ОТОПИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
HEATING DEVICE WITH THERMOELECTRIC GENERATOR, AND THERMOELECTRIC GENERATOR

Группа изобретений относится к бытовому отопительному оборудованию, преобразующему энергию горения топлива в тепловую. Первым заявляемым объектом является комбинированное отопительное устройство - отопительный прибор, оснащенный дополнительным функциональным элементом -термоэлектрическим генератором (ТЭГ) для выработки электрической энергии. Вторым заявляемым объектом является дополнительный функциональный элемент, которым оснащено комбинированное отопительное устройство, а именно ТЭГ.
Известно множество отопительных устройств, в том числе малогабаритных отопительный печей. Так в патенте РФ 2290567 [Патент на изобретение РФ №2290567, опубл. 27.12.2006] описана переносная печь, изготовленная из листового железа с камерой сгорания топлива, топочной дверью с поддувальным отверстием и с дроссельным регулятором поступления воздуха. Печь обладает пониженной пожароопасностью, т.к. в ее дымовой трубе установлена поворотная перегородка, позволяющая регулировать процесс горения с переходом на режим беспламенного горения, снижающий температуру нагрева стенок печи. Эта и другие известные печи позволяют нагреть помещение и приготовить пищу. Они не предназначены для выполнения дополнительной функции - выработки электроэнергии.
http://www.hi-mind.info/technology/detail24.html]
Известна печь-гибрид SCORE [с информацией можно ознакомиться в сети Интернет по адресу: . Этот прибор, кроме нагревательной твердотопливной печи, имеет в своем составе термоакустический двигатель и термоакустический холодильник. Конструкция содержит два блока газонаполненных трубок, соединяющих попарно четыре теплообменника. Один из блоков получает тепло от печки и преобразовывает его в колебания: нагрев и охлаждение разных концов трубок вызывает резонанс акустических колебаний газа внутри. Между этими двумя блоками в SCORE встроен генератор электричества, питающийся за счет части энергии акустических колебаний. Такая печь имеет расширенные функциональные возможность - выработка электроэнергии. Основным недостатком конструкции является ее сложность.
В качестве прототипа первого объекта - комбинированного отопительного устройства выбран темоэлектрический бытовой генератор [Патент РФ 2348089, опубл. 27.02.2009]. Описанное в патенте устройство представляет собой отопительную печь, на стенке которой закреплены термоэлектрические генераторные модули. Отвод тепла от горячих спаев осуществляется при помощи системы циркуляции воды, которая содержит наполняемую водой емкость и пароводяной насос. Насос водоводами соединен с системой потребления теплой воды. Термоэлектрические генераторные модули, входящие в состав термоэлектрического генератора, установлены на опорной нагреваемой пластине, имеющей тепловой контакт с нагретой частью печи.
Описанный в патенте РФ 2348089 термоэлектрический генератор (ТЭГ) выбран в качестве прототипа второго объекта настоящего изобретения. Он содержит батарею термоэлектрических генераторных модулей, функционирование которых основано на эффекте Зеебека. Термоэлектрические генераторные модули отделены друг от друга теплоизоляцией и закреплены на тепловыравнивающей пластине, которая при помощи биметаллических защелок подвешена на опорной нагреваемой пластине, закрепляемой на стенке печи. Охлаждение горячих спаев термоэлектрических генераторных модулей осуществляется при помощи жидкостного теплоотвода - наполняемого водой теплообменника, входящего в систему циркуляции воды. При достижении на опорной пластине предельной рабочей температуры биметаллические защелки отводят тепловыравнивающую пластину от опорной пластины, что обеспечивает защиту модулей от перегрева.
Основными недостатками прототипа являются громоздкость устройства, обусловленная наличием водяной системы охлаждения холодных спаев термоэлектрических генераторных модулей, включающей баки и пароводяной насос, а также отсутствие возможности плавной регулировки напряжения на выходе ТЭГ в зависимости от роста температуры в печи. Последнее является следствием того, что при превышении температуры в печи выше заданного значения срабатывают биметаллические защелки и происходит скачкообразное поступательное перемещение тепловыравнивающей пластины в сторону от нагреваемой поверхности. Это приводит к снижению температуры на горячих спаях модулей и соответственно приводит к скачкообразному снижению напряжения на выходе ТЭГ. При обратном процессе, то есть при снижении температуры в печи ниже заданного значения, происходит скачкообразный возврат тепловыравнивающей пластины в исходное положение и соответствующее скачкообразное изменение напряжения на выходе ТЭГ. Резкие перепады напряжения снижают качество вырабатываемой энергии.
Ввиду того что процесс горения топлива в печи зависит от качества используемого топлива и его количества, находящегося в данный момент в топке, температурный режим является нестационарным и нерегулярным. Скачкообразные изменения параметров работы генератора приводят к снижению его надежности.
В основу изобретения поставлена задача расширения арсенала средств и создание нового надежного и эффективного многофункционального комбинированного отопительного устройства (способного наряду с основной отопительной функцией генерировать электрическую энергию), а также создание нового ТЭГа, входящего в состав комбинированного отопительного устройства. Комплексным достигаемым техническим результатом является снижение массогабаритных показателей отопительного устройства в целом, повышение надежности защиты ТЭГа от перегрева и обеспечение постоянного уровня генерируемого напряжения на выходе ТЭГа.
