ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к автономным теплоэнергетическим установкам, предназначенным для получения электроэнергии, вырабатываемой при использовании отработанных газов, уходящих через дымовую трубу, обеспечивающую создание тяги и отвод газообразных продуктов сгорания топлива, при этом полезная модель может быть использована в качестве резервных или аварийных источников электроэнергии.
Известна энергетическая установка, в которой в электрическую энергию преобразуется энергия движущейся в магнитном поле жидкой или газообразной электропроводящей среды магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор).
Известно изобретение МГД-ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ ОТКРЫТОГО ЦИКЛА, патент РФ №2019898 на изобретение кл. H02K 44/08, опубл. 15.09.1994. МГДЭС содержит камеру сгорания, МГД-генератор, участок термического разложения, парогенератор, фильтр очистки от твердых частиц, дымовую трубу, фильтр готового раствора, замкнутый контур ионизирующейся присадки и систему очистки дымовых газов от оксида азота. Контур присадки включает разделитель золы и солей калия, десульфуризатор и емкость готового раствора, а система очистки состоит из окислительной башни и абсорбционной башни, орошаемой раствором ионизирующейся присадки. Оксиды азота в абсорбционной башне, поглощаются орошающим раствором, а образующиеся нитриты калия с раствором подаются в камеру сгорания МГД-генератора, где вместе с другими калиевыми соединениями разлагаются и обеспечивают электропроводимость продуктов:
Известное изобретение, в котором описана МГД-электростанция открытого цикла, имеет ряд недостатков: большие затраты для получения электроэнергии, и потребление большого количества дополнительной теплоты для испарения и разложения присадки, что с энергетической точки зрения нецелесообразно.
В заявке №2002109568, кл. F03B 17/00, опубл. 27.11.2003 описано изобретение ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ ПРОКОПЕНКО. Гидродинамическая энергетическая станция Прокопенко содержит источник естественного и/или искусственного давления любого рабочего тела, ускоритель потока и гидро- и/или пневмомеханического и/или теплового потребителя высокоскоростного потока. Ускоритель потока состоит из одной или набора последовательно и/или параллельно соединенных улиток - полувитков спиральных сужающихся поверхностей и/или труб, изогнутых по кривой переменного радиуса вращения и постоянной и/или переменной угловой скоростью вращения потока вокруг центра, выходы которых плавно соединяются с входами последующих улиток. Кроме того, в приведенной заявке указано, что ускоритель потока является МГД-машиной или униполярной машиной, усилителем электронного газа.
В известной заявке №2002109568 кинетическая энергия потока преобразуется в механическую и/или тепловую энергию потребителя. Однако использование в ускорителе изогнутых по кривой труб приводит к увеличению гидравлического сопротивления потока, что приводит к снижению кинетической энергии потока и снижению эффективности работы всего устройства.
Из уровня техники известно изобретение ВИХРЕВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ НА ДЫМОВОЙ ТРУБЕ, которое принято за прототип и описано в заявке №2008104197, кл. F03G 7/04, опубл. 20. 08. 2009. Вихревая электростанция содержит цилиндрическую трубу с конической нижней частью, ветряной двигатель, спаренный с электрогенератором, расположенные в верхней цилиндрической части трубы и воронку, вставленную с зазором в коническую часть трубы. В здании с печным отоплением в верхней части воронки изнутри присоединена дымовая труба печного отопления.
Недостатком изобретения, принятого за прототип, является невысокая эффективность работы установки по причине того, что в нижней части трубы расположено отверстие для связи трубы с атмосферой, следствием этого являются потери тяги, а тяга в дымовой трубе, как известно, образуется за счет перепада высот. При этом в нижнюю часть трубы дополнительно подводится воздух, из-за чего при растопке печи возникает обратная тяга, полноценного сгорания топлива не происходит, а печь начинает дымить.
Задача, решаемая при создании полезной модели, - создание устройства, обеспечивающего получение электрической энергии за счет теплоэнергетического потенциала продуктов сгорания топлива.
