Мобильный автономный теплоэлектрогенератор
MOBILE AUTONOMOUS THERMAL POWER GENERATOR

Предлагаемое изобретение относится к теплоэлектроэнергетике для обеспечения тепловой и электрической энергией в местах временного проживания, а именно в палатках, передвижных домиках, путем одновременного получения тепловой и электрической энергии в одном аппарате.
Известен теплоэлектрогенератор для автономного энергоснабжения, содержащий наружный и внутренний вертикальные прямоугольные коробы, перекрытые с торцов крышками и днищами, с образованием между ними водяной рубашки и поперечных газоплотных перегородок, образующими первичный и вторичный контуры, подключенные друг к другу вертикальными трубами, во внутреннем коробе расположена универсальная топка с газоходом, через крышки наружного и внутреннего коробов пропущен газовый патрубок, соединяющий газоход с атмосферой, первичный и вторичный контуры снабжены входными и выходными патрубками, причем газоход состоит из газового коллектора, представляющего собой полость в виде призмы, примыкающую к входному отверстию газового патрубка и пластинчатого теплообменника, образованного вертикальными перегородками с вертикальные газовыми каналами и горизонтальными водяными каналами, соединенными через прямоугольные отверстия в верхней части фронтальной и тыльной стенок внутреннего короба с первичным водяным контуром, стенки наружного короба покрыты декоративным коробом, верхняя крышка покрыта П-образной декоративной крышкой с образованием между ними щелей шириной Δ, при этом стенки наружного и внутреннего коробов, крышек, днищ и вертикальных перегородок в зонах первичного и вторичного контуров, соприкасающиеся с нагреваемой водой выполнены с продольными вертикальными и горизонтальными зубчатыми пазами, обращенными в горячую сторону, в которые вставлены зубчатые ребра, состоящие из последовательно соединенных термоэмиссионных преобразователей, покрытых слоем диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, причем каждый термоэмиссионный преобразователь состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов M1 и М2, концы которых соединены между собой контактными спаями, которые расположены вдоль длины зубчатых ребер в их зубьях в зонах нагрева и охлаждения, контактные спаи каждой пары зубчатых ребер с одного торца соединены меду собой перемычками, а с противоположного торца контактные спаи зубчатых ребер этих же пар соединены между собой в зоне охлаждения через конденсаторы, образуя теплоэлектрические секции, которые через перемычки последовательно соединены между, образуя теплоэлектрические блоки, размещенные на всех теплообменных поверхностях, а именно, на стенках наружного и внутреннего коробов, крышках, днищах и вертикальных перегородках, а свободные концы с клеммами последовательно соединенных теплоэлектрических секций каждого теплоэлектрического блока присоединены к коллекторам с одноименными зарядами, соединенными с токовыводами [Патент РФ № 2599088, МПК F24H 1/00, 2016].
Основными недостатками известного устройства являются сложная конструкция теплоэлектрических секций, являющаяся причиной значительных потерь электричества, необходимость размещения их внутри теплогенератора, обусловленные этим необходимость значительной переделки и реконструкции всего устройства, что, в конечном счете, снижает его надежность и эффективность.
1
2
3
Более близким к предлагаемому изобретению является индивидуальный автономный теплоэлектрогенератор, содержащий наружный и внутренний вертикальные прямоугольные коробы, перекрытые с торцов крышками и днищами, с образованием между ними прямоугольной полости - водяной рубашки с поперечными газоплотными перегородками, образующими первичный и вторичный контуры, подключенные друг к другу вертикальными трубами, во внутреннем вертикальном прямоугольном коробе расположена топка с газоходом, через нижние части правых боковых стенок вышеупомянутых коробов пропущен прямоугольный горизонтальный короб, образующий загрузочное отверстие, соединенное внутри с топкой и закрытое снаружи люком, снабженным монтажными отверстиями для горелки и средств автоматики, причем через верхние крышки наружного и внутреннего коробов пропущен газовый патрубок, соединяющий газоход с атмосферой, первичный и вторичный контуры снабжены входными и выходными патрубками, устроенными в верхней