы комплектуются дымососами, что позволяют эксплуатировать их на высокой мощности, и устанавливать непосредственно в теплице. Более подробно эксплуатация данного теплогенератора показана выше на видео 1. 

Воздушное отопление гребного цеха обеспечивает полный контроль над температурой и влажностью в помещении. Система отопления встроена в приточную вентиляцию и обеспечивает экономию материала при монтаже системы. 

Установка калорифера рис. 9 в системе воздуховодов обеспечивает дополнительный нагрев воды для приготовления субстрата. 

Рис. 9 Теплогенератор GRV 150 с установка для нагрева воды, которая используется в процессе приготовления субстрата 

Воздушное отопление цеха по выращиванию грибов, очень востребованное предложение с надежной и простой конструкцией. Универсальность системы — подогрев воды обеспечивается специальным устройством с использованием водо воздушного калорифера и шиберных задвижек. 

Твердотопливный теплогенератор, наилучшим образом подходит для отопления столярных, мебельных мастерских. Утилизация древесных отходов + самый недорогой монтаж системы воздушного отопления. Эффективно, и быстро. В системе нет воды — можно оставлять без отопления помещение на выходные или праздники, без страха разморозки системы. 

Рис. 10 На изображении представлена схема воздушного отопления столярного цеха  

1 — Приток чистого горячего воздуха в бытовку; 2 — Забор воздуха из бытовки; 3 — Вытяжной вентилятор для забора воздуха из покрасочной комнаты; 4 — Приточка горячего воздуха в покрасочную комнату; 5 — Забор воздуха из ремонтного цеха и из области ворот, забирается холодный воздух; 6 — Воздуховод с горячим воздухом; 7  и 8 — дуфузоры для выпуска горячего воздуха, их можно регулировать обеспечивая равномерный поток; 9 —  фильтра для забора воздуха из помещений с пылью; 10 — Теплогенератор твердотопливный GRV; 11 — дымоход для отвода дымовых газов 

Solid fuel heat generator — (heat gun, air heater) is a device for obtaining hot air due to heat transfer from the combustion source to the heated air through the walls of the heat exchanger and the furnace wall. GRV heat generators are widely used for drying processes, air heating systems, as part of the supply ventilation heating. A large distribution of heat guns solid steel to receive greenhouse complexes for drying wood and drying chambers polymerization (powder coating).

The device of the heat source Heat generators can be with automatic, manual fuel supply and universally combined Hot air equipment consists of a furnace unit, a heat exchanger, the socket for connection of the fan, the internal channels through which air passes, the ash unit (on the heat generator for solid fuel), be sure the door to clean the heat exchanger. Control unit and protection against overheating of the walls of the heat generator. Automatic fuel supply: simplifies the use of the heat generator. The fuel is poured into a special hopper, and from it is fed into a vortex burner.

Type of fuel Air heating is advantageous on solid fuel and combined. We have developed equipment that runs on several types of fuel, it reduces the dependence on a particular fuel supplier, as well as automate the process of supply. The rational solution is an automatic fuel supply with manual loading. Manual loading ensures the disposal of any combustible non-toxic waste, reduces the cost of garbage collection. Solid fuel – pellets, wood, coal, briquettes, sawdust, husks, pallets, wood waste, cardboard, paper waste Liquid fuel – heating oil, waste Gaseous fuel – pyrolysis gas

The advantages of solid-fuel heat generators In many cases, heat generators can replace steam generators, electric heating devices, boiler water heating units. Cheap installation, high adjustment range, capacity, cost-effective operation, ensuring a quick return. The unit in its composition has fewer elements than the steam generator (no pumps, water treatment, no need to register in the bodies of the boiler).

