РАДИАЦИОННАЯ РЕКУПЕРАТИВНАЯ ГОРЕЛКА И ТЕПЛОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР (ВАРИАНТЫ) ЕЕ ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ
RADIATION RECUPERATIVE BURNER AND HEAT ELECTRICAL GENERATOR (VERSIONS) USING IT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройствам для получения тепла, радиационного (электромагнитного) излучения и электроэнергии за счет сжигания газо- и парообразного топлива, например к радиационным горелкам, фотоэлектрическим, термоэлектрическим, термоэмиссионным генераторам, котлам и печам производственного и бытового назначения. Предлагаемое техническое решение пригодно также для создания высокоэффективных источников автономного и/или постоянного электро- и теплоснабжения, освещения.
Уровень техники
Известна газовая печь (см. патент РФ №2095695 от 31.01.94 по классу F24С 3/00) с высоким термическим КПД, достигаемым благодаря сжиганию газообразного топлива в среде воздуха под давлением в герметичной топке и использование при этом рекуператора. Достоинством данного устройства является высокоэффективное использование для теплоснабжения производственных и бытовых помещений. Недостатком данного устройства является невозможность его использования для получения электроэнергии.
Известны радиационные горелки инфракрасного излучения (аналоги), например типа ГИИВ-1 (см. А.С.Иссерлин «Основы сжигания газового топлива». Справочное руководство. Ленинград, «НЕДРА», Ленинградское отделение, 1980 г., с.215-217), в которых большая часть выделяемого тепла передается излучением. Данные устройства состоят из корпуса, керамических плит с туннелями (отверстиями) для прохода газов, соединенных с корпусом, сопла, смесительной камеры, рефлектора, сетки, установленной после керамической плитки, и патрубков (штуцеров) для подвода газообразного топлива. В сопле происходит расширение и ускорение газообразного топлива (поскольку оно подводится под давлением), которое увлекает за собой окружающий воздух и смешивается с ним в смесительной камере, откуда оно подается через туннели в керамических плитках в окружающую среду. Горение газовоздушной смеси происходит на поверхности керамической плитки и/или в пространстве между сеткой и керамической плиткой, которое нагревается до 900-1100 К и образуют радиационную поверхность горелки. Данное устройство может использоваться для обогрева помещений бытового и производственного назначения, для выполнения ряда технологических операций (термообработка металлов, сушка лакокрасочных покрытий, просушка стен после штукатурки). Недостатком данного устройства является, во-первых, выброс продуктов сгорания непосредственно в помещение (а не в дымоход), что может привести к ухудшению санитарно-гигиенических условий для людей, во-вторых, невозможность получения электроэнергии, в-третьих, относительно низкая температура радиационной поверхности, что ограничивает технологические возможности по тепловой обработке материалов названными выше температурами (из-за теплового обмена обрабатываемого изделия с окружающей средой удается фактически достичь температур при термообработке на 300-400 К ниже указанных до 900-1100 К).
