ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР С ПОВЫШЕННЫМ КПД

Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к области термоэлектрического приборостроения, как источника прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, основанных на эффекте Зеебека, а именно к термоэлектрическим источникам постоянного тока повышенной мощности, предназначенных для автономного питания различных объектов.
Уровень техники
Из уровня техники известен автономный малогабаритный термоэлектрический источник тока (см. RU 57969, кл. H01L 35/00, публ. 2006 г.).
Известный автономный малогабаритный термоэлектрический источник тока содержит, установленную в корпусе гравитационную тепловую трубу с жидким теплоносителем и размещенную поверх нее термоэлектрическую батарею с электрическими соединениями, подведенными к разъему для подключения потребителя.
Данный источник тока предназначается для автономного питания. Полученная оригинальная конструкция известного устройства позволила обеспечить его такими свойствами, как полная автономность, малогабаритность, высокая надежность и удобство транспортирования вследствие небольшого веса. Однако данный источник тока, в большей степени, предназначен для автономного питания различных небольших устройств (средства связи, аккумуляторы, бытовая радиоаппаратура и др.), и в следствии, своей малой выходной мощности при экстремальной ситуации, не пригоден для поддержания работоспособности больших объектов, требующих высоких мощностей, таких как электростанции, снабжающие электроэнергией отдельные здания промышленной и индивидуальной застройки, транспортные объекты, объекты металлургической промышленности и др.
Оригинальность известной конструкции источника тока придает закрепленная между втулочной соединительной муфтой и конической концевой муфтой центральная полая колонна, установленной под нижним концом средней транспортной части гравитационной тепловой трубы, упомянутый конец которой жестко соединен со свободной стороной соединительного отверстия соединительной муфтой, на боковой поверхности которой закреплен 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. Данная оригинальная конструкция известного источника тока сопряжена с определенными недостатками, заключающимися в сложности и трудоемкости ее изготовления и соответственно высокой себестоимости полученного изделия.
Из уровня техники известен способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и генератор для его осуществления (см. RU 2329562, кл. H01J 45/00, публ. 2008 г.).
Известное изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.
Данный генератор представляет собой герметичный корпус цилиндрической формы с устройством входа потока теплоносителя от внешнего источника и устройством вывода отработавшего потока теплоносителя. Внутри корпуса установлены термоэмиссионные элементы в виде колец, собранных из отдельных сегментов и соединенных в единую электрическую цепь.
Технический результат известного решения заключается в повышении КПД и снижении габаритных размеров.
Из недостатков известного решения можно отметить сложную, содержащую большое количество конструктивных элементов конструкцию и высокую материалоемкость.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения можно считать энергетическую установку, известную из RU 2125165, кл. F01K 25/00, публ. 1999 г.
Данная установка относится к энергетическому машиностроению, а именно к установкам для преобразования низкопотенциального тепла в электрическую энергию.
Известная энергетическая установка выполнена в виде замкнутого циркуляционного контура, включающего тепловой двигатель с силовой нагрузкой, емкость, заполненную рабочим телом с температурой кипения не выше - 50°C, обеспечивающие нагрев и охлаждение упомянутого рабочего тела, теплообменники на входе и выходе из двигателя, обеспечивающий циркуляцию рабочего тела нагнетатель и соединительные трубопроводы. При этом теплоносителем - хладоагентом одного из теплообменников служит поток воды из естественного водоема, а теплоносителем - хладоагентом другого - поток окружающего водоем атмосферного воздуха.
Данная установка работоспособна и надежна при эксплуатации в течение всего года, однако, область ее применения довольно узкая и ограничена тем, что устанавливается она непосредственно на водоеме и способна обеспечить электрической энергией только объекты, расположенные в непосредственной близости от него.
Раскрытие полезной модели
Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение вырабатываемой электрической мощности и соответственно КПД термоэлектрического генератора.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели, который объективно проявляется при ее эксплуатации, является искусственное повышение разницы температур между горячими и холодными спаями термобатареи термоэлектрического генератора.
Указанный технический результат, решающий поставленную задачу достигается тем, что термоэлектрический генератор, содержит теплоприемник, конструктивные элементы крепления, находящиеся в тепловом сопряжении друг с другом и средство отвода тепла, при этом внутренняя полость средства отвода тепла содержит жидкий теплоноситель температура кипения, которого ниже температуры кипения воды в нормальных условиях, и выполнена со степенью вакуума, обеспечивающей создание искусственного дополнительного понижения температуры кипения жидкого теплоносителя.
Средство отвода тепла преимущественно выполняется в виде тепловой трубы или ребристого радиатора.
Целесообразно если средство отвода тепла выполнено в виде тепловой трубы или ребристого радиатора одновременно.
Данный термоэлектрический генератор, согласно предложенной полезной модели, направлен на решение проблемы рационального применения известных явлений для создания усовершенствованной конструкции термоэлектрогенератора с более высоким КПД, и соответственно, с более высокой вырабатываемой электрической мощностью.
Предлагаемый термоэлектрический генератор со средством отвода тепла, внутренняя полость которого содержит жидкий теплоноситель, температура, которого ниже температуры кипения воды в нормальных условиях и дополнительно выполнена со степенью вакуума, обеспечивающей искусственное понижение температуры кипения теплоносителя, представляет из себя устройство прямого преобразования тепловой энергии в электрическую на основе применения эффекта Зеебека, заключающегося в проявлении ЭДС в замкнутой цепи из двух разнородных материалов при условии, что на местах контактов поддерживаются разные температуры. Этот эффект возникает вследствии зависимости энергии свободных электронов и так называемых "дырок" от температуры. В местах контактов различных материалов заряды переходят от проводника, где они имели более высокую энергию, в проводник с меньшей энергией зарядов. В случае, если один контакт нагрет больше, чем другой, то разность энергий зарядов между двумя веществами больше на горячем контакте, чем на холодном, в результате чего в замкнутой цепи возникает ток.
