УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ТЕРМОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР. ВАРИАНТЫ
UNIVERSAL THERMAL POWER GENERATOR, OPTIONS

Настоящее изобретение относится к термоэнергетическим генераторам и может быть использовано в энергетике в качестве автономных источников электроэнергии.
Известны многочисленные конструкции термоэнергетических генераторов (ТЭГ), увеличение коэффициента полезного действия которых достигается за счет создания большего перепада температур между холодным и горячим электродами.
«Термоэнергетический генератор» [1] содержит в качестве источника тепловой энергии лампу жидкого топлива, надетый на нее трубчатый теплопередатчик с вмонтированными в него термоэлементами, горячий электрод которых нагревается теплом лампы, а холодный электрод охлаждается ребрами радиатора за счет конвекции воздуха.
Недостатком данного устройства является незначительный и нестабильный перепад температур между электродами, малый КПД и малая вырабатываемая мощность.
На принципах воздушного охлаждения работают ТЭГи в промышленном исполнении, например, на газовых магистралях, так и бытовых энергопечах.
«Термоэнергетический генератор» [2] с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую содержит теплоприемник, внутри корпуса которого размещен источник тепла, а снаружи установлены термоэлектрические модули и основания теплообменников системы охлаждения, механически связанные с корпусом теплоприемника посредством средств крепления, причем средства крепления выполнены в виде листовых пружин переменного сечения по длине и расположены по краям оснований теплообменника с возможностью плотного и стабильного контакта через термоэлектрические модули к поверхностям корпуса теплоприемника.
Данный ТЭГ обеспечивает более эффективную и надежную работу, создавая стабильное поджатие модулей к теплоприемнику и к холодному теплообменнику, однако недостатком его является воздушный способ охлаждения теплообменника, не обеспечивающий достаточный перепад температур.
Известны энергопечи «Арктур-М», «Вега-25», «Чолбон-2», «Индигирка-М» [3]. Например, энергопечь «Индигирка-М» имеет выходную электрическую мощность ТЭГ 50 Вт. Охлаждение осуществляется встроенными дистанционно на корпусе электровентиляторами, которые подают атмосферный воздух к холодному электроду.
Наши лабораторные измерения показали, что такое охлаждение на энергопечи «Индигирка-М» не эффективно, так как средняя температура выходящего охлаждающего воздуха с вентиляторов «Твент» менее 100°С (см. «График температур», приложение к данной заявке), температура на горячем электроде во время максимального разогрева печи «Тгор» около 450°С, на холодном электроде «Тхол» 200…250°С, а перепад температур между электродами составил 200…250°С. Кроме того, на работу электровентиляторов требуется 15…18 Вт, т.е. около 30% электроэнергии от ТЭГ затрачивается «впустую».
Дальнейшее увеличение перепада температур между электродами ТЭГ «Индигирки-М» и в других подобных конструкциях путем усиления охлаждения вентиляторами, расположенными на корпусе печи, не представляется возможным из-за температурного перегрева обмоток и выхода из строя электродвигателей вентиляторов.
Известна также полезная модель [4] и изобретение [5] этих же авторов на ТЭГ, преобразующий энергию горения топлива в тепловую по схеме «Индигирки-М».
Энергопечь содержит отопительное устройство, на наружной поверхности корпуса которого закреплен термоэлектрический генератор, включающий опорную нагревательную пластину, на которой подвижно с применением биметаллических пластин закреплена тепловыравнивающая пластина с установленными на ней термоэлектрическими генераторными модулями, причем тепловыравнивающая пластина закреплена на опорной нагреваемой пластине при помощи шарнира с горизонтальной поворотной осью, а биметаллические пластины установлены между опорной нагреваемой пластиной и тепловыделяющей пластиной, при этом холодные спаи модулей установлены на радиаторе воздушного охлаждения.
Недостатком данных устройств, так же как и предыдущих, является малый температурный перепад между электродами и, как следствие, невысокий КПД. Кроме того, воздушный теплоотвод так же не эффективен при использовании его в ТЭГ большой мощности.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является ТЭГ [6] по патенту РФ №2348089.
«Термоэлектрический бытовой генератор» содержит батарею термоэлектрических модулей, источник тепловой энергии (печь), систему циркуляции воды из емкости с резервом воды, пароводяной насос, жидкостный теплоотвод от ТЭГ и потребитель теплой воды, замкнутый с помощью водоводов на емкость с резервом воды, а циркуляция воды обеспечивается при помощи пароводяного насоса, приведенного в контакт с нагретой частью печи.
