ТЕПЛОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
THERMAL ELECTRIC GENERATOR

Предлагаемое изобретение относится к теплоэлектроэнергетике, а именно для повышения КПД теплогенератора путем одновременного получения тепловой и электрической энергии в одном аппарате.
Известен водогрейный котел (теплогенератор), содержащий размещенные в вертикальном корпусе топку, выполненные из труб экономайзер, боковые и потолочные экраны, соединенные с подводящим и отводящим коллекторами (патрубками) [Патент РФ №2150052, Мкл. F24H 1/34, 1998].
Недостатками известного теплогенератора являются невозможность одновременного получения в нем тепловой и электрической энергии.
Более близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является термоэмиссионная надстройка к тепловьм 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, Мкл. 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.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности теплоэлектрического генератора (ТЭГ).
Технический результат достигается тем, что в теплоэлектрическом генераторе, содержащем вертикальный корпус с отводящим газоходом, камеру сгорания, трубы теплоносителя, термоэмиссионные преобразователи, теплотоковыводы и узлы крепления термоэмиссонных преобразователей к трубам теплоносителя, корпус состоит из прямоугольного короба, выполненного из диэлектрического материала с низкой теплопроводностью, внутри короба помещены ряды теплоэлектрических звеньев, торцы которых снаружи последовательно соединены между собой по горизонтали и вертикали калачами, причем каждое теплоэлектрическое звено представляет собой металлическую трубу теплоносителя, покрытую поочередно кольцевыми изоляционными слоями, каждый из которых выполнен из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, образуя зону охлаждения, диэлектрического материала с низкой теплопроводностью, образуя зону теплоизоляции, и диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, образуя зону нагрева, соответственно, последняя, в свою очередь, покрыта металлической обечайкой, при этом в массиве всех трех кольцевых изоляционных слоев вокруг металлической трубы теплоносителя по ее длине помещены по очередности термоэмиссионные преобразователи 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, слои двухслойных горячих колец термоэмиссионных преобразователей большего и меньшего диаметров, выполненные из металла M1, соединены с холодными однослойными кольцами упомянутых термоэмиссионных преобразователей радиальными перемычками, выполненными из металла M1, причем все термоэмиссионные преобразователи установлены таким образом, что их горячие и холодные кольца не касаются внутренней поверхности обечайки и наружной поверхности трубы теплоносителя, горячие кольца каждого термоэмиссионного преобразователи большего и меньшего диаметров соединены с холодными кольцами последующих термоэмиссионных преобразователей продольными перемычками, выполненными из металла М2, последние по счету термоэмиссионные преобразователи каждого теплоэлектрического звена соединены с первыми по счету термоэмиссионными преобразователями последующего теплоэлектрического звена электропроводкой, свободные концы термоэмиссионных преобразователей последнего верхнего и первого нижнего теплоэлектрических звеньев соединены с токовыводами, а свободные торцы их труб теплоносителя соединены с входным и выходным патрубками теплоносителя.
На фиг.1 и 2 представлены общий вид и разрез теплоэлектрического генератора (ТЭГ), на фиг.3-6 - основные узлы ТЭГ.
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 4, внутри которого помещены ряды теплоэлектрических звеньев (ТЭЗ) 5, торцы которых снаружи соединены между собой по теплоносителю по горизонтали и вертикали калачами 6 и 7, соответственно, причем каждое ТЭЗ 5 представляет собой металлическую трубу теплоносителя 8, покрытую поочередно кольцевыми изоляционными слоями, выполненными из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью 9, образуя зону охлаждения, диэлектрического материала с низкой теплопроводностью 10, образуя зону теплоизоляции, и диэлектрического материала с высокой теплопроводностью 11, образуя зону нагрева, соответственно, в свою очередь, последняя покрыта металлической обечайкой 12, при этом в массиве слоев 9-11 вокруг металлической трубы 8 по ее длине помещены по очередности термоэмиссионные преобразователи (ТЭП) 13 большего диаметра, каждый из которых состоит из большого двухслойного горячего кольца 14, слои которого плотно прижаты друг к другу и выполнены из разных металлов M1 и М2, расположенного в зоне нагрева, и малого однослойного холодного кольца 15, выполненного из металла M1, расположенного в зоне охлаждения, слой горячего кольца 14, выполненный из металла M1, и холодное кольцо 15 ТЭП 13 соединены между собой радиальными перемычками 16, выполненными из металла M1 и ТЭП 17 меньшего диаметра, каждый из которых состоит из большого двухслойного горячего кольца 18, слои которого плотно прижаты друг к другу и выполнены из вышеупомянутых металлов M1 и М2, расположенного в зоне нагрева, и малого однослойного холодного кольца 19, выполненного из металла M1, расположенного в зоне охлаждения, слой горячего кольца 18, выполненный из металла M1, и холодное кольцо 19 ТЭП 17 соединены между собой радиальными перемычками 20, выполненными из металла M1, причем ТЭП 13 и ТЭП 17 установлены таким образом, что их горячие и холодные кольца 14, 15 и 18, 19 не касаются внутренней поверхности обечайки 12 и наружной поверхности трубы 8, горячие кольца 14 и 18 каждого ТЭП 13 и ТЭП 19 соединены с холодными кольцами 15 и 19 следующего ТЭП 13 или ТЭП 17 продольными перемычками 21, выполненными из металла М2, последние по счету ТЭП 13 или ТЭП 17 каждого ТЭЗ 5 соединены с первыми по счету ТЭП 13 или ТЭП 17 последующего ТЭЗ 5 электропроводкой (на фиг.1-6 не показана), свободные концы ТЭП 13 или ТЭП 17 крайних верхнего и крайнего нижнего ТЭЗ 5 соединены с токовыводами 22 и 23, а свободные торцы их труб теплоносителя 8 соединены с входным и выходным патрубками 24 и 25, соответственно.