GRV solid fuel heat generators are used

1. Drying chambers for wood

2. Drying chambers for firewood, herbs, reagents

3. Drying chambers of polymerization (automatic fuel supply)

4. Heating of greenhouses ranging from 100 to 5000 sq. m.

5. Work in complex with drying drums

6. Heating of industrial premises

7. Spot heating on the street at construction sites (using covering material for monolithic works)

8. Heating of poultry houses, at air intake from the street, the heat generator plays a role of heating, and heating of supply ventilation

9. Heat generator hot air solid fuel works as part of the supply ventilation in the cold season, reducing the load on the existing heating system

10. Use for heating units operating in the far North, and in severe frosts (especially in a limited amount of diesel fuel)

11. When the Ministry of emergency situations in the winter at remote sites

Теплогенератор — обзор

10.2.1 «Умность» в первичных системах

Простейшее интеллектуальное управление первичной системой осуществляется путем автоматического включения / выключения теплогенератора в соответствии с профилем потребности в тепле. Более того, большинство интеллектуальных технологий, связанных с первичными системами, также позволяют комбинировать автоматическое включение / выключение с регулированием температуры воды на входе.

Этот вид управления включением / выключением, часто основанный на погодных условиях вне помещения, обычно доступен для большинства систем водяного отопления.Однако то, что делает систему умной, — это способность оптимизировать такое управление в реальном времени не только в зависимости от температуры наружного воздуха и солнечного излучения, но и в зависимости от температуры в помещении.

Как показано на рис. 10.2, самое простое решение для создания интеллектуальной системы отопления на уровне первичной системы состоит в установке интеллектуального термостата в контрольную комнату в доме (иногда термостат можно перемещать, приводя контрольную комнату к можно изменить в соответствии с предпочтениями пользователя).Через исполнительный механизм первичная система — то есть, в случае систем водяного отопления, газового конденсационного котла или теплового насоса — приводится в действие алгоритмом управления для регулирования периодов включения / выключения и / или температуры воды. систему водяного отопления, чтобы температура в помещении соответствовала эталонной температуре в помещении. При таком первичном системном управлении пользователи всегда могут выключить нагревательные терминалы (в большинстве случаев радиаторы) и отрегулировать локальную температуру в помещении в соответствии с конкретными предпочтениями пользователя.Однако хорошо работающая интеллектуальная система должна в максимально возможной степени избегать прямого контроля со стороны пользователя (Ulpiani et al., 2016).

Рисунок 10.2. Сеть компонентов и звеньев, относящихся к интеллектуальной системе отопления на уровне первичной системы.

Для небольших зданий, в которых все комнаты используются регулярно, это, вероятно, очень рентабельный способ достижения оптимального управления отоплением. Фактически, следует отметить, что модернизация таких интеллектуальных систем не требует замены самой первичной системы, поскольку интеллектуальные термостаты спроектированы таким образом, чтобы иметь возможность легко заменить традиционный настенный термостат или беспроводной термостат и Электроприводы легко подключаются практически ко всем газоконденсатным котлам или тепловым насосам.Вот почему большинство решений, доступных на рынке, представлены как независимые от специфики основных систем.

Однако есть некоторые гибридные первичные системы, которые могут быть частью интеллектуальной системы отопления не только из-за их интеллектуального управления, но и из-за их внутренних характеристик. Интеллект в таких системах заключается в интеграции более чем одного теплогенератора (как правило, теплового насоса и газового конденсационного котла), которые могут использовать возобновляемые источники, и комбинированного управления их работой, чтобы максимизировать систему в целом. эффективность и надежность даже в экстремальных погодных условиях (Di Perna et al., 2015). Алгоритмы, работающие в их интегрированных системах управления, могут оптимизировать работу таких гибридных систем в соответствии с внешними условиями и предпочтениями пользователя. Фактически, некоторые решения, доступные на рынке, позволяют пользователям указывать свои тарифы на энергию, так что алгоритм управления минимизирует затраты на энергию в режиме реального времени за счет оптимального сочетания источников энергии. Вместо этого, если это установлено пользователем, существуют варианты минимизации выбросов CO ₂ . По заявлению производителей, снижение затрат на электроэнергию может достигать 50%.

Однако, как и в предыдущем случае, следует отметить, что это решение для модернизации небольших зданий с небольшим количеством тепловых зон и независимой системой отопления из-за ограниченной теплопроизводительности таких гибридных систем, доступных на магазин.

Вырабатывают ли генераторы много тепла? Как они работают?