Далее по тексту термин «отопительное устройство» применен в отношении комбинированного отопительного устройства, включающего два основных функциональных элемента, одним из которых является собственно отопительный прибор (устройство, преобразующее энергию горения топлива в тепловую, например, печь, отопительная горелка, котел и т.д.), а другим - дополнительный функциональный элемент - ТЭГ.
Первый заявляемый объект изобретения - отопительное устройство - имеет в своем составе устройство, преобразующее энергию горения топлива в тепловую, на стенке которого закреплен термоэлектрический генератор. В состав ТЭГа входит опорная нагреваемая пластина, закрепляемая на стенке устройства, преобразующего энергию горения топлива в тепловую. На опорной нагреваемой пластине подвижно, с применением биметаллических пластин, закреплена тепловыравнивающая пластина с установленными на ней термоэлектрическими генераторными модулями. От прототипа отопительное устройство отличается тем, что тепловыравнивающая пластина закреплена на опорной нагреваемой пластине при помощи шарнира с горизонтальной поворотной осью. Биметаллические пластины установлены между опорной нагреваемой пластиной и тепловыравнивающей пластиной с обеспечением возможности поворачивающего воздействия на тепловыравнивающую пластину биметаллических пластин при их нагревании. Холодные спаи термоэлектрических генераторных модулей установлены на радиаторе воздушного охлаждения. Термоэлектрические генераторные модули могут быть установлены на тепловыравнивающей пластине через металлические теплопроводящие блоки с отделением модулей друг от друга теплоизоляционным материалом.
Термоэлектрический генератор может быть снабжен вентилятором, охлаждающим упомянутый радиатор и питаемым электроэнергией, вырабатываемой термоэлектрическим генератором. Возможная реализация, когда каждая биметаллическая пластина одним концом жестко закреплена в пазу, выполненном в тепловыравнивающей пластине со стороны ее края, противоположного расположению упомянутого шарнира, а другим свободным (незакрепленным) концом - с обеспечением возможности скользящего контакта с теплоизоляционной прокладкой, закрепленной на опорной нагреваемой пластине. Предпочтительным является закрепление ТЭГа на боковой стенке устройства, преобразующего энергию горения топлива в тепловую (например, печи). При этом тепловыравнивающая пластина подвешивается на шарнире, а каждая биметаллическая пластина одним концом закрепляется в пазу, выполненном в нижней части тепловыравнивающей пластины, а другим свободным (незакрепленным) концом - с обеспечением возможности скользящего контакта с теплоизоляционной прокладкой, закрепленной на опорной нагреваемой пластине.
Вторым заявляемым объектом изобретения является термоэлектрический генератор, входящий в состав первого объекта - отопительного устройства и закрепленный на стенке устройства, преобразующего энергию горения топлива в тепловую. Конструкционные особенности ТЭГ описаны выше при характеристике первого объекта изобретения.
Для того чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан предпочтительный вариант реализации применительно к отопительной бытовой дровяной печи, на боковой стенке которой снаружи размещен ТЭГ.
Пример реализации иллюстрируется чертежами, на которых представлено:
Фиг.1 - устройство в исходном состоянии (фрагмент), Фиг.2 - то же в нагретом состоянии.
Устройство имеет в своем составе печь, работающую на любом твердом топливе (дрова, уголь, торф, топливные брикеты). На стенке 1 печи закреплен один, или два (на противоположных стенках), или несколько термоэлектрических генераторов 2. Каждый термоэлектрический генератор 2 имеет средство для его подвижного закрепления на стенке 1 печи. Это средство включает опорную нагреваемую металлическую пластину 3, жестко соединенную со стенкой печи, и тепловыравнивающую металлическую пластину 4, являющуюся общим основанием для термоэлектрических генераторных модулей 5. Тепловыравнивающая пластина 4 подвешена на пластине 3 при помощи шарнира - петель 6 с горизонтальной осью вращения. Термоэлектрические генераторные модули 5 по горячей стороне установлены на металлических теплопроводящих блоках 7 и отделены друг от друга теплоизоляционным материалом 8. Холодные спаи модулей 5 контактируют с радиатором (одним или несколькими) воздушного охлаждения. Для улучшения теплоотвода радиатор может иметь массивные ребра 9, предпочтительно вертикально ориентированные. Термоэлектрический генератор может иметь вентилятор 10, питаемый электроэнергией, вырабатываемой самим ТЭГом (вентилятор собственных нужд). Элементы ТЭГа закрыты кожухом 11 с защитной решеткой 12.