Предлагаемый ТЭГ, представленный на фиг.1-6, работает следующим образом.
ГН
ГК
ВН
ВК
После заполнения труб теплоносителя 8 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, движущейся через патрубок 24 сверху вниз, по трубам теплоносителя 8 ТЭЗ 5, соединенными последовательно калачами 6 и 7, вода нагревается от температуры t до температуры t и через патрубок 25 подается потребителю (на фиг.1-6 не показан). Одновременно в результате процесса конвективной теплопередачи от дымовых газов через стенку обечайки 12 нагревается зона нагрева, состоящая из слоя диэлектрического материала с высокой теплопроводностью 11, от которого основной поток тепла передается за счет теплопроводности большим двухслойным горячим кольцам 14 и 18 ТЭП 13 и ТЭП 17, двухслойная конструкция и ступенчатое расположение относительно друг друга которых позволяет увеличить количество воспринимаемого тепла за счет повышенной площади контакта колец 14 и 18 с зоной нагрева и высокой площади контакта слоев металлов M1 и М2, соединенных между собой и перемычками 21 (например, спайкой), которые нагреваются при этом. Кроме того, процесс теплообмена от материала 11 к кольцам 14 и 18 ТЭП 13 и ТЭП 17 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]. Так как кольцевой слой изоляционного материала 10 обладает малой теплопроводностью, то основной поток тепла от слоя материала 11 и горячих колец 14 и 18 передается за счет теплопроводности по радиальным перемычкам 16 и 20, выполненных из металла M1, количество которых определяется из условий передачи всего потока тепла из зоны нагрева к малым однослойным холодным кольцам 15 и 19 ТЭП 13 и ТЭП 17, расположенным в зоне охлаждения. Одновременно осуществляется охлаждение однослойных холодных колец 15 и 19 за счет передачи тепла теплопроводностью через слой материала 9, обладающего высокой теплопроводностью, к стенкам труб теплоносителя 8, откуда тепло передается конвекцией к циркулирующей воде. Нагрев двухслойных горячих колец 14 и 18 ТЭП 13 и ТЭП 17 ТЭЗ 5, состоящих из плотно соединенных между собой слоев металлов M1 и М2, расположенных в зоне нагрева - массиве нагреваемого горячего материала 11, и охлаждение однослойных холодных колец 15 и 19, выполненных из металла M1 и соединенных с горячими кольцами 14 и 18 радиальными перемычками 16 и 20, выполненными из металла M1, ТЭП 13 и ТЭП 17, расположенных в зоне охлаждения - массиве охлаждаемого холодного материала 9, соединенных между собой продольными перемычками 21, выполненными из металла М2, создает эмиссию электронов во всех ТЭП 13 и ТЭП 17 всех ТЭЗ 5 ТЭГ и, соответственно, возникновение в ТЭГ термоэлектричества [С.Г.Калашников. Электричество. - М.: «Наука», 1970, с.502-506], которое через тоководы 22 и 23 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 на токовыводах 22 и 23 зависит от характеристик пары металлов M1 и М2, из которых изготовлены двухслойные кольца 14 и 18 и однослойные кольца 15 и 19, перемычки 16, 20, 21 каждого ТЭП 13 и 17, а также числа ТЭП 13 и ТЭП 17 в ТЭЗ 5 и числа рядов ТЭЗ 5 в отдельном ТЭГ. Требуемые напряжение U и силу тока I получают путем установки соответствующего числа ТЭЗ 5 в отдельно взятом ТЭГ и путем компоновки группы ТЭГ, соединенных последовательно и параллельно, комплект которых обеспечивает требуемую мощность.
Таким образом, конструкция предлагаемого ТЭГ позволяет повысить КПД теплогенератора путем одновременного получения тепловой и электрической энергии в одном аппарате, что повышает его надежность и эффективность.