Постоянный отвод тепла циркулирующей воды от холодного электрода термоэлектрических модулей позволяет увеличить перепад температур между электродами и выходную мощность ТЭГ.
Однако недостатком прототипа является сложность выполнения системы циркуляции воды, необходимость стационарного исполнения, дороговизна в управлении и обслуживании.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и создание универсального ТЭГ с более высоким КПД, не требующим постоянного принудительного подвода и отвода охлаждающий жидкости.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в следующем:
- упрощена конструкция ТЭГ по первому варианту за счет использования в схеме охлаждения вместо принудительного жидкостного теплоотвода прямого термосифона, осуществляющего циркуляцию постоянного объема жидкости внутри корпуса ТЭГ;
- повышена эффективность конденсации пара в термосифоне ТЭГ за счет использования дополнительных теплопоглощающих металлических решеток, соединенных теплопроводными стержнями с дополнительным наружным теплоотводом, а в качестве стержней могут быть использованы тепловые трубы;
- упрощена конструкция ТЭГ по второму варианту за счет использования в схеме охлаждения вместо принудительного жидкостного теплоотвода кольцевого термосифона, осуществляющего циркуляцию постоянного объема жидкости между испарительным и конденсаторным блоками термосифона;
- повышена эффективность термосифона за счет улучшения конденсации пара путем оснащения паропровода в конденсаторном блоке дополнительным теплообменником.
Технический результат достигается за счет того, что в термоэнергетическом генераторе, содержащем батарею термоэнергетических модулей, горячие электроды которых подключены к печи (источнику тепловой энергии), а холодные электроды - к емкости с водой, оснащенной жидкостным теплоотводом с трубным водоводом, жидкостный теплоотвод выполнен для первого варианта генератора в корпусе прямого термосифона, изолированного от емкости с водой теплоизолирующим контуром, причем в верхней части корпуса термосифона размещены металлические решетки, соединенные посредством теплопроводных стержней с наружным теплоотводом, а в качестве теплопроводных стержней применены тепловые трубы, обладающие высокой теплопроводностью.
Технический результат во втором варианте достигается за счет того, что в генераторе, содержащем батарею термоэнергетических модулей, горячие электроды которых подключены к печи (источнику тепловой энергии), а холодные электроды - к емкости с водой, оснащенной жидкостным теплоотводом с трубным водоводом, жидкостный теплоотвод выполнен в данном варианте в корпусе кольцевого термосифона, состоящего из испарительного и конденсаторного блоков, соединенных трубным водоводом и трубным паропроводом, причем трубный водовод присоединен к нижним внутренним поверхностям обоих блоков, трубный паропровод подключен между верхней зоной испарения испарительного блока и верхней зоной конденсации в конденсаторном блоке, а трубный паропровод в конденсаторном блоке оснащен дополнительным теплообменником.
На фиг. 1 изображен вариант «Универсального термоэнергетического генератора. Варианты» с использованием однокорпусного прямого термосифона, а на фиг. 2 - вариант генератора на основе кольцевого термосифона с раздельными корпусами испарительного и конденсаторного блоков.
«Универсальный термоэнергетический генератор. Варианты» содержит в первом варианте (фиг. 1) источник 1 тепловой энергии (печь), батарею 2 термоэнергетических модулей, горячие электроды 3 которых присоединены к источнику, а холодные электроды 4 - к емкости 5 с жидкостью или водой. Для условий с отрицательными температурами вода заменяется незамерзающей жидкостью. Емкость через теплоизолирующий контур 6 соединена с корпусом 7 прямого термосифона, оснащенного охлаждающими ребрами, а в верхней части корпуса расположены дополнительные теплопоглощающие решетки 8, соединенные теплопроводными стержнями 9 с дополнительным наружным теплоотводом 10, причем вместо теплопроводных стержней могут использоваться тепловые трубы.
По второму варианту генератор содержит кольцевой термосифон, состоящий из испарительного блока 11 и конденсаторного блока 12, соединенных трубным паропроводом 13 и трубным водоводом 14, а конец трубного паропровода в конденсаторном блоке оснащен дополнительным теплообменником 15, находящемся в уже сконденсированном объеме воды до уровня h.
