ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР БЫТОВОЙ С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Полезная модель относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно к конструкции термоэлектрического генератора бытового, используемого в качестве автономного источника электрической энергии, способного стабильно работать на различных видах топлива (газообразное, жидкое, твердое) при утилизации тепловой энергии. Этот генератор может служить автономным источником электрической энергии для питания маломощных радиоэлектронных и электрических устройств, в том числе, в походных условиях и при чрезвычайных ситуациях.
Известен термоэлектрический генератор, содержащий камеру сгорания топлива, теплоприемник с размещенными на нем термобатареями, к которым примыкают основания теплообменников (см. патент РФ №2166223). Однако известная конструкция термогенератора не обеспечивает требуемую эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую из-за значительных тепловых потерь в контактах между теплоприемником и термобатареями, а также между последними и теплообменниками, что обусловлено конструктивными недостатками известной конструкции, не обеспечивающей требуемое по величине и стабильное по времени усилие поджима термобатарей к теплообменнику и теплоприемнику.
Также известен блок питания (генератор), работающий на тепловой энергии сгорающего топлива и охлаждаемый водой [Зорин И.В., Зорина З.Я. Термоэлектрические холодильники и генераторы. Л.: "Энергия", 1973, с. 48.]. Данный блок питания состоит из емкости с водой, в дно которой вмонтированы генераторные термоэлектрические модули. Недостатком такого блока питания является низкий коэффициент полезного действия и, следовательно, низкая эффективность работы.
Из источников информации, приведенных в интернете, также известен ряд термоэлектрических генераторов (1.htm; ehlement_pelte_on_zhe_termoehlektricheskij_modul.html). Конструктивно указанный известный генератор выполнен в виде емкости, заполненной охлаждающей жидкостью - водой, в донной части которой установлены генераторные модули. Указанный генератор имеет также токосъемную колодку. Необходимый для работы известного генератора перепад температур достигается при разогреве емкости, например, пламенем костра. Вода, нагреваемая внутри емкости, может идти на приготовление пищи или на другие цели. Но главная цель данного генератора - использование в глухих, труднодоступных местах для подзарядки элементов питания индивидуальных средств связи и навигации, освещения и т.п. Он незаменим для охотников, туристов, моряков, сотрудников спасательных и специальных служб, вынужденных долгое время находится вдали от источников центрального энергоснабжения.
Однако этот известный термоэлектрический генератор имеет низкую эффективность, поскольку генераторный модуль в нем непосредственно соединен по всему периметру двумя параллельными металлическими стенками с днищем охлаждающего сосуда, что приводит к значительным перетечкам тепла к этому сосуду помимо термоэлектрических батарей, а значит - к снижению разности температур между горячей и холодной поверхностью генераторного модуля. Это приводит к снижению КПД (коэффициента полезного действия).
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является термоэлектрический генератор бытовой с жидкостным охлаждением (Патент РФ №15813), содержащий соосно расположенные охлаждающий теплообменник, выполненный в виде сосуда для жидкости с утолщенным днищем, и "горячий" теплообменник, выполненный в виде массивной плиты, снабженной цилиндрической оболочкой, выступающей за пределы верхнего торца плиты, термоэлектрические батареи, расположенные между днищем охлаждающего теплообменника и плитой "горячего" теплообменника и отделенные от них электроизоляционными слоями, элементы прижима теплообменников к термоэлектрическим батареям, каждый из которых выполнен в виде пластинчатой пружины изгиба, прикрепленной винтами к днищу охлаждающего теплообменника и соединенной с "горячим" теплообменником болтами, и токосъемную колодку, при этом высота цилиндрической оболочки выбрана равной не менее суммы толщин двух электроизоляционных слоев, пластинчатой пружины изгиба и высоты термоэлектрической батареи, в днище охлаждающего теплообменника выполнена кольцевая канавка с диаметром, равным диаметру цилиндрической оболочки, при этом в канавку помещена П-образная оболочка из теплоизолирующего материала, и ширина канавки превышает толщину стенки оболочки, а пластинчатые пружины изгиба выполнены непересекающимися.
