THE MATHEMATICAL MODEL OF THE HEAT EXCHANGE PROCESS IN THERMOELECTRIC GENERATOR DESIGNED FOR RECOVERY OF ENERGY OF DOMESTIC HEATING OVEN

Анотація

Declining stocks of fossil fuels in the world and its rise in price for consumers makes it necessary to reduce the cost of energy consumption of buildings. In Ukrainian villages, in most cases, rough heating is used. Therefore, it is important to ensure the production of electricity through the use of a thermoelectric generator (TEG), which connects to the chimney and uses the energy of flue gases. As a result, the house will generate electricity during the heating season and can be virtually independent of this type of energy.

Despite the fact that there is a significant amount of research on thermoelectric materials, the operation of various heat exchangers, different designs of TEG (including a description of the rules of their design), the mathematical model of direct use of exhaust gas energy in a household stove burning biomass is still absent. .

The paper considers a mathematical model of the heat exchange process during the use of TEG for utilization of residual energy of flue gases of a household furnace, which allows to obtain electric energy for domestic consumption.

The thermoelectric module manufactured by the Ukrainian company Altek-1024 was chosen as the basis of the generator. According to a certain design of the thermoelectric generator, a thermal calculation was performed on the basis of the heat balance equations. A system of two equations for the transfer of flue gas energy through the TEM surface was obtained. The solution of this system, taking into account the temperature dependence of the main characteristics of flue gases, such as density, specific heat, thermal conductivity, made it possible to obtain the dependence of thermal energy extraction power on the inner surface area of the generator. From the obtained dependence it follows that the use of Altek-1024 modules in the amount of 3 pieces makes it possible to extract power from the flue gases of about 1 kW. The corresponding estimated amount of electrical energy is 100 watts. This value, on average, exceeds the minimum rate of electricity consumption of an individual house.

Зменшення запасів органічного палива у світі та його подорожчання для споживачів викликає необхідність скорочення витрат на енергоспоживання будівель. В українських  селах у більшості випадків використовується грубне опалення. Тому актуальним є забезпечення вироблення електричної енергії за рахунок використання термоелектричного генератора (ТЕГ), що приєднується до димоходу і використовує енергію димових газів. В результаті будинок в опалювальний сезон генеруватиме електричну енергію і може бути практично незалежним по цьому виду енергії.

Незважаючи на те, що існує значна кількість досліджень, присвячених термоелектричним матеріалам, роботі різних пристроїв теплообміну, різним конструкціям ТЕГ (включаючи опис правил їх проектування), математична модель безпосереднього використання енергії відпрацьованих газів побутової печі, в якій біомаса спалюється на відкритому вогні, досі відсутня.

В роботі розглянуто математичну модель процесу теплообміну під час використання ТЕГ для утилізації залишкової енергії димових газів побутової печі, що дозволяє одержати електричну енергію для внутрішньо-побутового споживання.

За основу генератора обрано термоелектричний модуль Альтек-1024 виготовлення української фірми. За певною конструкцією термоелектричного генератора проведений тепловий розрахунок на основі рівнянь теплового балансу. Було отримано систему двох рівнянь переносу енергії димових газів  через поверхню ТЕМ. Вирішення цієї системи з урахуванням залежності від температури основних характеристик димових газів, таких як щільність, питома теплоємність, коефіцієнт теплопровідності, надало можливість одержати залежність потужності відбору теплової енергії від площі внутрішньої поверхні генератора. З одержаної залежності випливає, що застосування модулів Альтек-1024 у кількості 3 штук надає можливість відібрати із димових газів потужність біля 1 кВт. Відповідна розрахункова кількість електричної енергії складає 100 Вт. Таке значення, у середньому, перекриває мінімальну норму споживання електричної енергії індивідуального будинку.