Brevet FR2329074A1 — publié le 19770520

ta présente invention concerne le domaine de la conversion directe de l'énergie thermique en énergie électrique et a notamment pour objet un générateur thermo-électrique à refroidissement par air. Actuellement, les générateurs thermo-électriques à refroidissement par l'air trouvent de plus en plus un large emploi comme sources indépendantes d'énergie électrique ayant une longévité importante et n'exigeant aucun entretien. Ils comprennent un module thermo-électrique, un dispositif de brûlage d'un combustible organique et d'admission de la chaleur au module thermo-électrique et des radiateurs de refroidissement. En tant que radiateurs de refroidissement, on utilise des plaques massites solen cuivre soit en aluminium, serrées mécaniquement ou soudées par leurs bouts aux jonctions froides des batteries thermiques des modules thermo-électriques.La superficie réduite des batteries thermiques rend difficile un développement suffisant de la surface des radiateurs de refroidissement afin de diminuer leur température et d'augmenter, par conséquent, le rendement et la puissance des générateurs thermo-électriques. En outre, il est bien difficile d'utiliser la chaleur, évacuée par les radiateurs de refroidissement, pour réchauffer les ouvrages situés à une certaine distance du générateur thermoélectrique, tandis que pour la fabrication des radiateurs euxmêmes on utilise des métaux non ferreux difficiles à se procurer. On cannait aussi des générateurs thermo-électriques à refroidissement par air, comprenant un module thermo-électrique un dispositif pour brûler le combustible et amener la chaleur au module thermo-électrique, et un système de refroidissement sous forme d'un radiateur creux rempli de liquide de refroidissement.Dans les générateurs indiqués, les radiateurs creux sont réalisés sous forme de plaques creuses serrées par leurs bouts au module thermo-électrique composé d'une série de batteries thermo-électriques. te transfert de la chaleur à partir des batteries thermo-électrique vers les surfaces latérales des radiateurs creux s'effectue par un mouvement de convection (laminaire) du liquide de refroidissement versé dans la cavité intérieure de chacun des radiateurs, sous l'effet des forces de gravitation et des gradients de température. Pour augmenter les flux de convection on a prévu, dans la partie médiane de chacun des radiateurs creux, une cavité dépq e de liquide de refroidissement, formée par les parois latérales reliées du radiateur creux. La construction décrite -ci-dessus présente des inconvénients importants a) dans la couche limite entre le liquide de refroidissement et les jonctions froides des batteries thermiques ont lieu des pertes importantes de l'attaque thermique, ce qui est dû à la valeur faible du coefficient de transfert de la chaleur lors du mouvement de convection du liquide et entraxe une réduction sensible de la puissance et du rendement du générateur;; b) les radiateurs creux sont accouplés, d'après la conception, avec le module thermo-électrique, ce qui rend difficile l'utilisation de la chaleur perdue à des fins de réchauffage des ouvrages situés à une certaine distance du générateur, par exemple des containers avec appareillage radio, des locaux habités, etc., et fait naître une série dtincommo- dités et de limitations dans l'entretien du dispositif de brûlage du combustible et d'amenée de la chaleur au module thermo-électrique, lors du remplacement des modèles thermoélectriques, etc. Le but de la présente invention est de supprimer les inconvénients mentionnés. On s'est donc proposé d'augmenter le rendement et la puissance du générateur thermo-électrique à refroidissement par air grâce à la réduction des pertes de charge thermique entre les jonctions froides des batteries thermiques et le liquide de refroidissement, d'assurer un démarrage facile et de bonnes conditions d'utilisation du générateur et d'utiliser la chaleur perdue pour réchauffer les ouvrages éloignés du générateur. Ce problème est résolu du fait que le générateur thermoélectrique à refroidissement par air, comprenant un module thermo-électrique, un dispositif de brulage d'un combustible et d'amenée de la chaleur au module thermo-électrique et un système de refroidissement sous forme d'un radiateur rempli de liquide de refroidissement et pourvu d'une chemise de refroi dissement enveloppant le module thermo-électrique et reliée avec le radiateur creux par des tubes de raccordement d'entrée et de sortie, la chemise de refroidissement étant inclinée par rapport au tube de raccordement d'entrée, tandis que le tube de raccordement de sortie comporte au moins un tronçon ascendant qui assure dans le système de refroidissement la différence de pression nécessaire à la circulation du liquide de refroidissement Il est avantageux de réaliser la chemise de refroidissement de façon que sa résistance hydraulique soit supérieure à la résistance hydraulique du radiateur creux et des tubes de raccordement d'entrée et de sortie considérés tous ensemble. Il est avantageux aussi de choisir la hauteur du tronçon du tube de raccordement de sortie selon la formule ou : E est la hauteur du tronçon ascendant sont la densité et la viscosité, respectivement, du liquide de refroidissement ; X, De sont la longueur