ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно, к конструкции электрогенерирующего термоэлектрического генератора преимущественно утилизационного типа (УТЭГ), устанавливаемого на магистрали с движущимся теплоносителем, например, на металлической дымовой трубе бытового отопительного устройства.
Известен термоэлектрический генератор, содержащий термоэлектрические модули, установленные тепловоспринимающей стороной на боковой стороне корпуса отопительной бытовой печи, на противоположной стороне модулей установлены радиаторы с принудительным охлаждением. Однако, температура боковой стенки печи сильно зависит от вида топлива (дрова, торф, брикеты, каменный уголь), его тепловодной способности и температуры горящего топлива. Колебания по температуре боковой стенки печи и, следовательно, тепловоспринимающей (горячей) стороны модуля могут составлять десятки и сотни градусов, что ведет к снижению срока службы модуля и, следовательно, термоэлектрического генератора. Кроме того, установленный на пути теплового потока от стенки печи к отапливаемому помещению термоэлектрические модули представляют собой дополнительные термические сопротивления, что ведет к снижению тепловой эффективности отопительной печи (УДК 621.47: 621.36, В.П. Кориненко, Ю.Н. Лобунец. Сборник докладов, «К выбору тепловой схемы ТЭГ утилизационного типа» с.105, рис.1).
2
Наиболее близким по технической сущности к данному предложению является термоэлектрический генератор, содержащий термоэлектрические модули неподвижного закрепления тепловоспринимающей стороной на металлической дымовой трубе отопительной печи, а на теплосбрасывающей стороне модулей установлены воздушные радиаторы с естественным охлаждением. В такой конструкции, как показали экспериментальные исследования, температура горячей стороны модуля значительно меньше зависит от вида топлива и при самом эффективном его горении температура дымовых газов составляет 820-880°С, то с учетом отводимого через модуль теплового потока (8÷10 Вт/см) и коэффициента теплоотдачи от газового (дымового) потока на стенке трубы температура тепловоспринимающей поверхности конструкции модуля колеблется в пределах 20÷30°С и составляет 260-290°С в начале встречи теплового газового потока с конструкцией модуля, что позволяет оптимизировать модуль по составу термоэлектрических материалов в его термоэлементах (см. В.П. Кориненко, Ю.Н. Лобунец. Сборник докладов, «К выбору тепловой схемы ТЭГ утилизационного типа» с.105, рис.2).
Недостатком такой конструкции является большое термическое сопротивление между модулем и поверхностью трубы, обусловленное недостаточной механической прочностью дымовой трубы, выполненной из листового стального материала толщиной 0,4-0,8 мм, что ведет в процессе эксплуатации термогенератора к росту термического сопротивления между модулем и трубой и, как следствие к временной деградации генерируемой модулем электрической мощности. Кроме того, получается существенный градиент температуры модуля с горячей стороны по его длине, так как тонкостенная дымовая труба не может выровнять столь значительный тепловой поток отбираемый модулем от дымового газового потока, что так же ведет к снижению мощности генерируемой термоэлектрическим генератором.
Задачей полезной модели является повышение энергетических характеристик ТЭГ и обеспечение их стабильности в процессе длительной эксплуатации, составляющей 20-25 лет.
Задачей полезной модели является увеличение срока службы термогенератора при одновременном повышении его энергетических характеристик.
Достигаемый технический результат обеспечение более совершенной в термотехническом отношении конструкции ТЭГ.
Поставленная задача решается изменением конструкции самого термоэлектрического генератора.
