ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

Полезная модель относится к области энергетики, точнее, к системам преобразования тепловой энергии в электрическую, конкретно к устройствам для выработки электроэнергии с использованием тепловой энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, и предназначена для использования, преимущественно, в транспортном машиностроении.
Из уровня техники известны разнообразные системы утилизации тепла с прямым преобразованием энергии для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) посредством термоэлектрических генераторов.
Например, из описания к патенту DE №102009058550, 2011 г. известен термоэлектрический генератор, в котором круглый теплообменный аппарат, выполненный из двух частей, имеющих продольные ребра, образующие каналы для прохождения отработавших газов, с термоэлектрическими модулями на нем расположен внутри трубы системы выпуска отработавших газов ДВС. При этом обе части теплообменного аппарата соединены через упругие элементы, обеспечивающие необходимое усилие сжатия для фиксации термоэлектрических элементов. Охладители в таком генераторе находятся внутри теплообменного аппарата (фиг. 7 и 8), в результате чего к средствам обеспечения герметичности систем охлаждения и выпуска отработавших газов в точках подвода и отвода охлаждающей жидкости предъявляются повышенные требования, реализация которых зачастую конструктивно усложнена.
Упрощается система подвода и отвода охлаждающей жидкости, выполняющей роль холодного теплоносителя в термоэлектрических генераторах, при размещении термоэлектрических модулей и охладителей вне канала подачи отработавших газов.
Например, в термоэлектрическом генераторе по заявке WO №2015004486, 2015 г., шестигранный теплообменный аппарат, оснащенный поперечными ребрами переменной высоты, подсоединен к трубе выпуска отработавших газов ДВС, а термоэлектрические модули и шесть охладителей с каналами для охлаждающей жидкости расположены вокруг теплообменного аппарата, что упрощает систему ее подвода и отвода. Однако, значительная часть потока отработавших газов в этом аналоге не контактирует с поперечными ребрами - это снижает теплоотдачу теплообменному аппарату, и, как следствие, снижается эффективность рекуперации таким генератором тепловой энергии отработавших газов.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа предлагаемой полезной модели, является встроенный в систему управления выбросом выхлопных газов термоэлектрический генератор по патенту US №7467513, 2008 г., (фиг. 2), содержащий каркас с размещенным внутри него теплообменным аппаратом, термоэлектрические модули и охладители, в котором теплообменный аппарат имеет квадратную в сечении форму и составлен из четырех отдельных треугольных секций. Каждая секция теплообменного аппарата генератора состоит из теплопроводящей стенки и ряда продольных разновысоких ребер, образующих каналы для прохождения отработавших газов. Охладители (емкости с охлаждающей жидкостью) установлены на каркасе, а термоэлектрические модули помещены между теплопроводящими стенками теплообменного аппарата и охладителями с возможностью относительного перемещения.
В прототипе продольные ребра секций теплообменного аппарата имеют постоянную по направлению потока отработавших газов высоту, а образованные ими каналы для прохождения отработавших газов постоянную в поперечном сечении секции ширину, что следует отнести к его недостаткам, поскольку это приводит к неравномерности температуры на горячей стороне термоэлектрических модулей, и, следовательно, изменению градиента температур на горячей и холодной сторонах модулей, что снижает эффективность работы термоэлектрического генератора в целом.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, направлена на повышение эффективности термоэлектрического генератора.
Технический результат, получаемый при реализации полезной модели, состоит в повышении коэффициента полезного действия термоэлектрического генератора путем выравнивания температуры на горячей стороне термоэлектрических модулей, как в продольном, так и в поперечном сечении.
Технический результат достигается тем, что в термоэлектрическом генераторе, преимущественно для системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащем составленный из отдельных треугольных секций теплообменный аппарат квадратной в сечении формы с четырьмя теплопроводящими стенками, каждая из которых снабжена рядами продольных разновысоких в поперечном сечении ребер, образующих каналы для прохождения отработавших газов с постоянной вдоль теплообменного аппарата шириной; охладители, установленные вдоль каждой теплопроводящей стенки теплообменного аппарата с возможностью подключения к системе охлаждения ДВС, а также размещенные между теплопроводящими стенками теплообменного аппарата и охладителями термоэлектрические модули, соединенные в электрическую цепь, в отличие от известных аналогов, продольные ребра теплообменного аппарата по длине имеют переменную высоту, увеличивающуюся по направлению потока отработавших газов от нуля до максимального значения, каналы для прохождения отработавших газов между ними выполнены с шириной, изменяющейся в поперечном сечении секций таким образом, что в направлениях от центральной оси секции к ее периферийным концам ширина каждого последующего канала увеличивается по сравнению с предыдущим на определенную постоянную величину, при этом охладители, расположенные оппозитно друг другу, попарно стянуты между собой посредством крепежных элементов с обеспечением плотного контакта компонентов в системе «теплообменный аппарат - термоэлектрические модули-охладители».
Сущность полезной модели проиллюстрирована чертежами, где: на фиг. 1 дан общий вид термоэлектрического генератора (в изометрии); на фиг. 2 - то же в поперечном разрезе; на фиг. 3 - вид секции теплообменного аппарата в продольном сечении; на фиг. 4 - то же в поперечном сечении.