Возможность создания регулируемого зазора между ТЭГом и стенкой печи обеспечивается применением биметаллических пластин 13, размещенных между тепловыравнивающей пластиной 4 и опорной нагреваемой пластиной 3. Биметаллические пластины имеют такую конструкцию и закреплены так, что при нагревании от тепловыравнивающей пластины они изгибаются и отодвигают от опорной нагреваемой пластины 3 подвешенную на петле 6 тепловыравнивающую пластину 4, поворачивая ее вокруг оси. Это может быть реализовано, например, так, как показано на чертежах: каждая биметаллическая пластина 13 одним концом жестко закреплена в пазу 14, выполненном со стороны ее края, противоположного тому, на котором закреплены петли, то есть в нижней части тепловыравнивающей пластины 4, а другим свободным (незакрепленным) концом - с обеспечением возможности скользящего контакта с теплоизоляционной прокладкой 15, закрепленной на опорной нагреваемой пластине. В этом примере биметаллическая пластина работает по принципу пластинчатой разжимающей пружины. Возможна любая другая приемлемая форма выполнения механизма поворота ТЭГа вокруг горизонтальной оси при помощи биметаллических пластин, меняющих свою форму при нагревании.
Устройство работает следующим образом.
При растопке печи и начальной фазе горения топлива температура стенок 1 печи невысока, пластины 3 и 4 сомкнуты, как это показано на Фиг.1. Форма биметаллических пластин 13 близка к плоской, их нижние концы находятся в пределах нижних частей пазов 14. Печь работает, как обычный отопительный прибор, преобразующий энергию горения топлива в тепловую энергию.
Тепловой поток проходит через стенку 1 печи, через сомкнутые пластины 3 и 4 и металлические теплопроводящие блоки 7 к термоэлектрическим генераторным модулям 5. Перепад температур между горячими спаями модулей 5 и их холодными спаями, установленными на радиаторе, приводит к генерированию термоэдс на выходах ТЭГ.
При выходе на режим выработки электроэнергии, обеспечивающий работу вентиляторов 10, они включаются, что приводит к повышению интенсивности охлаждения, повышению разности температур между спаями, а следовательно, к повышению напряжения на выходе ТЭГ. Кроме того, принудительный воздушный поток, создаваемый вентиляторами, повышает теплообмен воздушных масс в отапливаемом помещении.
По мере повышения температуры в печи, а следовательно, и температуры тепловыравнивающей пластины 4 жестко связанные с ней и имеющие хороший тепловой контакт биметаллические пластины 13 начинают изгибаться. Во избежание теплопередачи на биметаллические пластины 13 от опорной нагреваемой пластины 3 механический контакт биметаллических пластин 13 и опорной нагреваемой пластины 3 реализован через теплоизоляционную прокладку 15.
При достижении на биметаллической пластине 13 определенной температуры ее незакрепленный нижний конец начинает выходить из паза 14. Изгибаясь, как показано на Фиг.2, биметаллическая пластина 13 начинает отталкивать нижний конец пластины 4 от пластины 3. Пластина 4 вместе с закрепленными на ней термоэлектрическими генераторными модулями 5 поворачивается вокруг горизонтальной оси петли 6. Чем выше температура тепловыравнивающей пластины 4 (нагрев печи), тем на больший угол она поворачивается и тем больше становится воздушный зазор между пластинами 3 и 4. Увеличение теплового сопротивления снижает интенсивность нагрева тепловыравнивающей пластины 4. При уменьшении нагрева стенок печи тепловыравнивающая пластина 4 поворачивается в обратном направлении.
Реализованная таким образом термомеханическая отрицательная обратная связь позволяет поддерживать в заданных пределах температуру тепловыравнивающей пластины 4, а следовательно, горячих спаев термоэлектрических генераторных модулей 5, обеспечивая защиту термоэлектрических генераторных модулей от перегрева и стабилизацию выходного напряжения. Однако заявленная конструкция при отдельных конкретных исполнениях позволяет обеспечивать другой результат - плавность регулировки выходного напряжения ТЭГ от температуры нагрева.
В описанном примере силовая нагрузка на биметаллические пластины 13 минимальна, т.к. основными несущими элементами являются петли 6. Биметаллические пластины 13 выполняют в основном регулирующую функцию, обеспечивая высокую чувствительность, надежность и долговременную стабильность управления.
Возможна реализация заявленного устройства, когда ТЭГ закреплен на шарнире (петлях), установленном на верхней нагреваемой панели печи или другого устройства, преобразующего энергию горения топлива в тепловую, например, на верхней панели отопительного котла. Для такой реализации изобретения сохраняются все описанные выше конструктивные особенности ТЭГа и вытекающие из этого преимущества устройства в целом. Отличие заключается в том, что в этом случае биметаллические пластины выполняют не только функций регулирующего элемента, но и вместе с шарниром являются силовыми несущими элементами.
Испытания опытных образцов с использованием бытовых дровяных печей показали следующие энергетические характеристики (для двух ТЭГов) - напряжение на выходе генератора 12 В, мощность 60 Вт. Это позволяет использовать устройство не только как отопительное оборудование, но и как источник питания электронных устройств, как зарядное устройство и т.д. Отопительное устройство просто в изготовлении и надежно в эксплуатации. Оно не требует применения оборудования для водяного охлаждения холодных спаев, как в прототипе, поэтому габариты устройства минимально увеличены по сравнению с печью без дополнительного электрооснащения.