Когда дело доходит до генератора, люди больше всего беспокоят его выделяемое тепло. Генераторы могут быть очень горячими устройствами, особенно если их оставлять включенными на долгое время, но есть много возможностей для генераторов, некоторые из них могут быть гораздо менее склонны к выделению тепла, чем другие.

Чтобы узнать, сколько тепла может произвести генератор, нам нужно внимательнее взглянуть на то, как они работают. Итак, давай сделаем это, ладно? Генераторы не создают электричество так, как думает большинство людей, они фактически преобразуют механическую / химическую энергию в электрическую.

Они делают это, используя топливо и превращая его в электрическую энергию. Если это сбивает с толку, подумайте об этом так: генератор, по сути, работает как двигатель, но наоборот. Он использует движение для выработки электроэнергии, забирая электроны из топлива и проталкивая его через внешнюю цепь.

Большинство генераторов работают таким образом, хотя могут быть некоторые незначительные отклонения. Источник топлива опять же не имеет большого значения в том, как он производит электрический ток, хотя некоторые источники топлива могут генерировать больше тепла, чем другие.

Принципы работы генераторов были открыты Майклом Фарадеем, очень известным английским ученым, внесшим значительный вклад в исследования электромагнетизма и электрохимии. Как только ток был произведен путем преобразования механической / химической энергии, он передается с помощью медных проводов.

После передачи питания его можно использовать для питания других внешних устройств. Обычные домашние резервные генераторы могут производить больше энергии, в то время как портативные модели меньшего размера имеют меньшую мощность. Итак, теперь вы знаете, как работают генераторы, давайте подробнее рассмотрим, как вырабатывается тепло.

Уровни нагрева генератора

преобразуют движение в энергию (это упрощение, но в основном то, что происходит), поэтому они могут быть на удивление горячими машинами.Некоторые генераторы, такие как машины на солнечной энергии, заметно холоднее по сравнению с машинами, работающими на бензине и дизельном топливе, но даже они могут сильно нагреваться.

Теперь да, это угроза безопасности, что означает, что вы должны соблюдать надлежащие меры предосторожности. Прежде всего, всегда убедитесь, что ваш генератор находится в безопасном месте во время работы. Домашние резервные генераторы необходимо будет профессионально установить в безопасном месте.

Топливо никогда не следует хранить рядом с генератором, что является частой ошибкой.Вы также должны проявлять осторожность при заправке генератора, так как топливо может воспламениться, если его поместить внутрь, когда генератор еще горячий. Генераторы действительно выделяют тепло, это естественный побочный эффект их работы, но если вы примете надлежащие меры предосторожности, вы будете в полной безопасности.

Чтобы узнать больше о том, как работают генераторы, перейдите по этой ссылке — https://www.bestgenerators.org/. Best Generators.org — это специализированная платформа для всех видов генераторов новостей, где вы найдете много ценной информации, включая блоги и руководства.Если вы подумываете о покупке генератора или просто хотите узнать о нем больше, стоит посетить Best Generators.org.

Вы нашли эту статью полезной? Поделитесь своими мыслями с друзьями …

Толщина пленки сплава и площадь основания влияют на электрическую мощность — ScienceDaily

Использование отработанного тепла в значительной степени способствует устойчивому энергоснабжению. Ученые из Технологического института Карлсруэ (KIT) и Университета Тохоку в Японии теперь значительно приблизились к своей цели преобразования отработанного тепла в электрическую энергию при небольших перепадах температур.Согласно отчету Джоуль , электрическая мощность на площадь основания термомагнитных генераторов на основе пленок сплава Гейслера была увеличена в 3,4 раза.

Многие технические процессы используют только часть потребляемой энергии. Оставшаяся фракция покидает систему в виде отработанного тепла. Часто это тепло выделяется в окружающую среду неиспользованным. Однако его также можно использовать для теплоснабжения или выработки электроэнергии. Чем выше температура отходящего тепла, тем проще и дешевле его повторное использование.Термоэлектрические генераторы могут использовать отходящее тепло низкой температуры для прямого преобразования в электрическую энергию. Однако используемые до сих пор термоэлектрические материалы были дорогими и иногда даже токсичными. Более того, термоэлектрические генераторы требуют большой разницы температур для достижения КПД всего в несколько процентов.