équivalente et le diamètre hydraulique, respectivement, de la chemise de refroidissement ; Re est le nombre de Reynolds (Re = 2500 à 6000) ; m est la teneur en vapeur volumique relative maximale du liquide dans le tube de sortie ( m = 0,1 à 0,5). Il n'est pas moins avantageux de monter, à l'intérieur de la chemise de refroidissement, un dispositif mettant en turbulence le flux de liquide de refroidissement. Il est avantageux aussi de réaliser le dispositif de mise en turbulence sous forme d'une spirale en fil métallique. La conception technique proposée permet de séparer constructivement et dans 1' espace le convertisseur thermo-électrique et le radiateur de refroidissement, constituant la partie la plus encombrante du générateur thermo-électrique, ce qui signifie un nouveau mode de construction de tels générateurs. Cela permet d'élever le rendement et la puissance des générateurs, de réduire le coût de leur fabrication grâce à l'application des radiateurs standards d'une grande superficie et présente la possibilité d'obtenir une énergie électrique supplémentaire dans les cas où il est nécessaire de produire de la chaleur pour réchauffer des locaux. L'essentiel de l'invention est expliqué dans ce qui suit par la description en détail d'un mode de réalisation non limitatif illustré par le dessin unique annexé sur lequel est représenté le générateur thermo-électrique à refroidissement par air conforme à l'invention. Le générateur thermo-électrique à refroidissement par air comporte le module thermo-électrique 1 constitué par une conduite thermique chaude 2 enveloppée par les batteries thermiques 3 dotées de sorties électriques 4 et d'une gaine étanche 5. lie module 1 est équipé d'une chemise de refroidissement 6 enveloppant la gaine 5 et d'un dispositif de mise en turbulence 7 sous forme d'une spirale en fil métallique située dans l'espace entre la gaine 5 et la chemise de refroidissement 6. Le dispositif 7 peut être réalisé aussi sous forme d'une spirale constituée d'une lame. Pour brtler le combustible et amener la chaleur au module thermo-électrique 1 le générateur est pourvu d'un dispositif 8. Les radiateurs creux 9 reliés par un tube de raccordement d'entrée 10 à la partie inférieure de la chemise de refroidissement 6, et par un tube de raccordement de sortie 11 comprenant au moins une partie ascendante à la chemise de refroidissement 6, forment en commun un système de refroidissement rempli d'un liquide de refroidissement. Le système de refroidissement mentionné est doté aussi d'un réservoir d'expansion étanche ou mis en communication avec l'atmosphère (celui-ci n'est pas montré sur le dessin). Les radiateurs creux 9 sont dotés de valves (non représentées sur le dessin) servant à brancher, au choix, les radiateurs. Une charge électrique (non représentée sur le dessin) est connectée aux sorties électriques 4. Le dispositif 8 de bru^lage de combustible et d'amenée de la chaleur au module thermo-électrique 1 est raccordé à un ballon de combustible (non représenté sur le dessin). La différence de pression nécessaire à la circulation du liquide de refroidissement dans le système de refroidissement est assurée grâce au mélange vapeur liquide dans le tronçon ascendant du tube de sortie ll, conformémént à la formule suivante La différence de pression > 2 à la chemise de refroidissement a 6 est égale alors à :: Le flux turbulent de liquide de refroidissement dans la chemise de refroidement 6 a lieu pour un nombre de Reynolds Pour que le fonctionnement du système de refroidissement s'effectue d'une manière stable, il faut respecter la condition Ici on admet que la résistance hydraulique de la chemise de fefroidissement 6 est sensiblement supérieure à celle du reste du système de refroidissement et que la valeur de la teneur en vapeur volumique dans le tube de raccordement de sortie Ll est inférieure à l'unité. Des équations données ci-dessus décoiile la condition d'un fonctionnement stable, sous la forme Dans les formules 1 à 5, on a adopté les désignations suivantes Re est le nombre de Reynolds (Re = 2500 i 6000). H est la hauteur du tube de raccordement de sortie ll; X, Desont la longueur équivalente et le diamètre hydraulique, respectivement, de la chemise de refroidissement 6 V est la vitesse du flux de liquide de refroidissement dans la chemise de refroidissement 6 t est-la viscosité du liquide de refroidissement; m est la teneur en vapeur volumique relative maximale dans le tube de raccordement de sortie ll (m = 0,1 à 0,5); g est l'accélération de la gravité. Le générateur thermo-éléctrique à refroidissement par air fonctionne de la façon suivante. te combustible est amené au dispositif 8 de brdlage du combustible et d'amenée de la chaleur au module thermo-électrique 1. La conduite thermique chaude 2 est réchauffée par la torche de flamme et les gaz chauds. Le flux thermique passe par les batte ries thermiques 3 en y créant une différence de température et réchauffe le liquide de refroidissement dans la chemise de refroidissement 6, ce qui a pour résultat une diminution de sa densité. La différence des densités du liquide dans la chemise de refroidissement 6 et dans les radiateurs creux fait naître une circulation lente du liquide de refroidissement. La réalisation du module 1 incliné par rapport au tube de