Недостатком указанного известного генератора является сложность конструкции, а также относительно высокая температура "холодного" поверхности термоэлектрической батареи, получаемая в процессе работы, и снижение в связи с этим КПД и электрической мощности. Это обусловлено тем, что тепловой поток, посредством которого нагревается плита «горячего» теплообменника и далее - горячая поверхность термоэлектрической батареи, будет нагревать и часть дна и стенки сосуда «охлаждающего» теплообменника, т.к. между экраном, которым снабжена плита «горячего» теплообменника и дном сосуда имеется зазор, куда и будет устремляться поток горячего воздуха, нагревая стенки сосуда. В результате и будет повышаться температура "холодного" поверхности термоэлектрической батареи, а значит, уменьшится разность температур между холодной и горячей поверхностями термоэлектрической батареи, что и приведет к снижению КПД (http://kryothermtec.com/assets/dir2attz/article.pdf «Разработка термоэлектрических систем охлаждения и термостатирования с помощью компьютерной программы KRYOTHERM»).
Технический результат, достигаемый предлагаемой полезной моделью, заключается в достижении достаточной эффективности и коэффициенте полезного действия (КПД) бытового генератора для питания маломощных радиоэлектронных и электрических устройств, за счет снижения влияния теплового потока на нагрев стенок охлаждающего теплообменника.
Дополнительным результатом является упрощение конструкции.
Поставленный технический результат достигается предлагаемым термоэлектрическим генератором бытовым с жидкостным охлаждением, включающим охлаждающий теплообменник, выполненный в виде сосуда для охлаждающего агента, горячий теплообменник, размещенный между ними термоэлектрический генераторный модуль, имеющий «горячие» и «холодные» горизонтальные поверхности, и токоотводы, при этом новым является то, что горячий теплообменник выполнен в виде полой емкости, обращенной дном к дну сосуда для охлаждающего агента охлаждающего теплообменника, горизонтальные «горячие» и «холодные» поверхности термоэлектрического генераторного модуля снабжены слоем теплопроводящей пасты, а участки дна емкости горячего теплообменника и дна сосуда охлаждающего теплообменника, свободные от наличия поверхностей указанного модуля, снабжены слоем термостойкого силиконового клея-герметика, причем боковые стенки емкости и сосуда покрыты теплоизолирующим материалом, при этом генератор дополнительно содержит защитный раструб в форме усеченного полого конуса, обращенного стороной нижнего основания с большим диаметром в сторону охлаждающего теплообменника, и который стороной верхнего основания с меньшим диаметром закреплен в зоне размещения термоэлектрического генераторного модуля у дна охлаждающего сосуда, причем высота указанного конуса составляет величину 80% высоты боковой стенки сосуда, а соотношение его малого диаметра к большому составляет 1:1,2 соответственно.
Усеченный полый конус выполнен в виде набора трапецевидных лепестков, закрепленных одной стороной в зоне установки термоэлектрического генераторного модуля, и выполненных с возможностью «зонтичного» раскрытия в радиальном направлении.
В качестве охлаждающего агента в сосуде охлаждающего теплообменника используют воду, или антифриз, или тосол, или снег, или лед.
Сосуд охлаждающего теплообменника дополнительно снабжен водяной помпой с выносным радиатором.
В полости емкости горячего теплообменника размещен источник
тепла.
В качестве источника тепла используют газовую или спиртовую горелки или пламя от сжигания дров.
Емкость горячего теплообменника снабжена стойками.
Боковая зона термоэлектрического генераторного модуля снабжена слоем теплоизолирующего материала.
Указанный технический результат достигается за счет следующего.