Известна рекуперативная горелка (прототип для технического решения по п.1 формулы) для камерных, обжиговых печей фирмы «Мидлэндс рис. Стейшн» (см. А.С.Иссерлин «Основы сжигания газового топлива». Справочное руководство. Ленинград, «НЕДРА», Ленинградское отделение, 1980 г., с.233-234, рис.7-5), содержащая корпус, трубчатый противоточный рекуператор, горелочный камень из огнеупорного материала, внутри которого находится горелочный туннель, патрубков для подвода под давлением газа и окислителя (воздуха) из нагнетающих трубопроводов и патрубка для отвода продуктов сгорания, сопла. В данном устройстве газообразное топливо через патрубок и сопло под давлением непосредственно впускается в горелочный туннель, в котором смешивается с предварительно подогретым в противоточном рекуператоре воздухом, и частично сгорает. Окончательное сгорание топлива происходит вне горелочного туннеля - в печи. Разогретые продукты сгорания используются для проведения технологического процесса в печи. Противоточный рекуператор в данной горелке содержит два туннеля - один для отвода продуктов сгорания из печи, а второй - для подвода под давлением окислителя (воздуха) в горелочный канал (туннель). Из печи продукты сгорания выходят через противоточный рекуператор, где они охлаждаются и отдают свое тепло окислителю (воздуху) для горения, поступающему в горелочный туннель через второй туннель рекуператора. После этого продукты сгорания через патрубок соединяются с трубопроводом вентиляции и удаляются в дымоход. Данная рекуперативная горелка обладает высоким термическим КПД и позволяет эффективно использовать энергию топлива в технологических процессах. Недостатком данного решения является, во-первых, непосредственный контакт продуктов сгорания с обрабатываемым изделием или веществом. Поэтому для ряда технологических процессов получения чистых продуктов данное решение не пригодно, т.к. продукты сгорания могут вступать в непосредственное химическое взаимодействие с обрабатываемым изделием или веществом. По этой же причине данное решение неэффективно при использовании в качестве источника тепла для электрогенераторов на основе термоэлектронной, термоионной эмиссии, эффекта Зеебека и других, поскольку непосредственное воздействие горящих газообразных продуктов сгорания за короткое время разрушит конструкции этих генераторов. Другим недостатком данного решения является недостаточная экономичность и недостаточно высокая достижимая температура, поскольку в данной схеме используется подогрев в рекуператоре только окислителя, а подогрева топлива нет. Особенно это становится существенным при рабочих процессах с наиболее высокими возможными температурами - более 2000-2500 К. Еще одним недостатком данного решения является невозможность использования для отопления и получения электроэнергии.
Известен (прототип для п.7) фотоэлектрический генератор (см. патент РФ №2122761 от 27.11.98 г., Н01L 31/042), состоящий из установленных на опорной пластине фотоэлектрических преобразователей, соединенных между собой коммутационными шинами и объединенных в блок. Данное устройство способно эффективно преобразовывать энергию электромагнитного излучения (видимый свет) в электроэнергию и поэтому может использоваться в качестве дополнительного источника электроэнергии в земных условиях. Недостатком данного устройства является зависимость от метеоусловий, поскольку при плохой погоде вырабатываемая мощность уменьшается в сотни раз. Другим недостатком данного устройства является невозможность использования устройства для отопления.
Известен переносной термоэлектрический генератор (аналог), разработанный фирмой Teledyne Energy System (США) типа DT-1 (см. «Термоэлектрические преобразователи. Аналитическая справка». ВНИИинформ и технико-экономических исследований в электротехнике (Информэлектро), Москва, 1990 г., с.10-12), состоящий из смонтированных на раме бачка с жидким топливом и насосом, горелки, автоматической системы подачи топлива и термоэлектрического генератора. Термоэлектрический генератор собран из соединенных последовательно 120 термопар с ветвями р- и n- типа, размещенных в герметичном кожухе, при этом «нагреваемые» спаи ветвей термопар поджимаются к «горячей» стороне кожуха, омываемого продуктами сгорания, а «охлаждаемые» спаи соединены с теплоотводом. В генераторе предусмотрен также теплообменник, в котором подсасываемый воздух нагревается отходящими продуктами сгорания. Недостатком данного устройства является низкий КПД и отсутствие возможности использования для отопления помещений.
Известен (прототип для п.9) термоэмиссионный генератор (см. патент РФ №2144241, Н01J 45/00, от 02.10.1998 г.), состоящий из нагревателя в виде горелки, термоэмиссионного электрогенератора, состоящего из объединенных в блок одного и и/или нескольких термоэмиссионных преобразователей и электрически соединенных последовательно друг с другом, каждый из которых имеет эмитерный и коллекторный электроды, разделенных промежутком, и холодильника, выполненного в виде теплообменника системы отопления здания. При работе устройства происходит сгорание топлива, продукты сгорания непосредственно обтекают конструкцию генератора и передают тепло эмитерным электродам. При этом из полученной энергии, благодаря явлению термоэлектронной эмиссии, частично вырабатывается электроэнергия, а остальная часть энергии используется для обогрева здания. Недостатком данного устройства является, во-первых, относительно низкий КПД преобразования химической энергии топлива в электрическую, т.к. температура пламени при обычном (без подогрева) сжигании газообразного топлива, например метана, в смеси с воздухом не позволяет нагревать изделия выше 2000 К, и при этом только малая часть химической энергии топлива будет полезно использована (значительная часть энергии будет унесена с сильно нагретыми продуктами сгорания). Кроме этого известно, что КПД термоэмиссионного преобразователя слабо зависит от температуры коллектора (в области температур коллектора ниже 900 К). Поэтому у термоэмиссионного преобразователя часть тепла, попадающего на коллектор, все еще может быть эффективно использована для получения электроэнергии, прежде чем произойдет полная утилизация энергии топлива в тепло для обогрева помещений. Вторым недостатком данного устройства является относительная недолговечность устройства, т.к. в данном устройстве происходит непосредственный контакт горячих газов с элементами конструкций термоэмиссионного преобразователя, который стоит дорого. Поэтому при высоких температурах (а именно при Т>2000 К реализуются наиболее эффективные режимы работы термоэмиссионных преобразователей и обеспечивается наибольший КПД - см. книгу Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.Н. «Эмиссионная электроника», Москва, Наука, 1966 г., с.230-235) будет происходить постепенное разрушение (в течение 1-2 лет) дорогой конструкции термоэмиссионного генератора.