Поставленная задача решается тем, что в теплоэнергетическом устройстве, которое содержит снабжаемый топливом источник тепла с топкой, дымоход, дымовую трубу, и ветряной двигатель с электрогенератором, согласно заявляемой полезной модели между топкой и дымоходом установлен МГД-генератор. При этом на наружных поверхностях дымохода и дымовой трубы послойно закреплены теплоизоляция, термоэлектрические модули, снабженные устройствами дополнительного охлаждения, и солнечные элементы, а на вершине дымовой трубы во взаимодействии с ветряным двигателем установлен эжектор. Причем МГД-генератор, термоэлектрические модули, солнечные элементы и ветряной двигатель соединены с инвертором. В заявляемой полезной модели каждый из термоэлектрических модулей снабжен устройством дополнительного охлаждения, выполненным в виде пластинчатого теплообменника, а на внешней стороне каждого теплообменника закреплен, по крайней мере, один солнечный элемент.
Кроме того, устройства дополнительного охлаждения термоэлектрических модулей, закрепленных на поверхности дымовой трубы, в вертикальном направлении могут быть связаны между собой с образованием охлаждающих контуров. При этом образующие каждый охлаждающий контур пластинчатые теплообменники, расположенные один над другим, посредством трубопроводов подачи и отвода хладагента соединены с расширительным баком, который закреплен в верхней части каждого охлаждающего контура.
При этом устройство дополнительного охлаждения каждого из модулей может быть выполнено в виде теплообменника, который содержит теплопередающую пластину с закрепленными на ней ребрами и камеру для хладагента. В таком теплообменнике ребра установлены с возможностью воздушного охлаждения и при этом введены свободными концами внутрь камеры для хладагента.
При сгорании топлива выделяется тепловая энергия, и образуются продукты сгорания, которые обычно отводятся из топки источника тепла снабжаемого топливом. Продукты сгорания имеют достаточный запас энергии, которую можно использовать для получения электричества. В частности, в результате химической реакции окисления топлива образуется дымовой газ, который содержит большое количество, особенно при сжигании твердого топлива, мелких твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии. Известно, что вследствие высокой температуры, достигаемой в зоне горения при сжигании топлива, продукты сгорания ионизируются и могут являться проводящей газовой средой в магнитном поле. В заявляемом решении магнитное поле создано МГД-генератором, который размещен в непосредственной близости к топке. Пройдя через магнитное поле МГД-генератора, дымовые газы имеют достаточный запас тепловой энергии, которую далее в соответствии с заявляемой полезной моделью используют для получения электрической энергии за счет разности температур посредством того, что на поверхностях дымохода и дымовой трубы размещены термоэлектрические модули. Каждый из термоэлектрических модулей является электрическим устройством, которое способно на прямое преобразование тепловой энергии в электрический ток посредством термоэлементов. В заявляемом техническом решении для термоэлектрических модулей важно, чтобы температура на поверхностях дымовой трубы и дымохода, контактных по отношению к термоэлектрическим модулям, не превышала допустимой величины температурного воздействия на термоэлементы, поэтому указанные поверхности дымовой трубы и дымохода покрыты теплоизоляционным слоем. Для дополнительного отбора тепла и охлаждения «холодной» стороны термоэлектрических модулей они снабжены устройствами дополнительного охлаждения, что способствует более эффективной работе модулей и увеличению количества вырабатываемой электрической энергии. В качестве устройств дополнительного охлаждения могут быть установлены устройства любого типа, конструктивные особенности которых характеризуются способом теплопередачи (конвекция, излучение, теплопроводность), например, могут быть установлены радиаторы, заполненные хладагентом, или пластины с развитой поверхностью воздушного охлаждения и др. На выходе из трубы температура продуктов сгорания составляет примерно 200°C. Однако элементы ветряного двигателя не подвергаются высокому температурному воздействию, так как в заявляемом теплоэнергетическом устройстве за счет подсоса атмосферного воздуха через эжектор обеспечивается снижение температуры потока газовой среды, направленного на лопасти ветряного двигателя, что позволяет увеличить срок его эксплуатации. Посредством солнечных элементов аккумулируется солнечная энергия для преобразования ее в электрический ток. Принципиально то, что каждый термоэлектрический модуль снабжен устройством дополнительного охлаждения, выполненным в виде пластинчатого теплообменника, имеющего развитую поверхность воздушного охлаждения и заполненную хладагентом камеру. В летний период снижение температуры хладагента обеспечивается солнечными элементами, закрепленными на поверхности теплообменника. Кроме того, с помощью солнечных элементов в любое время года может быть осуществлено преобразование солнечной энергии с получением электрического тока, подаваемого на инвертор.
