ТЕПЛОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
THERMAL ELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к теплоэлектроэнергетике, а именно, для повышения КПД теплогенератора путем одновременного получения тепловой и электрической энергии в одном аппарате.
Известна термоэмиссионная надстройка к тепловым электростанциям с топкой котла (камерой сгорания) и парогенерирующими (трубами теплоносителя), содержащая термоэмиссионные преобразователи с анодными теплотоковыводами и узлы крепления указанных преобразователей к парогенерирущим трубам (трубами теплоносителя) [А.с. РФ №966791, МПК F24J 45/00, 1982].
Основными недостатками известного устройства являются сложная конструкций термоэмиссионного преобразователя (ТЭП), системы теплоотвода и узлов крепления его к трубам теплоносителя, что снижает его надежность и эффективность.
Более близким по технической сущности к, предлагаемому изобретению является теплоэлектрический генератор, содержащий вертикальный корпус, состоящий из прямоугольного короба, выполненного из диэлектрического материала с низкой теплопроводностью, соединенный сверху с отводящим газоходом, снизу с камерой сгорания, внутри которого помещены ряды теплоэлектрических звеньев (ТЭЗ), представляющих собой металлические трубы теплоносителя, соединенных между собой калачами, покрытые несколькими кольцевыми изоляционными слоями, выполненные из диэлектрических материалов с высокой и низкой теплопроводностью, покрытых металлическими обечайками, в которых вокруг металлической трубы теплоносителя по ее длине помещены по очередности термоэмиссионные преобразователи (ТЭП) большего и меньшего диаметров, каждый из которых состоит из большого двухслойного горячего кольца, слои которого плотно прижаты друг к другу и выполнены из двух разных металлов M1 и М2, расположенного в зоне нагрева и малого однослойного холодного кольца, выполненного из металла M1, расположенного в зоне охлаждения, соединенные между собой радиальными и продольными перемычками, также выполненными из упомянутых металлов M1 и М2, последние по счету ТЭП каждого ТЭЗ соединены с первыми по счету ТЭП последующего ТЭЗ электропроводкой, свободные концы ТЭП последнего верхнего и первого нижнего ТЭЗ соединены с токовыводами [Патент РФ №2425295, МПК F24H 3/00, 2011].
Основными недостатками известного устройства являются низкая скорость теплопередачи в термоэлектрических звеньях, обусловленная высоким термическим сопротивлением из-за наличия нескольких изоляционных слоев на наружной поверхности металлической трубы теплоносителя, наличие которых также усложняет конструкцию термоэлектрических звеньев и невозможность получения термоэлектричества в ТЭГ в случае отказа одной из них, недостаточная площадь поверхности теплопередачи со стороны горячих газов и низкая эффективность по получаемому току, обусловленная тем, что компоновка ТЭП в термоэлектрических звеньях создает высокое электрическое сопротивление, в связи с чем происходят значительные потери силы тока, что снижает его надежность и эффективность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности теплоэлектрического генератора.
Технический результат достигается тем, что предлагаемый теплоэлектрогенератор содержит вертикальный корпус, состоящий из прямоугольного короба, выполненного из диэлектрического материала с низкой теплопроводностью, соединенного сверху с отводящим газоходом (дымовой трубой), снизу - с камерой сгорания (топкой), внутри которого помещены ряды теплоэлектрических звеньев, представляющие собой металлические трубы теплоносителя, торцы которых снаружи соединены между собой по теплоносителю по горизонтали и вертикали калачами, а их верхние и нижние свободные торцы соединены с входным и выходным патрубками, причем каждая металлическая труба теплоносителя, покрыта изоляционным слоем из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, выполненным в форме кольцевого оребрения с кольцевыми ребрами, внутри которого, повторяя очертания его продольного разреза по длине всей трубы теплоносителя помещены парные зигзагообразные ряды теплоэлектрических секций, одиночные ряды которых состоят, из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей, каждый из которых состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов M1 и М2, концы которых сплющены, плотно прижаты друг к другу и расположены в зоне нагрева и охлаждения, вблизи кромки ребер и поверхности трубы теплоносителя, свободные концы одиночных рядов каждого парного ряда, с одного конца теплоэлектрического звена соединены между собой перемычками, а с противоположного - присоединены к шинам с одноименными зарядами, соединенным с токовыводами.
На фиг.1-2 представлены общий вид и разрез теплоэлектрического генератора (ТЭГ), на фиг.3-7 - основной узел - теплоэлектрическое звено (ТЭЗ).