и нижней частях наружного короба, газоход состоит из газового коллектора, представляющею собой полость в виде призмы, примыкающую к входному отверстию газового патрубка и пластинчатого теплообменника, образованного вертикальными перегородками с вертикальные газовыми каналами и горизонтальными водяными каналами, соединенными через прямоугольные отверстия в верхней части фронтальной и тыльной стенок короба с первичным водяным контуром, наружный короб покрыт декоративным коробом, верхняя крышка покрыта П-образной декоративной крышкой с образованием между ними щелей шириной Δ и вытяжного кольца между ней и газовым патрубком, на стенки наружного короба и крышки в зонах первичного и вторичного контуров, соприкасающиеся с нагреваемой водой прикреплены теплоэлектрические секции, каждая из которых представляет собой продольную рамку, с N прямоугольными проемами, на торцах каждой рамки устроены по одному резьбовому отверстию с крепежными болтами, в прямоугольные проемы вставлены N плоских термоэлектрических преобразователей, соединенных токовыводами с одноименными коллекторами, причем на верхнюю наружную поверхность плоских термоэлектрических преобразователей каждой рамки наложены радиаторы, выполненные из материала с высокой теплопроводностью, снабженные на горцах крепежными отверстиями, прижатые к наружной поверхности плоских термоэлектрических преобразователей крепежными болтами, а свободная поверхность наружного короба и верхней крышки между соседними теплоэлектрическими секциями шириной Δ покрыта слоем теплоизоляционного материала, наружная поверхность выходного участка газового патрубка на расстоянии Δ от декоративной крышки также покрыта рядами теплоэлектрических секций, закрытыми декоративной цилиндрической обечайкой, при этом, одноименные коллекторы теплоэлектрических секций, размещенных на стенках наружного короба, крышке и газового патрубка, соединены между собой перемычками, образуя теплоэлектрические блоки, которые, в свою очередь, присоединены к коллекторам с одноименными зарядами, соединенными с токовыводами [Патент РФ № 2728008, МПК F24H 1/00, 2020].
Основными недостатками известного устройства являются сложность и громоздкость его конструкции, обусловленные необходимость его соединения с трубопроводами и отопительными приборами, размещение значительного числа термоэлектрических секций внутри теплогенератора, что затрудняет его монтаж и эксплуатацию в походных условиях и, в конечном счете, снижает надежность и эффективность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности мобильного автономного теплоэлектрогенератора.
1
2
Технический результат достигается тем, что предлагаемый мобильный автономный теплоэлектрогенератор содержит вертикальный короб, перекрытый с торцов крышкой, снабженной газовым патрубком, соединенным со съемной дымовой трубой и днищем, соответственно, с образованием между ними внутренней полости, в которой расположена топка с колосниковой решеткой, причем днище снабжено снизу опорами высотой Δ, сам короб по всей высоте с боковых сторон окружен вертикальным ограждением, образующим наружную полость, в нижней части короба и ограждения пропущены горизонтальные коробы, образующие загрузочное и зольниковое отверстия, соединенные с внутри с внутренней полостью и закрытые снаружи люками, загрузочный люк снабжен монтажными отверстиями для горелки и средств автоматики, к внутренней стороне вертикального ограждения прикреплены зажимами теплоэлектрические секции, каждая из которых представляет собой радиатор, изготовленный из N тавровых балок, выполненных из материала с высокой теплопроводностью, кромки основания которых снабжены зажимами, в которые вставлены N плоских термоэлектрических преобразователей (например, элементов Пелтье) и прорезями для токовыводов, соединенных с коллекторами одноименных зарядов, сами зажимы прижаты к наружной поверхности короба с образованием зазора шириной Δ между поверхностью короба и плоского термоэлектрического преобразователя, при этом коллекторы одноименных зарядов теплоэлектрических секций соединены между собой перемычками, образуя теплоэлектрический блок, который, в свою очередь, соединен с токовыводами.
На фиг. 1, 2 представлены общий вид и разрез мобильного автономного теплоэлектрогенератора (МАТЭГ), на фиг. 3, 4 - узел теплоэлектрической секции (ТЭС) и его разрез.