Термомагнитные генераторы представляют собой многообещающую альтернативу. В их основе лежат сплавы, магнитные свойства которых сильно зависят от температуры. Переменное намагничивание индуцирует электрическое напряжение в приложенной катушке.Первые концепции термомагнитных генераторов исследователи представили еще в XIX веке. С тех пор исследования охватили множество материалов. Однако электроэнергия оставляет желать лучшего.

Ученым из Института технологии микроструктур (IMT) KIT и Университета Тохоку в Японии теперь удалось значительно увеличить электрическую мощность термомагнитных генераторов на единицу площади. «По результатам нашей работы, термомагнитные генераторы впервые конкурируют с уже существующими термоэлектрическими генераторами.Таким образом, мы значительно приблизились к цели преобразования отработанного тепла в электрическую энергию при небольших перепадах температур », — говорит профессор Манфред Коль, руководитель группы интеллектуальных материалов и устройств IMT. Работа команды описана на обложке. история последнего выпуска Джоулей .

Видение: Рекуперация отработанного тепла при температуре, близкой к комнатной

Так называемые сплавы Гейслера — магнитные интерметаллиды — применяются в виде тонких пленок в термомагнитных генераторах и обеспечивают большое изменение намагниченности в зависимости от температуры и быструю теплопередачу.Это основа новой концепции резонансного самовозбуждения. Даже при небольших перепадах температур в устройствах возникают резонансные колебания, которые могут эффективно преобразовываться в электрическую энергию. Тем не менее, электрическая мощность отдельных устройств невысока, и масштабирование будет зависеть от разработки материалов и инженерных решений.

Исследователи из KIT и Университета Тохоку использовали никель-марганцево-галлиевый сплав и обнаружили, что толщина пленки сплава и площадь основания устройства влияют на электрическую мощность в противоположных направлениях.Основываясь на этом открытии, им удалось повысить электрическую мощность на единицу площади в 3,4 раза за счет увеличения толщины пленки сплава с пяти до 40 микрометров. Термомагнитные генераторы достигли максимальной электрической мощности 50 микроватт на квадратный сантиметр при изменении температуры всего на три градуса по Цельсию. «Эти результаты открывают путь к разработке индивидуальных термомагнитных генераторов, соединенных параллельно, для потенциального использования отходящего тепла, близкого к комнатной температуре», — объясняет Коль.(или)

История Источник:

Материалы предоставлены Karlsruher Institut für Technologie (KIT) . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Что такое ТЭЦ? | Агентство по охране окружающей среды США

ТЭЦ — это энергоэффективная технология, которая генерирует электричество и улавливает тепло, которое в противном случае было бы потрачено на производство полезной тепловой энергии, такой как пар или горячая вода, которую можно использовать для отопления, охлаждения, горячего водоснабжения и промышленных процессов.ТЭЦ может располагаться на отдельном объекте или в здании, а также быть районным энергоснабжающим или коммунальным предприятием. ТЭЦ обычно размещается на объектах, где есть потребность как в электроэнергии, так и в тепловой энергии.

Почти две трети энергии, используемой при традиционном производстве электроэнергии, тратится впустую в виде тепла, выбрасываемого в атмосферу. Дополнительная энергия тратится впустую при распределении электроэнергии конечным пользователям. Улавливая и используя тепло, которое в противном случае было бы потрачено впустую, и избегая потерь при распределении, ТЭЦ может достичь КПД более 80 процентов по сравнению с 50 процентами для типичных технологий (т.е., обычная выработка электроэнергии и собственный котел).

Общие конфигурации ТЭЦ

Две наиболее распространенные конфигурации систем ТЭЦ:

• Турбина внутреннего сгорания или поршневой двигатель с рекуператором тепла
• Котел паровой с паровой турбиной

Турбина внутреннего сгорания или поршневой двигатель с рекуператором тепла

Турбина внутреннего сгорания или поршневой двигатель Системы ТЭЦ сжигают топливо (природный газ, нефть или биогаз), чтобы заставить генераторы производить электричество, и используют устройства рекуперации тепла для улавливания тепла из турбина или двигатель.Это тепло преобразуется в полезную тепловую энергию, обычно в виде пара или горячей воды.

