ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР, РАБОТАЮЩИЙ ОТ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ СЖИГАЕМОГО ГАЗА
THERMOELECTRIC GENERATOR USING THERMAL ENERGY OF FLARED GAS

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в электрическую и может использоваться в местах, удаленных от линий электропередачи для питания постоянным электрическим током комплекса радиоэлектронной аппаратуры и средств автоматики и телеметрии газопроводов (расход, давление, свойства газа и т.п.) в непрерывном режиме функционирования.
Известен термогенератор (Патент РФ №2355911 «Термогенератор», опубликован 20.05.2009), содержащий теплосъемное устройство, грунтовый трубопровод, воздушный теплообменник, солнечный коллектор, двигательный, накопительный и исполнительный механизмы, механизм, переключающий поток жидкости, устройство автоматического управления работой электрических блоков, инвертор и аккумуляторную батарею.
Недостатком данного устройства является технологическая сложность изготовления всех исполнительных и промежуточных механизмов, а наличие движущихся частей снижает показатель надежности устройства при автономном использовании.
Известен блок электропитания на основе термоэлектрического генератора (А.с. СССР №439252, опубликовано 05.08.1978), содержащий термоэлектрический модуль, горелочное устройство и систему термосброса в виде радиаторов и рубашки охлаждения, внутри которой установлен турбулизатор в виде проволочной спирали. Недостатком данного устройства является невысокий ресурс работы и недостаточная надежность.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является термоэлектрический блок питания (Патент РФ №2371816 «Термоэлектрический блок питания», опубликован 27.10.2009), содержащий расположенные в контейнере термоэлектрические генераторы, которые состоят из установленных в корпусе термоэлектрических батарей, соединенных с воздушными радиаторами и через теплоприемник с горелочным устройством, а также блок стабилизации напряжения, блок управления и систему термостатирования. В устройство введены дизель-генератор с системой автоматического запуска и аккумуляторные батареи, подключенные через зарядное устройство к термоэлектрическим генераторам.
Однако и это устройство обладает недостатком, а это наличие дизель-генератора, что в конечном счете увеличивает цену, массогабаритные показатели устройства и снижает надежность оборудования за счет наличия движущихся частей. И, как следствие, отсутствие автономности устройства по причине постоянной заправки дизель-генератора. А наличие устройства принудительного перемещения воздуха в контейнере и электрического обогревателя, соединенного с дизельным генератором, дополнительно расходует вырабатываемую энергию с термоэлектрических батарей устройства.
Решаемой технической задачей изобретения является повышение надежности, снижение случайных отказов и обеспечение бесперебойной работы термоэлектрического генератора за счет автоматического контроля и регулирования температуры на гранях термоэлектрических модулей с помощью температурных датчиков и маломощных исполнительных механизмов для обеспечения резервного электропитания радиоэлектронной аппаратуры и средств автоматики и телеметрии газопроводов.
Решение указанной задачи в термоэлектрическом генераторе, работающем от тепловой энергии сжигаемого газа, содержащем термоэлектрические модули, воздушные радиаторы, теплоприемник с горелочным устройством, блок управления, температурные датчики, аккумуляторную батарею, достигается тем, что введены силовой блок, который содержит микросборку трех электронных ключей и два управляемых реле, а также стабилизатор напряжения; исполнительные механизмы, которые содержат электрическую зажигалку с электродами и газовый электромагнитный клапан; блок реле, выполненный на базе подключенных последовательно реле, постоянного резистора, подстроечного резистора, диода и аккумуляторной батареи; теплоприемник представляет собой металлический цилиндр с внутренней поверхностью, выполненной в форме цилиндра, переходящего в конус, блок управления выполнен на базе микроконтроллера и имеет переключатель настройки выходного напряжения, причем выходы двух температурных датчиков соединены с входами блока управления соответственно, четыре термоэлектрических модуля соединены последовательно и зажаты между теплоприемником и четырьмя воздушными радиаторами - винтовыми прижимами с применением спиральных пружин с использованием теплоизоляционного материала - асбестовой ткани АТ-3, толщиной 2,5÷3 мм между воздушными радиаторами и теплоприемником, вывод первого термоэлектрического модуля и вывод последнего термоэлектрического модуля соединены через блок реле с входами силового блока, вход питания блока управления соединен с первым выходом силового блока, управляющий выход блока управления соединен со входом силового блока, вход питания электрической зажигалки, являющейся исполнительным механизмом, соединен со вторым выходом силового блока, вход питания газового электромагнитного клапана, являющегося исполнительным механизмом, соединен с третьим выходом силового блока, вход питания блока реле соединен с четвертым выходом силового блока, выход блока реле является выходом вырабатываемого напряжения устройства.