Благодаря тому, что горячий теплообменник выполнен в виде полой емкости, обращенной дном к дну сосуда для жидкости охлаждающего теплообменника, будет исключен при работе генератора прямой выход теплового потока к дну и стенкам сосуда и одновременно обеспечен приемлемый нагрев горячей поверхности термоэлектрического генераторного модуля (через дно емкости), что обеспечит достаточную эффективность предлагаемого генератора по выработке электроэнергии, т.к. будет достигнута высокая разность температур поверхностей модуля.
Снабжение горизонтальных «горячих» и «холодных» поверхностей термоэлектрического генераторного модуля слоем теплопроводящей пасты позволит обеспечить, во-первых, плотный прижим этих поверхностей к дну емкости и к дну сосуда соответственно, а во-вторых, увеличить разность температур на этих поверхностях за счет лучшей передачи тепла и холода, что приведет к повышению КПД.
Следует пояснить, что термоэлектрический генераторный модуль практически у всех генераторов является плоскостным набором из ряда последовательно соединенных термобатарей прямоугольной или квадратной формы, например, марки ТЭС1-12709, включающих полупроводниковые термоэлементы. Причем они размещены на плоскости дна емкости таким образом, что всегда имеются в наличии свободные участки этого дна (например, плоскость круглой или элипсовидной формы невозможно всю заполнить прямоугольными или квадратными термобатареями). Вот эти свободные участки как дна емкости, так и дна сосуда, снабжены слоем термостойкого силиконового клея-герметика, который, по сути, склеивает холодный и горячий теплообменники друг с другом, обеспечивая их соединение, а значит - исключение смещения термобатарей модуля, что работает на повышение эффективности по выработке электроэнергии генератором.
Токоотводы указанного генераторного модуля соединены с токосъемной колодкой.
Благодаря наличию на боковых стенках емкости и сосуда слоя теплоизолирующго материала, обеспечивается сохранение высокой разности температур горячего и охлаждающего термообменников.
Снабжение генератора раструбом в форме усеченного полого конуса, обращенного стороной с большим диаметром в сторону охлаждающего теплообменника, и который стороной с меньшим диаметром закреплен в зоне размещения термоэлектрического генераторного модуля, обеспечивает практически полное исключение влияния конвекционного теплового потока на боковые стенки охлаждающего теплообменника (этот поток горячего воздуха «уходит», отводится по боковым стенкам конуса в пространство, не соприкасаясь с сосудом), что позволяет исключить его дополнительный нагрев, а значит, обеспечивает поддержание приемлемой разности температур между горячей и холодной поверхностями термоэлектрического генераторного модуля, что способствует повышению КПД.
Причем следует отметить, что максимально этот эффект достигается в том случае, если высота указанного усеченного конуса составляет величину 80% от высоты боковой стенки сосуда, а соотношение его малого диаметра к большому составляет 1:1,2 соответственно. Было установлено, что в случае изменения этих величин в меньшую сторону, имеется риск передачи тепла от теплового потока боковым стенкам сосуда, т.к. будет мало расстояние между стенками сосуда и стенками конуса, а увеличение этих величин выше заявленных нецелесообразно, т.к. будут существенно изменены размеры генератора, что неудобно при транспортировке, и в то же время это не отразится на теплопередаче.
Кроме того, указанный усеченный конус может быть выполнен и в виде набора трапецевидных лепестков, закрепленных меньшей стороной в зоне установки термоэлектрического генераторного модуля, преимущественно, к дну сосуда, и выполненных с возможностью «зонтичного» раскрытия в радиальном направлении с образованием в раскрытом состоянии своего рода раструба. Такое конструктивное выполнение усеченного конуса позволит, наряду с защитой боковых стенок сосуда, еще и обеспечить компактность всего генератора, что особенно важно при использовании его в полевых условиях.
Благодаря использованию в качестве охлаждающего агента в сосуде охлаждающего теплообменника воды, или антифриза, или тосола, или снега, или льда, обеспечивается универсальность генератора и возможность его использования в холодное и теплое время года.