Одним из случаев выполнения теплоэнергетического устройства является то, что несколько устройств дополнительного охлаждения, расположенные один над другим, для обеспечения эффективности охлаждения модулей, закрепленных на дымовой трубе, могут быть объединены с образованием охлаждающего контура. В каждом охлаждающем контуре расположенные один над другим пластинчатые теплообменники для поддержания постоянной температуры хладагента связаны независимыми трубопроводами подачи и отвода хладагента, что позволяет стабилизировать охлаждения термоэлектрических модулей за счет того, что каждый теплообменник контура связан с общим расширительным баком, закрепленным в верхней части контура.
В другом частном случае выполнения заявляемой полезной модели устройство дополнительного охлаждения каждого из модулей представляет собой, пластинчато-ребристый теплообменник, который содержит теплопередающую пластину с закрепленными на ней ребрами, при этом свободные концы ребер, введенные внутрь камеры для хладагента, установлены с возможностью воздушного охлаждения Таки образом, заявляемая совокупность признаков полезной модели определяет причинно-следственную связь с тем техническим результатом, который достигается при использовании заявляемого устройства и заключается в повышении эффективности работы теплоэнергетического устройства за счет получения дополнительной электрической мощности и обеспечения надежности его работы.
Полезная модель поясняется чертежами. На фигуре 1 представлен общий вид теплоэнергетического устройства; фиг. 2 - вид сбоку; фиг. 3 - вид сверху; фиг. 4 - сечение A-A на фиг. 2; фиг. 5 - вид A на фиг. 1; фиг. 6 - пластинчато-ребристый теплообменник: а) с камерой для хладагента; б) с расширительным баком; фиг. 7 - охлаждающий контур; фиг. 8 - схема эжектора; фиг. 9 - схема отбора электрической мощности от элементов устройства.
Теплоэнергетическое устройство в общем случае выполнения содержит источник тепла, снабжаемый топливом, с топкой 1, дымовую трубу 2, ветряной двигатель 3 с электрогенератором, связанный с инвертором 4. В непосредственной близости к топке 1 установлен магнито-гидродинамический генератор (МГД-генератор) 5, который представляет собой канал, оснащенный полюсами магнита по бокам, для создания магнитного поля. МГД-генератор 5, связан с дымовой трубой 2 посредством дымохода 6, выполненного из огнеупорного кирпича или из металла с наружной футеровкой. Снаружи поверхность дымовой трубы 2 и дымохода 6 покрыта теплоизоляцией 7, в качестве материала которой могут быть использованы различные мастики, краски, футеровочные обмазки. На цилиндрической поверхности дымовой трубы 2 и дымохода 6 по периметру их поперечных сечений приварены металлические штыри 8 с резьбой на конце в количестве не более шести штук. На штырях 8 размещены термоэлектрические модули 9. Каждый термоэлектрический модуль 9 выполнен по типу элемента, Пельтье, в котором между двух плоских пластин совокупно расположены электрически соединенные термопары, и связан с инвертором 4. Термопара является единичным элементом термоэлектрического модуля (ТЭМ) и состоит из двух разнородных элементов с p- и n-типом проводимости, которые попарно соединены между собой при помощи металлических перемычек. Каждый из модулей 9 оснащен устройством дополнительного охлаждения 10, на котором закреплен, по крайней мере, один солнечный элемент 11, соединенный с инвертором 4. Устройство дополнительного охлаждения 10 выполнено в виде пластинчатого теплообменника, содержащего концевые камеры и отдельные пластины в проточной части с гофрированной либо ребристой поверхностью,
который с помощью проушин фиксируются на штырях. 8 в контакте с термоэлектрическим модулем 9. На вершине дымовой трубы 2 во взаимодействии с ветряным двигателем 3 установлен при помощи перегородок 12 воздушно-охлаждаемый эжектор 13. Эжектор 13 (фиг. 8) имеет: а) - участок подсоса воздуха; б) - участок смешения потоков; в) - диффузорный участок. В верхней части эжектора 13 приварены кронштейны 14, на которых закреплен в вертикальном положении лопастями вниз ветряной двигатель 3.