«Универсальный термоэнергетический генератор. Варианты» работает по первому варианту следующим образом, фиг. 1. Тепловая энергия Q от источника 1 поступает на горячие электроды 3 термоэнергетического модуля 2, холодные электроды 4 которых охлаждаются емкостью 5 с жидкостью или с водой. Если в емкости содержится вода, то при достижении температуры 100°С она закипает и пары, поднимаясь (сплошные стрелки на фиг. 1) в верхнюю часть корпуса 7 термосифона конденсируются на стенках корпуса, так же на стенках дополнительных термопоглощающих решетках 8 и стекают (пунктирные стрелки на фиг. 1) обратно в емкость 5 с водой. Осуществляемый таким образом круговорот «вода - пар - вода» в термосифоне позволяет увеличить перепад температур между электродами, отобрать избыточную тепловую энергию с холодных электродов 4, температура которых при использовании воды будет равна температуре кипения 100°С, тепловая энергия при этом через оребренный корпус выбрасывается в окружающее пространство, причем объем используемой в термосифоне жидкости (в данном случае воды) остается постоянным. Электрическая энергия снимается обычным образом проводниками с электродов модулей (проводники условно не показаны на чертежах).
Если необходим ТЭГ большей электрической мощности и требуется отвести от холодных электродов 4 значительное количество тепловой энергии, то через дополнительные теплопроводные стержни 9 подключают дополнительный наружный теплоотвод 10, в качестве которого может быть использован дополнительный массивный воздушный охладитель или дополнительная емкость с водой, а вместо стержней 9 применить более эффективные по теплопроводности тепловые трубы.
Теплоизолирующий контур 6 в данной тепловой схеме позволяет уменьшить теплопередачу от емкости 5 к корпусу 7 термосифона, исключив прямой контакт между ними.
Для стационарных ТЭГ большой электрической мощности может использоваться второй вариант с применением кольцевого термосифона [7], (фиг. 2). На данном чертеже условно показано присоединение испарительного блока 11 к холодному электроду батареи 2 только с боковой поверхности источника 1 тепловой энергии, а фактически может использоваться вся его горячая поверхность.
При закипании в блоке 11 воды ее пары по трубному паропроводу 13 поднимаются в блок 12 конденсации, где после конденсации вода накапливается в донной части блока 12 и после достижения уровня слива h через трубный водовод 14 сливается в испарительный блок 11, осуществляя кругооборот «вода - пар - вода». Усиление конденсации достигается за счет снижения температуры паров в теплообменнике 15, так как он находится уже в зоне сконденсированной жидкости h.
Универсальность предлагаемого устройства заключается в том, что для малых мощностей оно может использоваться, например, в качестве надстройки к «Генераторам термоэлектрическим» типа ГТУ-12-12 [8].
Предлагаемая схема теплопровода с помощью прямого или кольцевого термосифона может быть альтернативой охлаждения любых термоэлектрических генераторов, в том числе термоэлектрических сборок серии «воздух - воздух» на разные мощности охлаждения, выпускаемых НПО «Кристалл» [9].
Учитывая изложенное, следует ожидать, что предлагаемое изобретение найдет широкое применение в быту и в промышленности.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Воронин А.Н., Северов А.А. Термоэнергетический генератор. Авторское свидетельство СССР №96698, МПК Н01V 1/02 (аналог).
2. Плеханов С.И., Тереков А.Я., Новиков В.Э. Термоэнергетический генератор. Патент РФ №2529437, МПК H01L 35/28.
3. Энергопечь. Технические характеристики моделей. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.energopech.ru.
4. Баукин В.Г. Винокуров А.В. и др. Отопительное устройство с термоэлектрическим генератором и термоэлектрический генератор. Патент РФ на полезную модель №95183, МПК H01L 35/28 (аналог).
5. Баукин В.Г., Винокуров А.В. и др. Отопительное устройство с термоэлектрическим генератором и термоэлектрический генератор. Патент РФ №2419749, МПК F24H 3/12 (аналог).
6. Исмаилов Т.А., Аминов Г.И. Термоэлектрический бытовой генератор. Патент РФ №2348089, МПК H01L 35/28 (прототип).
7. Попов А.И., Щеклеин С.Е. Кольцевой регулируемый термосифон. Положительное решение по заявке №2015122705 от 11.06.2015.
8. Альтернативные источники тока. Генератор термоэлектрический ГТУ-12-12. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.ait-1.narod.ru.
9. Термоэлектрические сборки серии «Воздух - Воздух» для уличного применения. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.crystalltherm.com/ru.
10. Патент США US 3728160. 17.04.73.
11. Патент США US 4095998. 20.06.78.
12. Патент Японии JP 2006294738 А. 26.10.2006.
13. Патент Японии JP 2008021678 А. 31.01.2008.