ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОРНЫЙ МОДУЛЬ

Полезная модель относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно к конструкции термоэлектрического генераторного модуля, используемого в качестве автономного источника электрической энергии.
Известно устройство для утилизации теплоты отработавших газов в судовых энергетических установках (см. патент №108214, кл. U2, публ. 10.09.2011). Устройство содержит кожух, горячий узел, термогенераторные модули и холодный узел, горячий и холодный узлы, выполненные в виде шестиугольника в поперечном сечении, а между кожухом и холодным узлом образована водяная рубашка.
Горячий и холодный узлы выполнены в виде шестиугольника в поперечном сечении. Между кожухом и холодным узлом образована водяная рубашка. Термогенераторные модули и холодный узел прижаты к горячему узлу и зафиксированы болтовыми соединениями.
Недостатком указанного устройства является необходимость применения принудительного охлаждения, что требует дополнительной затраты энергии на обеспечение этого охлаждения, также одним из недостатков является использование болтовых соединений для крепления, что может со временем привести к потере прижимного усилия.
Известен автономный малогабаритный термоэлектрический источник тока (см. патент №57969, кл. U1, публ. 27.10.2006). Устройство включает установленную в корпусе частично заполненную жидким теплоносителем гравитационную тепловую трубу. Труба имеет нижнюю испарительную часть с теплоприемными оребренными трубками, размещенными в зоне нагрева теплоносителя, а также среднюю транспортную часть с зоной переноса теплоносителя и верхнюю конденсационную часть с зоной охлаждения теплоносителя, с размещенной на ее поверхности термоэлектрической батареей. Термоэлектрическая батарея имеет электрические соединения, подведенные к разъему для подключения потребителя, при этом между внутренней стенкой корпуса и наружной поверхностью термоэлектрической батареи выполнен трубчатый канал для циркуляции охлаждающей жидкости. Устройство также снабжено закрепленной между втулочной соединительной муфтой и конической концевой муфтой центральной полой колонной, установленной под нижним концом средней транспортной части гравитационной тепловой трубы. Конец тепловой трубы жестко соединен со свободной стороной соединительного отверстия соединительной муфтой, на боковой поверхности которой закреплен дополнительно введенный основной режекторный экран, имеющий форму диска с центральным посадочным отверстием, а над ним размещены дополнительные теплорассеивающие режекторные пластинчатые экраны, закрепленные на стержнях, консольно соединенных с дном корпуса, расположенным над упомянутыми экранами. При этом теплоприемные трубки выполнены в виде арок, ротондообразно размещенных вокруг упомянутой центральной колонны и соединенных верхними и нижними концами со сквозными отверстиями в боковых поверхностях соответствующих муфт, причем оребрение на теплоприемных трубках выполнено в виде нанизанных на них шайб.
Недостатком указанного устройства является необходимость применения принудительного охлаждения, что требует дополнительной затраты энергии на обеспечение этого охлаждения.
Наиболее близким из известных технических решений является термоэлектрический генераторный модуль (см. патент №186073, кл. U1, публ. 28.12.2018 - прототип), содержащий частично заполненный жидким теплоносителем термосифон, имеющий теплоприемные трубки, размещенные в зоне нагрева теплоносителя, размещенные на поверхности термосифона термоэлектрические батареи, имеющие тепловой контакт своей внутренней поверхностью с термосифоном и имеющие токопередающие шины, второй термосифон, частично заполненный жидким теплоносителем (для отвода тепла от термоэлектрических батарей), размещенный на наружной поверхности термоэлектрических батарей и имеющий тепловой контакт с термоэлектрическими батареями, а также имеющий в своей верхней части радиатор воздушного охлаждения, кроме того термоэлектрические батареи имеют кольцевую геометрию. Продукты сгорания из зоны нагрева теплоносителя отводятся в атмосферу.
Недостатком указанного устройства является то, что не предусмотрено использование полезной теплоты продуктов сгорания, которая отводится в атмосферу из зоны нагрева.
Технический эффект, достигаемый предложенным термоэлектрическим генераторным модулем, заключается в увеличении эффективности выработки электроэнергии за счет дополнительной электрической мощности, полученной от термоэлектрических батарей, расположенных на трубопроводе сброса продуктов сгорания, охлаждение которых осуществлено за счет прохождения газа, идущего из магистрального трубопровода в устройство нагрева теплоприемных трубок термосифона, через теплообменник, расположенный на наружной поверхности термоэлектрических батарей. Дополнительная электрическая энергия может идти на собственные нужды в процессе эксплуатации или увеличивать общую электрическую мощность термоэлектрического генераторного модуля.
Данный технический эффект достигается в термоэлектрическом генераторном модуле, содержащем частично заполненный жидким теплоносителем термосифон с теплоприемными трубками, камеру сгорания с устройством нагрева теплоприемных трубок, термоэлектрические батареи, размещенные на наружной поверхности термосифона, второй термосифон частично заполненный жидким теплоносителем, размещенный на наружной поверхности термоэлектрических батарей и имеющий в своей верхней части радиатор воздушного охлаждения, согласно полезной модели, камера сгорания с устройством нагрева теплоприемных трубок оснащена трубопроводом сброса продуктов сгорания с расположенными на этом трубопроводе термоэлектрическими батареями кольцевой геометрии, на наружной поверхности которых размещен теплообменник с теплоносителем в виде природного газа, подаваемого из магистрального газопровода в устройство нагрева теплоприемных трубок.