Паровой котел с паровой турбиной

В паровых турбинах процесс начинается с производства пара в котле. Затем пар используется для вращения турбины, чтобы запустить генератор для производства электроэнергии. Пар, покидающий турбину, можно использовать для производства полезной тепловой энергии. Эти системы могут использовать различные виды топлива, такие как природный газ, нефть, биомасса и уголь.

Каталог технологий когенерации включает исчерпывающий перечень технологий когенерации и предоставляет информацию об их стоимости и эксплуатационных характеристиках.

Области применения ТЭЦ

ТЭЦ используется в более чем 4400 учреждениях по всей стране, в том числе:

• Коммерческие здания — офисные здания, гостиницы, клубы здоровья, дома престарелых
• Жилой — кондоминиумы, кооперативы, квартиры, спланированные сообщества
• Учреждения — колледжи и университеты, больницы, тюрьмы, военные базы
• Муниципальный — районные энергосистемы, очистные сооружения, школы К-12
• Производители —химия, рафинирование, этанол, целлюлоза и бумага, пищевая промышленность, производство стекла

Ряд факторов, зависящих от конкретной площадки, определят, может ли ТЭЦ быть подходящей с технической и экономической точки зрения для вашего предприятия.Ответьте на несколько простых вопросов, чтобы определить, подходит ли ваше предприятие для ТЭЦ.

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

(ТЭГ) также известны как устройства Зеебека, генераторы Пельтье и др. ТЭГ превращают отработанное тепло в полезную энергию, используя источник тепла и поглотитель холода. Термоэлектрические генераторы идеально подходят для удаленных мест, которые отключены от сети, но имеют источник тепла.

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 присутствует повсюду и используется для уборки урожая.

Просто предоставьте источник тепла (до 320C [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 дает милливатт на один ТЭГ, а разница в 270 градусов по Цельсию может производить до 21 Вт электроэнергии. Когда тепло проходит через ТЭГ с горячей стороны на холодную, полупроводниковые гранулы вырабатывают электроэнергию. Эффективность преобразования этого теплового потока в электричество увеличивается по мере увеличения дельты T [Delta T = T _hot — T _cold ]. Чем больше дельта Т, тем выше эффективность. КПД достигает максимума около 7.5%. Проще всего подумать об этой эффективности: на каждые 100 Вт тепла, проходящего через ТЭГ, будет вырабатываться максимум 7,5 Вт электроэнергии.

Имейте в виду, что самой сложной задачей при сборе отработанного тепла с использованием ТЭГ является поддержание прохладной температуры на холодной стороне. Даже когда ТЭГ работает с максимальной эффективностью, 92,5% тепла все еще достигает холодной стороны (100-7,5%). Это тепло должно быть устранено, иначе холодная сторона ТЭГ больше не будет «холодной стороной», так как она будет быстро нагреваться.Воздушного охлаждения может быть достаточно для 1 или 2 ТЭГ, но жидкостное охлаждение — гораздо лучший способ сохранить холодную сторону.

Пожалуйста, ознакомьтесь с нашей энциклопедией TEG, чтобы узнать, как это работает. См. Наше Руководство по установке TEG, чтобы узнать, как их установить.

• Модули ТЭГ

• ТЭГ Электроника

• Принадлежности для ТЭГ

1. Добавить в корзину
2. Добавить в корзину
3. Добавить в корзину
4. Добавить в корзину
5. Добавить в корзину
6. Добавить в корзину
7. Добавить в корзину
8. Добавить в корзину
9. Добавить в корзину
10. Добавить в корзину
11. Добавить в корзину
12. Добавить в корзину
13. Добавить в корзину
14. Добавить в корзину

15. 9 долларов.50

    Добавить в корзину
16. Добавить в корзину
17. Добавить в корзину
18. Добавить в корзину
19. Добавить в корзину
20. Добавить в корзину
21. Добавить в корзину
22. Добавить в корзину
23. Добавить в корзину
24. Добавить в корзину
25. Добавить в корзину

Термоэлектрический генератор противопоставляет тепло Солнца и холод космоса

Инженеры Японского национального института материаловедения (NIMS) разработали новый тип термоэлектрического генератора, который вырабатывает электрический ток через температурный градиент.Поглощая тепло от Солнца на одной поверхности и излучая его с другой, устройство может вырабатывать электричество днем ​​и ночью.