Сущность изобретения
Основой заявляемого технического решения является решение двух главных технических задач. Первой главной задачей и соответственно техническим эффектом от ее решения является создание нагревателя для технологических процессов и тепловых машин, в котором происходит преобразование химической энергии топлива при его сжигании во внутреннюю энергию теплового движения молекул и передача практически всей полученной энергии топлива от нагревателя при максимально возможной высокой температуре и при этом существенно, чтобы передача тепла от нагревателя происходила без массообмена (т.е. «химически» чистым путем) - путем теплопередачи при непосредственном контакте химически инертных твердых тел и/или высокоэнергичным радиационным излучением. Под «максимально» возможными температурами понимаются значения температур порядка или больше 2000°С.
Данная задача решена в предлагаемой радиационной рекуперативной горелке, состоящей из корпуса, внутри которого находится горелочный туннель и противоточный рекуператор, имеющий, как минимум, один туннель для окислителя (т.е. один или несколько), как минимум один туннель для продуктов сгорания (т.е. один или несколько) и один или несколько туннелей для топлива, узла ввода окислителя в туннели горелки, соединенного с внешним трубопроводом для подвода окислителя, узла вывода продуктов сгорания, соединенного с внешним трубопроводом для отвода продуктов сгорания, узла ввода топлива в туннели горелки, герметично соединенного с горелочным туннелем и подключенного к внешнему трубопроводу для подачи топлива, и запала. При этом выходы туннеля для окислителя, выходы туннеля для топлива соединены с горелочным туннелем и вход туннеля для продуктов сгорания соединен с горелочным туннелем. Узел вывода продуктов сгорания герметично соединен с выходом туннеля рекуператора, узел ввода окислителя герметично соединен с входом туннеля рекуператора для окислителя, узел ввода топлива герметично соединен с горелочным туннелем через туннели рекуператоры, т.е. герметично соединен с входом туннелей рекуператора для топлива. В горелке горелочный туннель выполнен внутри корпуса герметичным и изолированным от внешней среды и при этом та часть корпуса, в которой находится горелочный туннель и стены туннелей рекуператора, непосредственно примыкающей к горелочному туннелю, изготовлены из огнестойких и тугоплавких материалов. Радиационной поверхностью горелки будет часть внешней поверхности корпуса горелки вблизи горелочного туннеля. Рекуператор в горелке выполнен противоточным, т.е. туннели рекуператора для окислителя и туннели рекуператора для топлива имеют поверхность теплового контакта с туннелями рекуператора для продуктов сгорания и при этом направление движения газов в туннелях для окислителя и для топлива противоположно направлению движения газа в туннелях для продуктов сгорания по разные стороны поверхности теплового контакта. Поверхность теплового контакта между продуктами сгорания и окислителя может быть образована, например, общей стенкой туннелей для продуктов сгорания и туннелей для окислителя. Поверхность теплового контакта между продуктами сгорания и топливом может быть образована, например, общей стенкой туннелей для продуктов сгорания и туннелей для топлива.