В первом частном случае выполнения теплоэнергетическое устройство содержит те же составные элементы, что и в общем случае выполнения. Исключением является то, что устройства дополнительного охлаждения 10 тех термоэлектрических модулей 9, которые закреплены на поверхности дымовой трубы 2, в вертикальном направлении связаны между собой с образованием охлаждающих контуров (фиг. 7). Образующие каждый охлаждающий контур пластинчатые теплообменники 10, расположенные один над другим соединены трубопроводами 15, 16 отвода и подачи хладагента с расширительным баком 17, закрепленным в верхней части контура.
Во втором случае выполнения теплоэнергетическое устройство содержит те же составные элементы, что и в общем случае выполнения, за исключением того, что устройство дополнительного охлаждения 10 каждого из термоэлектрических модулей 9 выполнено в виде пластинчато-ребристого теплообменника. В этом случае выполнения теплообменник 10 содержит камеру 18 для хладагента, внутрь которой свободными концами введены ребра 19, закрепленные на теплопередающей пластине 20 (фиг. 6а). При этом в теплообменнике 10 ребра 19 установлены с возможностью воздушного охлаждения.
Теплоэнергетическое устройство в общем случае выполнения работает следующим образом. При сгорании топлива в топке источника питания 1 в результате происходящей химической реакции образуются дымовые газы, в составе которых имеются частички, обладающие электрическим потенциалом. МГД-генератор 5 является одним из устройств системы удаления дымовых газов, которые образуются при сгорании топлива. На выходе из топки 1 дымовой газ имеет максимально высокую температуру, величина которой соответствует температуре реакции окисления топлива при его сгорании. Под действием высокой температуры дымовой газ ионизируется и, попадая в канал МГД-генератора 5, в магнитном поле становится проводящей газовой средой. При прохождении через, канал МГД-генератора 5 электрически заряженные частички в составе дымового газа в зависимости от знака потенциала распределяются к полюсам магнита МГД-генератора 5, образуя на них электрическое напряжение, которое подается на потребление посредством инвертора 4. Из МГД-генератора 5 дымовой газ, имеющий высокую температуру, поступает в дымоход 6 и под действием тяги направляется в дымовую трубу 2. В процессе удаления продуктов сгорания, стенки дымохода 6 и дымовой трубы 2 нагреваются, при этом температура наружных поверхностей дымохода 6 и дымовой трубы 2 составляет около 400°C. От этих поверхностей тепло передается термоэлектрическим модулям 9, выполненным по типу элементов Пельтье. В соответствии с конструктивными особенностями, характерными для элементов Пельтье, поверхности термоэлектрических модулей 9, противоположные нагреваемым поверхностям, охлаждаются, при этом на модулях 9, создается разность температур. За счет разности температур на разных частях модулей 9 происходит преобразование тепловой энергии, возникает электродвижущая сила. Величина полученного электрического тока пропорциональна степени охлаждения модулей 9. Отбор тепла от «холодных» поверхностей термоэлектрических модулей 9, выполненных по типу элементов Пельтье, интенсифицируется посредством устройств дополнительного охлаждения 10, которые при этом являются как приемниками тепла, так и аккумуляторами низкой температуры. Закрепленные наряду с модулями 9 солнечные элементы 11, связанные с инвертором 4, вырабатывают электричество в светлое время суток, а также в летний период, когда нет необходимости в эксплуатации топки 1. На