В результате того, что предложенная полезная модель, содержит теплоприемник, конструктивные элементы крепления, находящиеся в тепловом сопряжении друг с другом и средство отвода тепла, внутренняя полость, которого содержит жидкий теплоноситель, температура кипения, которого ниже температуры кипения воды и выполнена со степенью вакуума, обеспечивающей дополнительное искусственное понижение температуры кипения жидкого теплоносителя, было зафиксировано увеличение разницы температур между горячими и холодными спаями термобатареи, что в свою очередь спровоцировало увеличение вырабатываемой электрической мощности генератора.
Указанные существенные признаки предлагаемого термоэлектрического генератора образуют совокупность существенных признаков необходимых и достаточных для достижения технического результата, заключающегося в повышении разницы температур между горячими и холодными спаями термобатареи, что собственно повышает вырабатываемую электрическую мощность генератора и соответственно повышает его КПД.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен общий вид термоэлектрического генератора;
На фиг. 2 представлена зависимость вырабатываемой электрической мощности.
Осуществление полезной модели
Полезная модель поясняется конкретным примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядным образом демонстрирует достижение данной совокупностью существенных признаков заданного технического результата.
Термоэлектрический генератор содержит теплоприемник 1, горелочное устройство 2, термобатарею 3, средство отвода тепла 4, зону нагрева 5, зону кипения 6, зону конденсации 7 и зону охлаждения 8.
Принцип работы предлагаемого генератора заключается в следующем.
В предлагаемой конструкции термоэлектрического генератора нагрев теплоприемника 1 (зона нагрева 5) осуществляется за счет сгорания природного (сжиженного) газа с помощью горелочного устройства 2. Отвод тепла (зона охлаждения 8) обеспечивается средством отвода тепла 4, выполненным в виде тепловой трубы или ребристого радиатора, внутренняя полость, которого содержит жидкий теплоноситель и дополнительно выполнена со степенью вакуума, обеспечивающей создание искусственного понижения температуры кипения жидкого теплоносителя. Необходимая температура теплоприемника 1 поддерживается по принципу обратной связи: термопара-контроль-регулировка давления газа.
Δ
Известно, что термоЭДС термоэлектрического генератора прямопропорциональна T между горячим и холодным спаями термобатареи 3:
max
Δ
E=α×T.
Зависимость вырабатываемой электрической мощности представлена на фиг. 2.
r
x
Δ
Для обеспечения эффективной работы термоэлектрического генератора необходимо обеспечить максимальную разность температур между сторонами термобатареи 3, для этого к одной его стороне нужно подвести тепло Q, а с другой стороны обеспечить эффективный отвод тепловой энергии Q. При этом электрическая мощность прямопропорциональна квадрату разности температур Т:
r
x
Δ
2
2
P=Q-Q=JR≈T
Δ
При фиксированной и контролируемой температуре с горячей стороны термобатареи 3 максимальной T можно добиться за счет снижения температуры с холодной стороны термобатареи 3.
Указанный технический результат достигается путем использования теплоты парообразования (кипения) промежуточного жидкого теплоносителя с температурой кипения ниже температуры кипения воды в нормальных условиях (т.е. ниже 100°C). Для этого в термоэлектрическом генераторе используется средство отвода тепла 4 с внутренней полостью и жидкости в ней с низкой температурой кипения в нормальных климатических условиях. При этом внутренняя полость средства отвода тепла 4 герметизируется. Кроме того, дополнительно используется метод создания во внутренней полости средства отвода тепла 4 определенной степени вакуума с целью искусственного понижения температуры кипения жидкости.
Сравнительные испытания предлагаемого термоэлектрического генератора с известными из уровня техники генераторами, проводились при следующих условиях:
- испытанию подвергались две конструкции предлагаемого термоэлектрического генератора - со средством отвода тепла 4, выполненным в виде тепловой трубы и в виде ребристого радиатора и две конструкции традиционных известных термоэлектрических генераторов;
- температура нагрева горячей стороны в всех образцах достигалась одним и тем же горел очным устройством и теплоприемником;
- температура окружающей среды не менялась;
- сопротивление нагрузки не менялось.
Результаты испытаний:
- на холодной стороне термобатареи традиционных известных термоэлектрических генераторов установилась температура 120°C (при фиксированной температуре по горячей стороне в рабочей точке). Вырабатываемая электрическая мощность равнялась 150 Вт;
- на холодной стороне термобатареи 3 предлагаемых термоэлектрических генераторов установилась температура 86°C. Вырабатываемая электрическая мощность равнялась 180 Вт;
Таким образом, предложенная конструкция термоэлектрического генератора, а именно совокупность его существенных признаков, обеспечивает искусственное повышение разницы температур между горячими и холодными спаями его термобатареи 3, что собственно решает задачу повышения вырабатываемой мощности и КПД.
Заданный технический результат достигается благодаря сформулированной совокупности существенных признаков, наглядным образом представленной ниже:
- термоэлектрический генератор содержит конструктивные элементы крепления, находящиеся в тепловом сопряжении друг с другом, теплоприемник 1 и средство отвода тепла 4;
- внутренняя полость средства отвода тепла 4 содержит жидкий теплоноситель температура кипения, которого ниже температуры кипения воды в нормальных условиях;
- дополнительно внутренняя полость средства отвода тепла 4 выполнена со степенью вакуума, обеспечивающей создание искусственного понижения температуры кипения жидкого теплоносителя.
Предлагаемый термоэлектрический генератор, согласно предложенной полезной модели, может найти широкое применение в топливно-энергетической сфере.