Это основной принцип физики, согласно которому тепло перемещается от более горячих объектов к более холодным. Термоэлектрические генераторы используют это, где температурный градиент между двумя поверхностями заставляет электроны перемещаться от более теплой к более холодной, создавая электрический ток. Это называется эффектом Зеебека, и теоретически эти термоэлектрические материалы, краски и генераторы можно использовать для утилизации отработанного тепла практически из любого места, например, двигателей, выхлопных труб, электростанций и даже одежды или посуды.

В новом исследовании исследователи NIMS разработали термоэлектрический генератор на солнечной энергии, основанный на вариации принципа, называемого спиновым эффектом Зеебека. В этом случае ток возникает из потока спинов электронов, создаваемых магнитными материалами в каждом электроде.

Новый дизайн состоит из четырех слоев, каждый из которых выполняет важную работу. Два верхних слоя прозрачны, что позволяет солнечному свету проходить через два нижних слоя, которые его поглощают. Это означает, что верхний слой остается холодным, нижний слой остается теплым, а два средних слоя вырабатывают электричество из результирующего температурного градиента.

Основным фактором, ограничивающим полезность термоэлектрических генераторов, является то, что холодная сторона не может достаточно быстро избавиться от тепла, поэтому градиент температуры выравнивается. Новое устройство решает эту проблему, выпуская излишки тепла прямо в космос. Это благодаря самому верхнему слою, парамагнетику из гадолиниево-галлиевого граната (GGG), который испускает инфракрасное излучение, проходящее непосредственно через атмосферу.

Второй слой представляет собой ферромагнетик из железо-иттриевого граната, который производит спиновой ток из температурного градиента.Третий нижний слой — это парамагнетик из платины, который преобразует спиновый ток в полезное напряжение. И последний слой покрыт краской черного тела, чтобы поглощать солнечный свет и удерживать тепло.

Команда утверждает, что такая конструкция позволяет устройству продолжать вырабатывать электроэнергию днем ​​и ночью, так как нижние слои некоторое время сохраняют тепло. По словам инженеров, он лучше всего работает в ясную погоду, потому что облака могут блокировать выход инфракрасного излучения.

Тем не менее, они признают, что эффективность текущей версии все еще довольно низкая.Они планируют попытаться улучшить это, изменив дизайн и материалы.

Исследование опубликовано в журнале Science and Technology of Advanced Materials .

Источник: NIMS via Asia Research News

Управление теплом в термоэлектрических генераторах

Рассмотрим один термоэлектрический модуль n-p, схематически показанный на рис. 1. Мы предполагаем, что свойства материалов в каждой ветви постоянны. — 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 np без учета металлических соединений и межфазных сопротивлений можно записать как: и (это общая теплопроводность, в которую вносят вклад электроны и фононы ). Коэффициент Зеебека пары n-p равен, и, наконец, добротность определяется как

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

Модуль находится в хорошем контакте с источником тепла (без межфазного сопротивления). С другого конца он охлаждается жидким флюсом. Показан энергетический баланс по плите р-ноги, а тепловые потери через боковые стенки учтены с использованием конвективной теплопередачи.