1
1
2
2
Предлагаемый МАТЭГ содержит вертикальный короб 1, перекрытый с торцов крышкой 2, снабженной газовым патрубком 3, соединенным со съемной дымовой трубой (на фиг. 1-4 не показана) и днищем 4, соответственно, с образованием между ними внутренней полости 5, в которой расположена топка 6 с колосниковой решеткой 7, причем днище 4 снабжено снизу опорами 8 высотой Δ, сам короб 1 по всей высоте с боковых сторон окружен вертикальным ограждением 9, образующим наружную полость 10 (при этом, высоту Δ выбирают, исходя из оптимальной ширины заборной щели между полом помещения и нижней кромкой вертикального ограждения 9, которая должна обеспечивать поступление достаточного количества воздуха для обогрева помещения), в нижней части короба 1 и ограждения 9 пропущены горизонтальные коробы 11 и 12, образующие загрузочное и зольниковое отверстия 13, 14, соединенные внутри с внутренней полостью 5 и закрытые снаружи люками 15 и 16, загрузочный люк 15 снабжен монтажными отверстиями для горелки и средств автоматики (на фиг. 1-4 не показаны), к внутренней стороне вертикального ограждения 9 прикреплены зажимами 17 теплоэлектрические секции (ТЭС) 18, каждая из которых представляет собой радиатор 19, изготовленный из N тавровых балок, выполненных из материала с высокой теплопроводностью, кромки основания которых снабжены зажимами 20, в которые вставлены N плоских термоэлектрических преобразователей (ПТЭП) 21 (например, элементов Пелтье), и прорезями 22 для токовыводов 23 и 24, соединенных с коллекторами одноименных зарядов (на фиг. 1-4 не показаны), зажимы 20 прижаты к наружной поверхности короба 1 с образованием зазора 25 шириной Δ между поверхностью короба 1 и ПТЭП 21 (ширина зазора Δ выбирается из условия предотвращения перегрева ПТЭП 21), при этом коллекторы одноименных зарядов ТЭС 18 соединены между собой перемычками (на фиг. 1-4 не показаны), образуя теплоэлектрический блок 26, который, в свою очередь, соединен с токовыводами (на фиг. 1-4 не показаны).
ГК
Монтаж и эксплуатация предлагаемого МАТЭГ, представленного на фиг. 1-4 не представляют трудностей и обусловлены простотой его конструкции (форма короба 1 и ограждения 9 могут быть как прямоугольной, так и цилиндрической формы). МАТЭГ, работает следующим образом. После начала горения топлива в топке 6 МАТЭГ (конструкция топки позволяет работать как на газообразном (жидком), так и на твердом топливе) дымовые газы, поднимаясь снизу вверх, с начальной температурой , омывают внутреннюю поверхность внутреннего короба 2, отдавая свое тепло ТЭС 18, находящихся в наружной полости 10 и потоку воздуха, двигающегося в ней, охлаждаются до заданной температуры t и выводятся через патрубок дымовых газов в дымовую трубу 3 и далее в атмосферу. Одновременно, в результате процесса конвективной теплопередачи от дымовых газов нагреваются стенки короба 1, на которых помещены ПТЭП 21 ТЭС 18, в результате чего происходит нагрев внутренней зоны нагрева ПТЭП 21 и одновременное быстрое охлаждение их наружной зоны за счет контакта радиаторов 19, имеющих значительную площадь в результате наличия нескольких ребер с высокой теплопроводности их материала, плотно прижатых к верхней поверхности ПТЭП 18 и омывания их потоком воздуха, движущегося в полости 10 между коробом 1 и ограждением 9, забираемого из нижней зоны обогреваемого помещения за счет естественной тяги, созданной разностью температур воздуха, [И.Н. Сушкин. Теплотехника. - М.: «Металлургия», 1973, с. 195-198]. При этом, в обогреваемом помещении создается циркуляция воздуха, которая обеспечивает его равномерный обогрев. Создаваемая разность температур между зонами нагрева и охлаждения в ПТЭП 21 вызывает в них эмиссию электронов и возникновение в ГЭС 18 термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. – М.: «Наука», 1970, с. 502-506]. Полученное термоэлектричество каждой ТЭС 18 суммируется в ТЭБ 26 и через общие коллекторы поступает в преобразователь, аккумулятор и далее потребителю (на фиг. 1-4 не показаны).
В отличие от известного теплоэлектрогенератора в предлагаемом МАТЭГ не требуется установка теплоэлектрических секций внутри котла, отсутствует необходимость прокладки трубопроводов и установки отопительных приборов, существует возможность замены вышедших из строя термоэлектрических элементов, не прекращая работы теплогенератора, что многократно упрощает его конструкцию, монтаж и эксплуатацию в походных условиях и, в конечном счете, увеличивает его надежность и эффективность.
ГК
Величина начальной температуры дымовых газов  определяется видом топлива и конструкцией топки, их конечная температура t -составом дымовых газов и требуемым температурным напором. Величина разности электрического потенциала и силы тока на коллекторах ТЭБ 26 зависит от характеристик пары металлов M1 и М2, из которых изготовлены ПТЭП 21, их числа в одной ТЭС 18 и разности температур холодных и горячих контактных сторон ПТЭП 21. Требуемые напряжение U и силу тока 1 МАТЭГ получают путем установки соответствующего числа ПТЭП 21 ТЭС 18 в ТЭБ 26, суммирования и трансформации получаемого ими тока.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет значительно упростить конструкцию котла и теплоэлектрических секций, обеспечивает его быстрый монтаж и эксплуатацию в походных условиях, что повышает надежность и эффективность мобильного автономного теплоэлектрогенератора.