Снабжение сосуда охлаждающего теплообменника водяной помпой с выносным радиатором обеспечит более выраженный эффект охлаждения, что позволит повысить КПД генератора.
Размещение в полости емкости горячего теплообменника источника тепла, например, газовой или спиртовой горелки или костра, обеспечит работу генератора по выработке электроэнергии.
Снабжение емкости горячего теплообменника стойками позволит устанавливать предлагаемый генератор над источником тепла.
Таким образом, указанный технический результат достигается только всей совокупностью конструктивных признаков, изложенной в формуле изобретения.
Кроме того, следует подчеркнуть, что указанная совокупность признаков в формуле находится в функционально-конструктивном единстве для предлагаемого технического решения, и исключение хотя бы одного из них нарушит это единство, т.к.:
- во-первых, представляет собой один объект в виде единой конструкции, конструктивные элементы которой соединены, сочленены между собой сборочными операциями, и в соединении обеспечивают реализацию предлагаемым термоэлектрическим генератором общего функционального назначения;
- во вторых, исключение хотя бы одного признака из конструкции не обеспечит достижение поставленного технического результата;
- а в-третьих, исключение хотя бы одного признака из конструкции также не обеспечит реализацию назначения, т.е. может привести к несоответствию критерию «промышленная применимость».
Таким образом, предлагаемое изобретение характеризуется совокупностью взаимообусловленных признаков, которые все участвуют в обеспечении достижения технического результата, т.к. этот результат проявляется только при использовании этого технического решения в целом.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 показан общий вид заявляемого генератора.
Заявляемый термоэлектрический генератор содержит охлаждающий теплообменник, выполненный в виде сосуда 1 для охлаждающего агента 2, например, воды, тосола, антифриза, снега, льда; горячий теплообменник, выполненный в виде полой емкости 3, обращенной дном к дну сосуда 1 для жидкости охлаждающего теплообменника. Между дном сосуда и дном емкости размещен термоэлектрический генераторный модуль 4, имеющий «горячие» (обращенные к дну емкости 3) и «холодные» (обращенные к дну сосуда 1) горизонтальные поверхности. Указанный генераторный модуль 4 может быть выполнен, например, в виде плоскостного набора из ряда последовательно соединенных термобатарей прямоугольной или квадратной формы, например, марки ТЭС1-12709, включающих полупроводниковые термоэлементы. Выводы 5 указанного генераторного модуля 4 соединены токоотводами 6 с токосъемной колодкой. Горизонтальные «горячие» и «холодные» поверхности термоэлектрического генераторного модуля снабжены слоем теплопроводящей пасты 7, а участки дна емкости 3 горячего теплообменника и дна сосуда 1 охлаждающего теплообменника, свободные от наличия поверхностей указанного модуля, снабжены слоем термостойкого силиконового клея-герметика 8 (например, если дно емкости и/или сосуда круглой формы, то на нем не разместить прямоугольные и квадратные модули на всей поверхности, обязательно останутся свободные участки. А если даже дно емкости или сосуда будет прямоугольной формы, то оставляют свободные участки для размещения на низ указанного клея-герметика 8). Боковые стенки 9 емкости 3 и боковые стенки 10 сосуда 1 покрыты теплоизолирующим материалом 11, например, вспененным фольгированным полиэтиленом толщиной 10 мм. Также генератор содержит защитный раструб в форме усеченного полого конуса 12, обращенного стороной 13 с большим диаметром в сторону охлаждающего теплообменника 1, и который стороной 14 с меньшим диаметром закреплен в зоне размещения у дна сосуда 1. Причем высота указанного усеченного конуса 12 составляет величину 80% от высоты боковой стенки сосуда, а соотношение его большего диаметра к малому составляет 1,2:1. Указанный усеченный полый конус 12 может быть выполнен в виде набора трапецевидных лепестков, закрепленных одной стороной в зоне установки термоэлектрического генераторного модуля 4 (например, закрепленном у дна сосуда 1), и выполненных с возможностью «зонтичного» раскрытия верхней части лепестков в радиальном направлении. В транспортном положении эти лепестки могут быть зафиксированы, например, поясом, а при его снятии будет происходить «зонтичное» раскрытие этих лепестков с образованием конусной поверхности.