2
Повышение энергетических характеристик ТЭМ достигается за счет создания в конструкции полезной модели на горячей стороне однородного температурного поля (при неоднородном тепловом потоке топочных газов), что достигается введением в конструкцию тепловыравнивающего элемента, выполненного из термостойких и обладающих повышенной теплопроводностью материалов, и имеющего оптимальную конструкцию для отбора тепла от трубного дымохода, тем самым обеспечивая передачу тепла от криволинейной поверхности к плоской, с высокой степенью однородности температурного поля в зоне контакта с ТЭМ. Это позволяет получить минимальный разброс по температуре по горячей стороне на термобатареях внутри герметизированного термоэлектрического модуля. Данное конструктивное решение позволяет оптимизировать конструкцию термобатарей и термоэлементов, например, выбрать необходимые в термоэлементах антидиффузионные барьеры как по составу, так и по толщине (высоте), что позволяет снизить в термоэлементах тепловые и электрические потери и повысить их энергетические характеристики и в целом электрическую мощность герметизированных термоэлектрических модулей. Кроме того, тепловыравнивающий элемент обеспечивает концентрацию теплового потока доведя его до 8÷10 Вт/см, что также способствует увеличению перепада температуры на термобатареях и повышению их электрической мощности и, следовательно, всей модели в целом. Отсутствие локальных перепадов за счет создания однородного температурного поля по горячей стороне ТЭМ позволяет повысить их срок службы до 20-25 лет, т.к. способствует сохранению вакуумно плотной тонкостенной защитной оболочки ТЭМ, за счет снижения термических напряжений в конструкции оболочки. Диффузионные процессы в термоэлементах, ограничивающие их длительность эксплуатации, экспоненциально зависят от температуры, при прочих равных условиях. Основываясь на уравнениях диффузии, полученных на стендовых испытаниях в ходе многолетних исследований, можно прогнозировать срок службы на десятки лет.
Термоэлектрический генератор работает следующим образом. Фиг.1 - Схема установки ТЭГ на дымовой трубе камина. Плоские герметизированные термоэлетрические модули (ТЭМ)-5,6, установленные тепловоспринимающей стороной на поверхности теплосборника - 1, а на противоположной теплосбрасывающей стороне ТЭМ укрепляется радиаторы-4,7 с естественным охлаждением. От прототипа заявленный модуль отличается тем, что в зазор между дымовой трубой - 3 и модулями ТЭМ-5,6 введен тепловыравнивающий армирующий конструктивный элемент-теплосборник - 1, выполненный в виде отрезка швеллерообразной конструкции, который неподвижно закреплен на металлической дымовой трубе при помощи сварки (пайки) - 2. Причем его длина и ширина на 10-15% больше соответствующих размеров ТЭМ-5,6. Тепловыравнивающий швеллерообразный конструктивный элемент выполнен из теплопроводного материала, например, меди, никеля, чугуна, железа, алюминия и сплавов на их основе.
Практическая реализация полезной модели поясняется двумя чертежами. Фиг.1 - Схема установки ТЭГ на дымовой трубе камина. Где, А - емкость для хранения пеллет, Б - отверстие для подачи пеллет в камеру сгорания, В - элеваторный шнек, подающий пеллеты в камеру сгорания, Г - очаг из огнеупорного материала, Д - съемная горелка, Е - вентиляторы для подачи нагретого воздуха и отвода дымовых газов, Ж - дымоход, З, И, М - каналы для выхода нагретого воздуха, Н - крышка емкости для пеллет, 1 - тепловыравнивающий элемент, швеллерообразный конструктивный элемент выполненный из теплопроводного материала, меди, никеля, чугуна, железа, алюминия и сплавов на их основе. 2 - сварка(пайка), для крепления теплосборника к трубе, 3 - дымоход камина (труба), 4,7-радиаторы с естественным охлаждением, 5,6-термоэлектрические модули (ТЭМ).
Фиг.2. Изображение конструкции ТЭГ в сечении Х-Х (вид сверху). Где 1 - теплосборник, 2 - сварка(пайка), 4,7-радиаторы с естественным охлаждением, 5,6 - герметизированные термоэлектрические модули (ТЭМ). Тепловыравнивающий элемент - 1, неподвижно укреплен на дымовой трубе любым известным способом, например с помощь сварки, пайки - 2.