Изобретение поясняется чертежами (фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9).
На фиг. 1 изображена схема термоэлектрического генератора;
На фиг. 2 изображена схема блока реле;
На фиг. 3 изображен общий вид теплоприемника в разрезе;
На фиг. 4 изображен вид по А представленного изображения на фиг. 2;
На фиг. 5 изображен разрез по Б-Б представленного изображения на фиг. 2;
На фиг. 6 изображена аксонометрическая проекция воздушного радиатора;
На фиг. 7 изображен общий вид сборки теплоэлектронной части термоэлектрического генератора;
На фиг. 8 изображен разрез по А-А представленного изображения на фиг. 6;
На фиг. 9 изображен алгоритм работы программы блока управления - микроконтроллера.
Термоэлектрический генератор, работающий от тепловой энергии сжигаемого газа (фиг. 1), содержит четыре термоэлектрических модуля 1 с теплоизоляционным материалом 2 (асбестовая ткань АТ-3), зажатые между теплоприемником 3 и четырьмя воздушными радиаторами 4, винтовым прижимом 5, первый температурный датчик 6 может быть выполнена как термопара ТЕ1, служит для измерения температуры воздушного радиатора 4, второй температурный датчик 7 может быть выполнен как термопара ТЕ2, необходим для измерения температуры теплоприемника 3, горелочное устройство - газовая горелка 8, газовый электромагнитный клапан 9 может быть выполнен как КГЭЗ-20-10-5-М ТУ3712-040-002255555-2004 - производитель компания ОАО "Промприбор", электроды электрической зажигалки 10, электрическую зажигалку 11, силовой блок 12 выполнен на стабилизаторе напряжения, питающий микросборку трех электронных ключей, которые соединены последовательно с двумя управляющими реле, блок управления 13 выполнен на базе микроконтроллера и имеет переключатель настройки выходного напряжения, блок реле 14. На фиг. 1 изображена газовая труба 15, является внешним элементом, по которой поступает газ, необходимый для работы предлагаемого устройства.
На фиг. 2 изображена схема блока реле, выполненная на элементах. Блок реле содержит подключенные последовательно: реле 16 может быть выполнено как РЭС55А РС4.569.600-03.02 - РСО.456.011 ТУ, резистор 17 SQP-10 - производитель Тайвань, являющийся аналогом ПЭВ, С5-35, С5-37, резистор подстроенный 18 типа СП5-35Б - российского производства, компания ОАО «Рикор Электроникс», изготовленный в соответствии с техническими условиями ОЖО.468.529ТУ, диод 19 типа 2Д213Б ГОСТ В22468-77 - российского производства и аккумуляторную батарею 20 типа DT12045, 12В-4.5А∗ч - производитель компания «Delta Battery», и выходной разъем 21 типа DS-026-A-S - производитель компания «Wealth Metal Factory». Вывод 22 является входом для стабилизатора напряжения силового блока 12, вывод 23 является входом от термоэлектрических моделей 1. Причем выход силового блока 12 является входом питания обмотки реле 16 блока реле 14, напряжением +5 В (на фиг. 2. обмотка реле 16 не отображена). Резистор 17 и резистор подстроечный 18 позволяют регулировать ток заряда аккумуляторной батареи 20.
На фиг. 3 изображен общий вид теплоприемника 3 в разрезе, который представляет собой металлический цилиндр с внутренней поверхностью, выполненной в форме цилиндра, переходящего в конус (фиг. 4 и фиг. 5), для обеспечения равномерного теплового поля на внешней поверхности теплоприемника 3, с целью обеспечить полноценную и надежную работу термоэлектрических модулей 1.
Общий вид сборки теплоэлектронной части термоэлектрического генератора (фиг. 7) есть конструкция, в которой четыре термоэлектрических модуля 1 зажаты между цилиндрическим теплоприемником 3 и четырьмя воздушными радиаторами 4, а благодаря стягивающим винтам 5 с пружинами, которые служат для обеспечения соответствующей силы прижима с целью предотвращения избыточного сжатия или ослабевания сжимающего усилия в силу коэффициента теплового расширения элементов конструкции, внешний вид воздушного радиатора 4 представлен на фиг. 6.