Для установки термоэлектрического генератора в системе выпуска отработавших газов ДВС в нем предусмотрены два фланца 1, закрепленных на торцах теплообменного аппарата 2, имеющего в сечении квадратную форму, образованную четырьмя жестко скрепленными между собой треугольными секциями 3 (фиг. 2). Каждая из этих секций в поперечном сечении имеет вид гребенки и содержит теплопроводную стенку 4 и продольные разновысокие ребра 5, образующие каналы 6 для прохождения отработавших газов ДВС (фиг. 4). При этом высота ребер 5 по направлению потока отработавших газов тоже переменная - увеличивается от нуля до максимального значения.
Каналы 6 имеют постоянную по длине секции ширину, причем в поперечном сечении секции в направлениях от центральной оси к ее периферийным концам ширина каждого последующего канала увеличивается на определенную величину по сравнению с предыдущим.
Вдоль каждой стороны теплообменного аппарата 1 расположены термоэлектрические модули 7, которые горячей стороной контактируют с теплопроводными стенками 4, а холодной стороной - с охладителями 8.
Охладители 8 представляют собой емкости с циркулирующей в них охлаждающей жидкостью. Подача и отбор охлаждающей жидкости, а также ее распределение по охладителям 8 осуществляется с помощью впускного 9 и выпускного 10 коллекторов через отводы 11 и 12 соответственно.
Расположенные оппозитно друг другу охладители 8 попарно стягиваются между собой посредством крепежных элементов 13 - это обеспечивает надежный контакт термоэлектрических модулей 7 как с теплообменным аппаратом 1, так и с охладителями 8, попутно создавая жесткий каркас системы «теплообменный аппарат - термоэлектрические модули-охладители», что снимает необходимость в использовании для генератора корпуса или каркаса.
Для предотвращения чрезмерного сжатия термоэлектрических модулей 7 и компенсации теплового расширения составляющих генератора крепежные элементы 13 содержат пружинные шайбы 14 (фиг. 2).
Предложенные конструктивные параметры ребер 5 и каналов 6 между ними обеспечивают выравнивание температуры на горячей стороне термоэлектрических модулей 7, как в продольном, так и в поперечном сечении.
Поскольку температура отработавших газов ДВС по мере прохождения по теплообменному аппарату уменьшается, то для обеспечения неизменной интенсивности теплообмена, а, следовательно, и температуры на горячей стороне термоэлектрических модулей, непосредственно контактирующих с теплопроводной стенкой теплообменного аппарата, требуется увеличение площади теплообмена, что и достигается увеличением высоты ребер в продольном сечении по направлению потока отработавших газов от нуля до максимального значения.
Выравнивание температуры на горячей стороне термоэлектрических модулей в поперечном сечении достигается увеличением ширины каналов для отработавших газов от центра секции теплообменного аппарата к ее периферии. Скорость движения отработавших газов ДВС в поперечном сечении теплообменного аппарата термоэлектрического генератора уменьшается от центральной части потока к его периферии, поэтому для обеспечения неизменной интенсивности теплообмена, а, следовательно, и температуры на горячей стороне термоэлектрических модулей, требуется увеличение проходного сечения на периферии, что и достигается увеличением ширины каналов.
Известно, что выравнивание температуры на горячей стороне термоэлектрических модулей является не только важным фактором, влияющим на производительность термоэлектрического генератора, но и способствует увеличению срока службы термоэлектрических модулей, а термоэлектрический модуль работает с максимальным коэффициентом полезного действия при выполнении условия равенства внутреннего сопротивления и сопротивления активной нагрузки. Следовательно, достигнутое выравнивание величин температурных градиентов в предлагаемом решении позволяет выбрать оптимальную нагрузку для каждого отдельного типоразмера предлагаемого термоэлектрического генератора и, как следствие, увеличить коэффициент полезного действия термоэлектрического генератора в целом.
Работа генератора осуществляется следующим образом.
Отработавшие газы от ДВС проходят внутри теплообменного аппарата 2 и далее в систему выпуска отработавших газов. По мере прохождения внутри теплообменного аппарата по каналам 6 температура отработавших газов падает, а температура теплопроводных стенок 4 аппарата 2 растет. Одновременно с этим охлаждающая жидкость из системы охлаждения ДВС (не показана) подается во впускной коллектор 9, откуда она попадает в охладители 8. Таким образом, при постоянной подаче отработавших газов от ДВС и циркуляции охлаждающей жидкости между горячими и холодными сторонами термоэлектрических модулей 7, поддерживается градиент температуры, вызывающий эффект Зеебека, заключающийся в возникновении электродвижущей силы при наличии разницы температур в контактах замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных проводников. На этом основании в термоэлектрических модулях 7 происходит преобразование тепловой энергии отработавших газов в электрическую энергию с определенным коэффициентом полезного действия, который зависит от разницы температур холодной и горячей стороны:
2
1
TGM
1
TGM
Q=Q-N=Q·(1-η), где:
2
Q - мощность теплового потока от отработавших газов к термоэлектрическим модулям, Вт;
1
Q - мощность теплового потока от термоэлектрических модулей к охлаждающей жидкости, Вт;
TGM
N - выходная электрическая мощность термоэлектрического генератора, Вт;
TGM
η - коэффициент термоэлектрического преобразования.
Полученная в результате работы термоэлектрического генератора электрическая энергия может быть использована как непосредственно для питания потребителей бортовой сети транспортного средства, так и для заряда аккумуляторной батареи.
Реализация полезной модели не требует вложения значительных капитальных вложений, может быть изготовлена в условиях действующего производства с использованием широкодоступных материалов и комплектующих и позволяет достигнуть следующих результатов:
- увеличение коэффициента полезного действия термоэлектрического генератора;
- величины электрической мощности термоэлектрического генератора, не менее 1 кВт.