В преимущественном варианте выполнения сосуд 1 охлаждающего теплообменника может быть дополнительно снабжен при необходимости водяной помпой 15 с выносным радиатором 16 для обеспечения более выраженного эффекта охлаждения, что позволит повысить КПД генератора. В полевых условиях возможна замена этого радиатора, например, водоемом. Кроме того, емкость 3 горячего теплообменника может быть снабжена стойками 17.
Предлагаемый термоэлектрический генератор работает следующим образом. В качестве источника тепла используют, например, газовую или спиртовую горелку 18, дрова, щепу (т.е. возобновляемые источники энергии), который располагают у «входа» в емкость 3 горячего теплообменника. Сосуд 1 заполняют охлаждающей жидкостью, например, заливают водой (в зимних условиях возможно заполнение сосуда 1 снегом или льдом). После того, как подожгли горелку источника тепла 18, тепловой поток продуктов сгорания омывает внутреннюю поверхность и дно емкости 3. Тепловой поток проходит через термоэлектрический генераторный модуль 4, создает на термоэлементах перепад (разность) температуры (за счет нагрева горячей поверхности, обращенной к дну емкости 3 и охлаждения холодной поверхности, обращенной к дну сосуда 1), и за счет эффекта Зеебека генерируется термоэлектродвижущая сила (термоЭДС) и по токоотводам 6 в полезную нагрузку (не показано) поступает полезная электрическая энергия. Отработанное тепло поступает на сосуд 1 и происходит частичный нагрев жидкости в нем, обеспечивающее стабильность температуры холодных спаев термоэлементов во всех термоэлектрических батареях генераторного модуля 4 при различных температурах окружающей среды.
При нагреве емкости 3 будет происходить, помимо нагрева ее стенок и дна, конвекция нагретого воздуха и его выход за пределы емкости 3, который устремляется вверх к сосуду 1 с возможностью нагрева его стенок. Однако установленный защитный раструб в виде усеченного конуса 12 обеспечивает отвод этого нагретого воздуха от боковых стенок сосуда 1, что способствует исключению его дополнительного нагрева, а значит, обеспечивает поддержание приемлемой разности температур между горячей и холодной поверхностями термоэлектрического генераторного модуля, что способствует повышению КПД и более продолжительной работы.
Известный, широко используемый бытовой генератор термоэлектрический марки 1TG-8, имеет номинальную генерируемую мощность 8 Вт; выходное напряжение, 3-12 В; ток 660-2660 мА.
Предлагаемый бытовой термоэлектрогенератор имеет номинальную генерируемую мощность 10 Вт; выходное напряжение, 3-12 В; ток 700-1000 мА и при этом время его работы при одном цикле заливки жидкости (тоже 1 л) в сосуд на 20% больше, чем у 1TG-8.
Условия эксплуатации: на открытом воздухе и в помещении, при температуре от -35 до +35єС, при нагреве «горячей» части термоэлектрогенератора не более +150єC.
Описываемый термоэлектрический генератор может быть изготовлен с использованием широко применяемых на практике средств.
В бытовых и полевых условиях предлагаемый генератор может быть использован для подзарядки аккумуляторов мобильного телефона, радиостанции, видеокамеры, эхолота, навигатора, ноутбука, автомобиля; для обеспечения электроэнергией маломощных потребителей радиоприемника, магнитофона, миникомпьютера, телевизора; для локального освещения.
При этом источниками тепла могут служить газовая или бензиновая горелка, керогаз, примус, печь с конфорками, угли костра и любые другие источники с открытым пламенем.