Для обеспечения и сохранения равномерного теплового поля и разности температуры на гранях термоэлектрических модулей 1 дополнительно расположен теплоизоляционный слой 2 (асбестовая ткань АТ-3, толщиной в 2,5÷3 мм), так чтобы высота теплоизоляционного слоя 2, уложенного в два слоя, была больше высоты термоэлектрических модулей 1. В теплоизоляционном слое 2 вырезаны четыре окошка размерами 40×40 мм, для размещения в них четырех термоэлектрических модулей 1, с целью предотвращения теплового контакта между воздушными радиаторами 4 и теплоприемником 3, конструкция выполнена, как показано на фиг. 8. Четыре термоэлектрических модуля 1 соединены между собой электрически последовательно, для получения максимального суммарного вырабатываемого напряжения, равного +15 В, причем вывод первого термоэлектрического модуля 1 и вывод последнего термоэлектрического модуля 1 соединены через блок реле 14 с входами силового блока 12.
Алгоритм работы программы микроконтроллера отображен на фиг. 9.
Устройство работает следующим образом в соответствии запрограммированным алгоритмом работы программы (фиг. 9) микроконтроллера, установленного в блоке управлении 13.
Перед включением устройства устанавливают и подключают аккумуляторную батарею 20 внутрь блока реле 14. Загорается индикатор «ВКЛ» на лицевой панели блока управления 13 термоэлектрического генератора. Вручную (только при первом запуске) подключают газовую трубу 15 к газовому электромагнитному клапану 9, тогда блок управления 13, считав данные со второго температурного датчика 7, что температура теплоприемника 3 меньше 50°C, сразу же через силовой блок 12 временно активизирует электрическую зажигалку 11 для поджигания газа у газовой горелки 8 с помощью образования искры между электродами 10 электрической зажигалки 11.
После незначительного прогрева теплообменника 3 (от 0,5 мин и более) при разности температур двух датчиков второго 7 и первого 6, находящихся в интервале 100÷150°C, эти данные поступают в блок управления 13, который в свою очередь через силовой блок 12 и блок реле 14 переключает термоэлектрический генератор в режим заряда аккумуляторной батареи 20, на лицевой панели блока управления 13 загорается индикатор «Заряд».
Блок управления 13 постоянно (каждые 5 секунд) проверяет данные температур с температурных датчиков второго 7 и первого 6, и в случае, если их температурная разность находится в интервале больше 150°C, то блок управления 13 через силовой блок 12 выключает питание газового электромагнитного клапана 9, вследствие чего пламя газовой горелки 8 гаснет, теплоприемник 3 начинает остывать. Как только разность температур с температурных датчиков второго 7 и первого 6 будет равна 100°C, блок управления 13 через силовой блок 12 включает питание газового электромагнитного клапана 9 (газовый электромагнитный клапан 9 откроется), а также активизирует электрическую зажигалку 11 (будет работать до того момента, как только второй температурный датчик 7 зафиксирует увеличение температуры теплоприемника 3), которая создаст искры через электроды 10 для поджигания газа на газовой горелке 8. Температура теплоприемника 3 будет находиться в интервале температур 100÷150°C, а термоэлектрический генератор будет находиться в штатном режиме работы и будет выполнять подзарядку аккумуляторной батареи 20 для питания подключаемой через разъем 21 любой маломощной нагрузки в интервале напряжения от +3 В до +12 В, значение которой выставляется дискретно с помощью переключателя на блоке управления 13.
Таким образом, работа термоэлектрического генератора полностью автоматизирована (после первого запуска) и отлаженно работает благодаря микроконтроллерному управлению, которое осуществляет автоматический температурный контроль нагрева теплоприемника 3 и радиатора 4, а также управляет маломощными исполнительными механизмами: газовым электромагнитным клапаном 9 и электрической зажигалкой 11, тем самым обеспечивая резервное электропитание подключаемой нагрузки в интервале напряжения от +3 В до +12 В и осуществляя подзарядку аккумуляторной батареи 20 в блоке реле 14, где наличие резистора построечного 18 дополнительно позволяет регулировать ток заряда аккумуляторной батареи 20. За счет этого повышается надежность работы термоэлектрического генератора, исключается возможность отказов в работе и обеспечивается непрерывная бесперебойная работа термоэлектрических модулей 1, а также увеличивается срок их службы за счет щадящего температурного режима.