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 Голдсмидом ¹⁴ , в которой он предположил одномерный перенос внутри термоэлектрических ветвей, пренебрегая конвективными потерями тепла по периметру (идеальная изоляция), а также пренебрегая контактами.Он применил граничные условия постоянной температуры (на горячей стороне и на холодном радиаторе) и доказал, что максимально достижимый КПД (для оптимальной внешней нагрузки) можно записать в терминах добротности np (Z) и разности температур () как:

Это ясно из уравнения. 1 видно, что большие значения Z и большая разница температур приводят к более высокой эффективности. Следовательно, естественной тенденцией является (1) изоляция термоэлектрических ветвей для минимизации потерь тепла и работа модуля как можно ближе к идеальным условиям (идеальная изоляция) и (2) создание большого температурного градиента путем подключения одного конца к источнику тепла. с большими тепловыми потоками и высокими температурами и охлаждением другого конца потоками холодного воздуха / воды.Несомненно, такой подход верен, если предположить, что температура горячих / холодных концов (термоэлектрических ветвей) точно такая же, как у горячего источника тепла / холодного радиатора. На практике это не так. Всегда наблюдается перепад температуры на границах раздела источник тепла / горячий конец TE и теплоотвод / холодный конец TE. Это падение температуры происходит за пределами термоэлектрического плеча и не приводит к выработке электроэнергии TE. Если холодный конец охлаждается потоком текучей среды при температуре, температура на холодном конце термоэлектрического плеча не равна температуре текучей среды и превышает ее.Правильным граничным условием в этом случае является согласование теплового потока на холодной стороне; конвективному потоку теплопередачи от термоэлектрической ветви к жидкости (). Только когда коэффициент теплопередачи жидкости стремится к бесконечности (), и граничные условия постоянной температуры могут использоваться. Во многих случаях охлаждение холодной стороны слишком дорого, и термоэлектрические модули просто прикрепляются к источнику тепла, а холодный конец охлаждается за счет естественной конвекции, для которой составляет всего около 1 Вт / м ² K.В случае принудительной конвекции воздуха (с использованием вентилятора) может увеличиться примерно до 100 Вт / м ² К. Водяное охлаждение дороже, но оно может повысить коэффициент теплопередачи до довольно больших значений (10–1000 Вт / м ² K) и до еще больших значений при использовании принудительного водяного охлаждения.

В случаях, когда выполняется плохое охлаждение, естественным следствием передачи большого теплового потока на термоэлектрические модули является перегрев модуля и, как следствие, создание гораздо меньших температурных перепадов (), что, следовательно, снижает общую эффективность.В таких случаях можно было бы увеличить разницу температур, просто открыв каналы для теплопотерь на боковых стенках. То есть удалить изоляционные слои и позволить большей площади поверхности контактировать с источником охлаждения для создания большей разницы температур вдоль ветви. Главный вопрос — каковы наилучшие условия эксплуатации, при которых КПД достаточно велик при более дешевых вариантах охлаждения.

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

Здесь для упрощения мы пишем уравнение только для ветви p и, следовательно, опускаем субиндекс p для материалов / геометрических свойств. Результаты можно просто расширить, включив оба типа, путем определения полного теплового / электрического сопротивления ветвей n-p. Результаты написания уравнения теплового баланса, показанные 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, — общая теплопроводность, обусловленная электронами и фононами, и — поток электрического тока. Обратите внимание, что в формуле. 2 мы пренебрегаем эффектом Томсона, чтобы упростить решения. Другими словами, мы предполагаем, что коэффициент Зеебека не меняется с температурой ().Чтобы включить зависящий от температуры коэффициент Зеебека, следует добавить член Томсона в левую часть 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.аналогично числу Био, которое определяется на холодном конце как длина термоэлектрической ветви и теплопроводность ТЕ-модуля. показывает эффективность охлаждения на холодной стороне. Большие значения соответствуют большим значениям и, следовательно, лучшему охлаждению на холодном конце. можно рассматривать как демпфирующий член, падение температуры вдоль ветвей TE пропорционально. — еще один безразмерный параметр, известный как параметр плавника. В этом анализе он отражает 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 предположение очень часто используется при моделировании ребер и справедливо для параметров ребер меньше 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 задачи; мы предположили, что температура охлаждающей жидкости () такая же, как температура окружающей среды ().Разница между охлаждением холодной стороны и потерей тепла через боковые стенки показана двумя разными коэффициентами теплопередачи и.

Используя уравнение. 3, тепловая мощность на горячей стороне (x = 0) составляет:

Можно показать, что полезная работа, выполняемая на внешней нагрузке, составляет:

Наконец, КПД составляет