Термоэлектрический генератор

Полезная модель относится к оборудованию энергетических установок, генерирующих электроэнергию, и предназначена для использования на объектах газовой промышленности.
В настоящее время для выработки электрической энергии при редуцировании сжатого газа широко используется эффект Ранка-Хилша и Зеебека.
Известны устройства, в которых для выработки электроэнергии используются эффекты Зеебека (патент RU №2417337 С2, опубл. 24.03.2009), в котором описан способ электроснабжения автономно функционирующих газоредуцирующих объектов на основе эффектов Ранка Хилша и Зеебека. При реализации способа часть потока сжатого природного газа перед редуцирующим объектом отделяется от основного потока и направляется в энергоразделяющее устройство - вихревую трубу.
Недостатком этого технического решения является низкий коэффициент полезного действия вихревой трубы, вследствие чего невозможно достичь высокой разницы температур горячего и холодного газа, что приводит к снижению мощности электрического тока, вырабатываемого термоэлектрическим генератором.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является Электрогенерирующее устройство на основе термоэлектричества и детандирования газа (патент RU на полезную модель №190354, МПК F17D 1/04, опубл. 28.06.2019). Это устройство включает в себя термоэлектрический генератор, снабженный стальным цилиндром, выполненным в виде короткозамкнутого витка и контактирующим с термоэлектрическими элементами цилиндрической формы, газовой турбиной, выполненной с возможностью вращения магнитного ротора в стальном цилиндре, и сопловым направляющим аппаратом перед лопатками газовой турбины.
Недостатками этого устройства является то, что стальной цилиндр с двух сторон покрыт термоэлектрическими элементами - в данном случае корректно работают только термоэлектрические элементы на внешней стороне стальной трубы, поскольку с одной стороны их греет труба, а с другой охлаждает поток газа. Термоэлектрические элементы внутри трубы также получают нагрев от трубы, а вот охлаждение от потока газа практически отсутствует, так как там будет иметь место застойная зона. Помимо сказанного термоэлектрические элементы, как правило, имеют форму параллелепипеда и, потому, устанавливаться на цилиндрическую трубу могут только через дополнительные проставки, или термоэлектрические элементы будут не полностью прилегать к поверхности трубы, что также снизит эффективность работы, ввиду уменьшения площади прилегающей поверхности (площади теплопередачи). Следствием этого является низкий коэффициент полезного действия.
Технической задачей полезной модели является обеспечение наибольшей разницы температур между потоками холодного и горячего газа за счет увеличения площади теплопередачи.
Техническим результатом является увеличение эффективности работы устройства.
Указанная задача решается за счет того, что термоэлектрический генератор выполнен в виде корпуса, содержащего турбину, подвижный ротор, включающий постоянные магниты, и неподвижный несущий статор с центральным отверстием и пазами, на котором установлены термоэлектрические элементы. Новым является то, что в центральное отверстие статора установлена ферромагнитная труба, а термоэлектрические элементы установлены на плоских площадках только на внешней стороне статора, имеющей в сечении форму многогранника, при этом поверх термоэлектрических элементов установлены радиаторы, выполненные в виде пластин с оребрением. Несущий статор выполнен парамагнитным.
В предложенной конструкции термоэлектрические элементы устанавливаются исключительно с внешней стороны статора, что гарантирует наибольшую эффективность их работы ввиду наибольшей разницы температур между поверхностью статора и потоком холодного газа. На цилиндрическую трубу устанавливается алюминиевый статор, имеющий плоские площадки для установки термоэлектрических элементов, что обеспечивает полное прилегание плоских поверхностей термоэлектрических элементов к поверхности алюминиевого парамагнитного статора, ввиду чего площадь теплопередачи будет максимальной, и, следовательно, теплопередача наиболее эффективной. Статор, выполненный из парамагнитного материала, ввиду свойств материала не меняет магнитную массу, а, следовательно, ротор не будет иметь переменный момент сопротивления вращению, что положительно сказывается на надежности конструкции. В силу того, что поверх термоэлектрических элементов установлены пластины с оребрением, происходит интенсификация передачи температуры газа к термоэлектрическим элементам.
На фиг. 1 показан предлагаемый термоэлектрический генератор, продольный разрез;
на фиг. 2 - то же, вид справа, поперечный разрез.
Термоэлектрический генератор представляет собой корпус 1, содержащий турбину с подвижным ротором 2 и неподвижный несущий статор 3. Несущий статор 3 представляет собой парамагнитный корпус с центральным отверстием и набором пазов по всей внешней поверхности. Во внешних пазах корпуса установлены термоэлектрические элементы 4 и полностью прилегают к нему одной стороной. Вторая сторона термоэлектрических элементов покрыта радиаторами 5, также закрепленными на несущем статоре 3. Внутрь центрального отверстия статора установлена ферромагнитная труба 6. Внутри трубы располагается и может свободно вращаться ротор турбины 2, удерживающий постоянные магниты 7.
Принцип работы: рабочее тело (далее РТ) поступает во впускное отверстие изделия 8, проходит через сопловой аппарат турбины 9. В сопловом аппарате 9 (ввиду наличия разницы давлений между впускным 8 и выпускным 11 отверстиями основного корпуса) происходит расширение РТ и увеличение скорости движения РТ. РТ попадает на рабочее колесо турбины 10, приводя ротор 2 во вращательное движение. При вращении ротора постоянные магниты 7, установленные в отверстиях ротора, индуцируют вихревые токи в ферромагнитной трубе 6 статора. В результате действия вихревых токов труба статора нагревается. Посредством теплообмена между трубой 6 и термоэлектрическими элементами 4 со стороны статора последние нагреваются. Охлажденное в процессе расширения РТ протекает вдоль радиаторов 5 и охлаждает их, что приводит к охлаждению второй стороны термоэлектрических элементов. Вследствие разницы температур на поверхностях термоэлектрические элементы вырабатывают электрический ток.
Такое выполнение термоэлектрического генератора повышает эффективность и надежность работы устройства.