Предлагаемый ТЭГ содержит вертикальный корпус 1, состоящий из прямоугольного короба 2, выполненного из диэлектрического материала с низкой теплопроводностью, соединенного сверху с отводящим газоходом (дымовой трубой) 3, снизу - с камерой сгорания (топкой) 4, внутри которого помещены ряды теплоэлектрических звеньев (ТЭЗ) 5, представляющие собой металлические трубы теплоносителя 6, торцы которых снаружи соединены между собой по теплоносителю по горизонтали и вертикали калачами 7 и 8, соответственно, а их верхние и нижние свободные торцы соединены с входным и выходным патрубками 9 и 10, соответственно. Каждая металлическая труба теплоносителя 6, покрыта изоляционным слоем из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью 12, выполненным в форме кольцевого оребрения с кольцевыми ребрами 13, внутри которого, повторяя очертания его продольного разреза по длине всей трубы 6 помещены парные зигзагообразные ряды теплоэлектрических секций (ТЭС) ПР, одиночные ряды которых I и II состоят, из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 14. Каждый ТЭП 14 состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов M1 и М2, концы которых расплющены и плотно прижаты друг к другу и расположены в зоне нагрева и охлаждения, вблизи кромки ребра 13 и поверхности трубы 6, соответственно, причем свободные концы одиночных рядов I и II каждого парного ряда ПР, с одной стороны ТЭЗ соединены между собой перемычками 15, а с противоположной присоединены к шинам с одноименными зарядами 16 и 17, соединенных с токовыводами 18 и 19, соответственно.
Предлагаемый ТЭГ, представленный на фиг.1-7, работает следующим образом.
ГН
ГК
ВН
ВК
После заполнения труб теплоносителя 6 водой, создания в них ее циркуляции и начала горения топлива из камеры сгорания 4 ТЭГ дымовые газы поступают в межтрубное пространство короба 2 с начальной температурой t» двигаясь снизу вверх, омывают наружную поверхность ТЭЗ 5, отдавая им свое тепло, охлаждаются до заданной температуры t и выбрасываются из дымовой трубы 3 в атмосферу. При этом, в результате теплообмена между дымовыми газами через поверхность ограждений ТЭЗ 5 и водой, поступающей через патрубок 9 и движущейся сверху вниз, по трубам теплоносителя 6 ТЭЗ 5, калачами 7 и 8, вода нагревается от температуры t до температуры t и через патрубок 10 подается потребителю (на фиг.1-7 не показан). Одновременно, в результате процесса конвективной теплопередачи от дымовых газов нагревается зона нагрева, состоящая из ребер 13 диэлектрического материала с высокой теплопроводностью 12, от которого основной поток тепла передается за. счет теплопроводности двухслойным расплющенным концам ТЭП 14, выполненным из металлов M1 и М2 конструкция которых позволяет увеличить количество воспринимаемого тепла за счет повышенной площади их контакта с зоной нагрева и высокой площади контакта слоев металлов M1 и М2, соединенных между собой (например, спайкой), которые нагреваются при этом. Кроме того, процесс теплообмена от материала 12 к спаям металлов M1 и М2 ТЭП 14 интенсифицируется за счет передачи его теплопроводностью, скорость которой при высоком значении коэффициента теплопроводности значительно выше,. чем скорость передачи тепла за счет конвекции [И.Н. Сушкин. Теплотехника. - М.: «Металлургия», 1973, с.195-198]. Одновременно осуществляется охлаждение двухслойных расплющенных концам ТЭП 14, выполненных из металлов M1 и М2, расположенных параллельно поверхности трубы теплоносителя 6 в холодной зоне в промежутке между смежными ребрами 13 за счет передачи тепла теплопроводностью через слой материала 12, обладающего высокой теплопроводностью к стенкам труб теплоносителя 6, откуда тепло передается конвекцией к нагревамой воде. Нагрев двухслойных спаев, состоящих из плотно соединенных между собой слоев металлов M1 и М2, расположенных в зоне нагрева и охлаждение двухслойных, выполненных также из металлов M1 и М2, расположенных в зоне охлаждения каждой ТЭП 14, соединенных между собой, создает эмиссию электронов во всех ТЭП 14 и, соответственно, возникновение в парных зигзагообразных рядах ПР всех ТЭЗ 5 термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. - М: «Наука», 1970, с.502-506], которое суммируется на шинах 16 и 17 и через тоководы 18 и 19 поступает на трансформаторы, где создается требуемое напряжение и сила тока (на фиг.1-7 не показаны) и подается потребителю.
ГН
ГК
ВН
ВК
Величина начальной температуры дымовых газов t определяется видом топлива и конструкцией камеры сгорания (топки), их конечная температура t - составом дымовых газов и требуемым температурным напором. Значения начальной и конечной температур нагреваемой воды t и t определяются технологическим регламентом и требованиями потребителя тепла. Величина разности электрического потенциала и силы тока на токовыводах 18 и 19 одной ТЭЗ зависит от характеристик пары металлов M1 и М2, из которых изготовлены ТЭП 14, их количества в парных рядах ПР, числа ПР в каждой ТЭЗ 5. Требуемые напряжение U и силу тока I ТЭГ получают путем установки соответствующего числа ТЭЗ 5, суммирования и трансформации получаемого ими тока.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет упростить конструкцию ТЭЗ и автономизировать выработку термоэлектричества каждой их них, интенсифицировать процесс теплопередачи от дымовых газов к нагреваемой воде и увеличить количество и параметры получаемой в каждом ТЭЗ электрической энергии, что повышает надежность и эффективность теплоэлектрогенератора.