raccordement d'entrée 10 facilite la circulation indiquée.Au fur et à mesure de la progression du liquide de refroidissement le long de la chemise de refroidissement 6 le liquide se réchauffe jusqu'à la tempéra ture d'ébullition, et dans la partie supérieure de la chemise de refroidissement 6 se forme un mélange vapeur-liquide qui arrive au tube de raccordement de sortie 11. Dans le tube indiqué, il se forme ainsi une zone de mélange vapeur-liquide dont la densité est sensiblement inférieure à celle du liquide de refroidissement dans les radiateurs creux 9.En régime établi de fonctionnement, la vitesse de circulation du liquide de refroidissement est telle, que dans la chemise de refroidissement 6 le liquide de refroidissement est chauffé depuis la température à l'entrée à la chemise de refroidissement 6 jusqu'à la température d'ébullition du liquide de refroidissemeflt,#tandis que dans le tube de raccordement de sortie ll il y a une colonne du liquide vapeur-liquide assurant la différence de pression nécessaire à la circulation indiquée. En réalité, il peut se produire des fluctuations de la vitesse de circulation du liquide de refroidissement au voisinage d'une valeur moyenne, mais elles n'influent pratiquement pas sur le fonctionnement du générateur thermo-électrique à refroidissem#ent par air.La hauteur du tube de raccordement de sortie ll et la résistance hydraulique de la chemise de refroidissement 6 sont choisies de façon que le flux de liquide de refroidissements- la chemise de refroidissement 6 soit turbulent, ce qui assure de faibles pertes de l'attaque thermique dans cette dernière. Le flux de liquide de refroidissement dans l'autre partie du système he refroidissement (dans les radiateurs 9 et les tubes 10 et 11) est laminaire puisque sa résistance hydraulique est sensiblement inférieure à celle de la chemise de refroidissement 6. La température moyenne du liquide de refroidissement dans la chemise de refroidissement 6 est égale à la température moyenne dudit liquide dans les radiateurs creux 9. Le mélange vapeur-liquide quittant le tronçon, ascendant du tube de raccordement de sortie ll parvient au tronçon horizontal dudit tube et des radiateurs creux 9, où se produit la condensation de la vapeur. Afin d'améliorer les conditions du fonctionnement, le tronçon ascendant du tube de raccordement de sortie 1l peut-être muni d'un calorifuge, tandis que le tronçon horizontal peut-être doté d'ailettes. Sous l'effet de la différence des températures sur les batteries thermiques 3, on voit apparaître sur ces dernières une force motrice thermo-électrique, et un courant électrique parcourt la charge électrique (non représentée sur le dessin) branchée sur les sorties électriques 4. A l'aide des valves (non représentées) sur le dessin) montées dans le système de refroidissement, on met en communication les radiateurs creux 9 installés dans les locaux à réchauffer (en saison froide) et situés à l'extérieur (en saison chaude et pour l'accroissement de la production d'énergie électrique). Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R E V E N D I C Â T I O N 5. 1. Générateur thermo-électrique à refroidissement par air, comprenant un module thermo-électrique, un dispositif de brAlage d'un combustible et d'amenée de la chaleur au module thermo électrique, et un système de refroidissement sous forme d'un radiateur creux rempli d'un liquide de refroidissement, caractérisé en ce qu'il est équipé a tune chemise de refroidissement enveloppant le module thermo-électrique et reliée au radiateur creux par un tube de raccordement d'entrée et par un tube de raccordement de sortie, ladite chemise de refroidissement étant inclinée sous un angle par rapport au tube de raccordement d'entrée, tandis que le tube de raccordement de sortie comporte au moins une partie ascendante assurant dans le système de refroidissement la différence de pression nécessaire à la circulation du liquide de refroidissement. 2. Générateur thermo-électrique conforme à la revendication X, caractérisé en ce que la chemise de refroidissement présente une résistance hydraulique arupérieure à la résistance hydraulique du radiateur creux, du tube de#raccordement d'entrée et du tube de raccordement de sortie considérés ensemble. 3. Générateur thermo-électrique conforme à l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la longueur de la partie ascendante du tube de raccordement de sortie est choisi suivant la formule où H est la hauteur de ladite partie ascendante sont la densité et la viscosité, respectivement, du liquide de refroidissement L, D sont la longueur équivalente et le diamètre hydraulique, e respectivement, de la chemise de refroidissement Re est le nombre de Reynolds, compris entre 2500 et 6000 m est la teneur en vapeur volumique maximale dans le tube de raccordement de sortie (m = 0,1 à 0,5). 4. Générateur thermo-électrique conforme à l'une des revendications I à 5, caractérisé en ce qu'à l'intérieur de la chemise de refroidissement est placé un dispositif qui met en turbulence le flux de liquide de refroidsssement. 5. Générateur thermo-électrique conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que le disposit#if mettant en turbulence le flux de liquide de refroidissement est réalisé sous forme d'une spirale# en fil métallique.