выходе из дымовой трубы 2 продукты сгорания, температура которых составляет примерно 400°C, попадают в эжектор 13, в котором на участке подсоса воздуха (фиг. 8) давление потока дымового газа увеличивается за счет подсоса воздуха из атмосферы. Потоки дымового газа и атмосферного воздуха на участке смешения потоков эжектора 13 смешиваются, возникает общий результирующий поток, скорость течения которого выше, чем у всасывающего дымового газа. После смешения результирующий поток попадает в диффузорную зону эжектора 13, где происходит преобразование скорости потока в статическое давление, при этом температура дымовых газов понижается. После преобразований в эжекторе 13 дымовой газовый поток, который воздействует на лопасти ветряного двигателя 3, имеет скорость 2-10 м/сек. Такой скорости дымовых газов обычно достаточно для получения электроэнергии за счет ветряного двигателя.
В первом частном случае выполнения теплоэнергетическое устройство работает так же, как и в общем случае его выполнения с пояснением того, что охлаждающие контуры способствуют более эффективному охлаждению закрепленных поверхности дымовой трубы 2 модулей 9, у которых устройства дополнительного охлаждения 10 связаны между собой в вертикальном направлении. В каждом охлаждающем контуре, как показано на фиг. 7, из теплообменников 10 трубопроводами 15 осуществляется отвод в расширительный бак 17 хладагента, «нагретого» от контакта с модулями 9. При этом из бака 17 в камеры 18 нижерасположенных теплообменников 10 каждого контура по трубопроводам 16 поступает «холодный» хладагент. При такой циркуляции хладагента поддерживается его постоянная температура в каждом охлаждающем контуре и более стабильно осуществляется охлаждение модулей 9, закрепленных на дымовой трубе 2.
Во втором частном случае выполнения теплоэнергетическое устройство работает так же, как и в общем случае его выполнения. Уточнением является то, что охлаждение каждого термоэлектрического модуля 9 осуществляется посредством пластинчато-ребристого теплообменника 10. Теплопередающая пластина 20 теплообменника 10, гладкой поверхностью обращенная к термоэлектрическому модулю 9, отбирает тепло от его «холодной» его части. Ребра 19, закрепленные на пластине 20 (фиг. 6а), нагреваясь от нее, подвергаются охлаждению, как за счет обдува воздухом, так и за счет хладагента в камере 18, в которую ребра 19 введены свободными концами. Тем самым происходит понижение температуры пластины 20 и модуля 9. Закрепленные на внешней поверхности теплообменников 10 солнечные элементы 11 способствуют снижению температуры хладагента в камерах 18.
В качестве хладагента может быть использована любая незамерзающая жидкость с температурой замерзания -50°C (антифриз, тосол, этиленгликоль, спирт). Для осуществления полезной модели могут быть использованы известные и применяемые в технике конструктивные узлы, комплектующие детали, в том числе крепежные элементы. В частности, для дополнительного охлаждения термоэлектрических модулей могут быть установлены пластинчатые теплообменники известной конструкции, содержащие концевые камеры и разделенные резиновыми прокладками отдельные пластины с гофрированной либо ребристой поверхностью в проточной части. Использование в комплексе всех энергетических узлов позволяет получать электроэнергию, используемую для обеспечения качественного горения топлива и более надежной работы источника питания топливом. Кроме того, суммарный КПД этого устройства может быть увеличен за счет использования для бытовых нужд энергии дымовых газов.