Суть полезной модели поясняется фиг. 1, где показано, что в состав термоэлектрического генераторного модуля входят:
1 - частично заполненный жидким теплоносителем термосифон;
2 - теплоприемные трубки термосифона;
3 - камера сгорания;
4 - устройство нагрева теплоприемных трубок термосифона;
5 - конденсационная часть термосифона;
6 - термоэлектрические батареи;
7 - второй термосифон, частично заполненный жидким теплоносителем;
8 - зона нагрева второго термосифона;
9 - конденсационная часть второго термосифона;
10 - радиатор воздушного охлаждения;
11 - токопередающие шины;
12 - трубопровод сброса продуктов сгорания;
13 - термоэлектрические батареи;
14 - теплообменник;
15 - токопередающие шины;
16 - магистральный трубопровод для подачи газа через теплообменник;
17 - дроссельное устройство.
Конструктивно термоэлектрический генераторный модуль содержит частично заполненный жидким теплоносителем термосифон 1, имеющий теплоприемные трубки 2, расположенные в камере сгорания 3, где также расположено устройства нагрева 4. На конденсационной части 5 термосифона 1 расположены три термоэлектрические батареи 6, на которые с обратной стороны установлен второй термосифон 7, частично заполненный жидким теплоносителем. Второй термосифон 7 имеет зону нагрева 8, расположенную на наружной поверхности термоэлектрических батарей 6, и имеет конденсационную часть 9. Конденсационная часть 9 имеет радиатор воздушного охлаждения 10. Термоэлектрические батареи 6 имеют токопередающие шины 11. Камера сгорания 3 оснащена трубопроводом сброса продуктов сгорания 12, с расположенными на нем термоэлектрическими батареями кольцевой геометрии 13, на наружной поверхности которых размещен теплообменник 14. Термоэлектрические батареи 13 имеют токопередающие шины 15. Газ для охлаждения термоэлектрических батарей 13 посредствам теплообменника 14 подается из магистрального трубопровода 16, в котором расположено дроссельное устройство 17 для понижения температуры газа перед теплообменником 14.
Работа термоэлектрического генераторного модуля осуществляется следующим образом, теплоприемные трубки 2 в камере сгорания 3 нагреваются с помощью устройства нагрева 4, которое работает на природном газе. Жидкий теплоноситель нагревается в теплоприемных трубках 2, переходит в газообразную фазу, поднимается вверх и конденсируется в конденсационной части 5 термосифона 1, отдавая тепло термоэлектрическим батареям 6. Термоэлектрические батареи 6 охлаждаются с помощью второго термосифона 7, который прилегает к наружной поверхности термоэлектрических батарей 6 и имеет зону нагрева теплоносителя 8. Теплоноситель, нагреваясь в зоне нагрева 8 второго термосифона 7, переходит в газообразную фазу и перемещается в конденсационную часть 9 второго термосифона 7. В конденсационной части 9 теплоноситель второго термосифона 7 охлаждается и переходит в жидкую фазу, под действием силы тяжести возвращается в зону нагрева 8 второго термосифона 7. Конденсационная часть 9 для более эффективного теплообмена имеет радиатор воздушного охлаждения 10. Тепловой поток проходит через термоэлектрические батареи 6, создает на термоэлементах перепад температуры, за счет эффекта Зеебека генерируется термоЭДС и по токопередающим шинам 11 поступает полезная электрическая энергия. При этом продукты сгорания из камеры сгорания 3 по трубопроводу 12 сброса продуктов сгорания направляются в атмосферу. На трубопроводе 12 сброса продуктов сгорания установлены термоэлектрические батареи 13. Тепловой поток от продуктов сгорания проходит через термоэлектрические батареи 13, расположенные трубопроводе 12, создает на термоэлементах перепад температуры, за счет эффекта Зеебека генерируется термоЭДС и по токопередающим шинам 15 поступает полезная электрическая энергия.
Температурный перепад обеспечивается за счет отвода тепла с обратной стороны термоэлектрических батарей 13 с помощью теплообменника 14, размещенного на наружной поверхности термоэлектрических батарей 13. В качестве теплоносителя для охлаждения термоэлектрических батарей 13 в теплообменнике 14 используется газ, который идет из магистрального трубопровода 16 в устройство нагрева 4. В магистральном трубопроводе 16 перед входом в теплообменник 14 для регулирования расхода газа и предварительного охлаждения газа установлено дросселирующее устройство 17.
Преимуществом приведенного термоэлектрического генераторного модуля является увеличение эффективности выработки электроэнергии за счет дополнительной электрической мощности, полученной от термоэлектрических батарей, расположенных на трубопроводе сброса продуктов сгорания, охлаждение которых осуществлено за счет прохождения газа, идущего из магистрального трубопровода в устройство нагрева теплоприемных трубок термосифона, через теплообменник, расположенный на наружной поверхности термоэлектрических батарей. Дополнительная электрическая энергия может идти на собственные нужды в процессе эксплуатации или увеличивать общую электрическую мощность термоэлектрического генераторного модуля.
Таким образом, реализация данной полезной модели приводит к повышению эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую энергию.