Таким образом, окислитель, поступивший из внешних трубопроводов в туннели рекуператора для окислителя через узел ввода окислителя, и топливо, поступившее в туннели рекуператора для топлива через узел ввода топлива, проходя рекуператор, нагреваются, затем поступают в горелочный туннель, где смешиваются и сгорают, а продукты сгорания из горелочного туннеля поступают в туннели рекуператора для продуктов сгорания, где они охлаждаются и отдают тепло через поверхность теплового контакта топливу и окислителю и затем покидают горелку через узел вывода продуктов сгорания. Нагретые окислитель и топливо сгорают при очень высокой температуре, так что горелочный туннель и часть внешней поверхности корпуса горелки вблизи него нагреваются до высоких температур (2000 градусов и выше) и при этой же высокой температуре в горелке происходит преобразование энергии топлива и ее передача от нагревателя (т.е. радиационной рекуперативной горелки) радиационным излучением и теплопередачей без массообмена. Использование противоточного рекуператора не только позволяет повысить температуру преобразования и передачи энергии (т.е. образование и передача «высококачественной» энергии), но и уменьшить возможные потери, что приводит к повышению энергоэффективности. Данное техническое решение описывается п.1 формулы изобретения.
Необходимо отметить, что в предлагаемом техническом решении форма корпуса горелки и форма туннелей могут быть любыми. Например, форма корпуса может быть плоской, цилиндрической и даже сферической. При этом форма туннелей рекуператора может быть прямолинейной, плоской змеевидной, винтовой, спиральной, но в любом случае туннели должны располагаться целиком внутри корпуса заданной формы. Для осуществления изобретения существенно, чтобы все туннели были герметично соединены с горелочным туннелем и не сообщались с окружающей средой. При этом подача газообразных топлива и окислителя происходит герметично через узел ввода окислителя и узел ввода топлива, а отвод продуктов сгорания - через узел вывода продуктов сгорания. Для осуществления изобретения существенно, чтобы обеспечивалось герметичность подачи и отвода газов и необходимое соотношение расходов топлива и окислителя, а их конкретная реализация может быть любой, удовлетворяющей указанному функциональному назначению. Например, узел ввода топлива и узел ввода окислителя могут быть выполнены одинаковыми, как в виде простейшей конструкции - крана (вентиля) со штуцером, заканчивающейся жиклером (соплом) и герметично закрывающей входное отверстие туннелей рекуператора, так и в виде более сложной конструкции или системы, состоящей из последовательно соединенных вентиля, регулятора давления, впускного коллектора, выходные патрубки которого оканчиваются жиклерами (соплом) с калиброванным отверстием, через которое осуществляется ввод топлива или окислителя в туннели рекуператора, и при этом выходные трубы коллекторов герметично закрывают собой соответствующие входы туннелей рекуператора и крепятся к корпусу горелки. При этом для достижения цели изобретения важна не конкретная реализация этого узла, которая может быть различной, а существенно, чтобы конструкция удовлетворяла указанному функциональному назначению. Вход узла ввода топлива подключен к внешнему трубопроводу для подачи топлива.
Узел вывода продуктов сгорания должен обеспечивать герметичный отвод продуктов сгорания из туннеля рекуператора для продуктов сгорания, и поэтому конструкция данного узла предполагает как простейшую реализацию - в виде штуцера, герметично закрывающего выходное отверстие туннеля рекуператора для продуктов сгорания, так и более сложной конструкции - выпускного коллектора, входные патрубки которого герметично соединены с выходами туннелей рекуператора для продуктов сгорания и закрывают их. При этом для достижения цели изобретения важна не конкретная реализация этого узла, которая может быть различной, а существенно, чтобы конструкция удовлетворяла указанному назначению по отводу продуктов сгорания.
Подача топлива и окислителя в горелку может происходить как под повышенным, так и под пониженным давлением по отношению к атмосферному. Если подача происходит под повышенным давлением, то внешние сети должны обеспечивать избыточное давление поступающих продуктов. При подаче окислителя и топлива при пониженном давлении внешний трубопровод для отвода продуктов сгорания должен обеспечивать необходимое разрежение и расход.
Наличие запала для устройства существенно с точки зрения возможности первоначального воспламенения смеси в герметичном внутреннем пространстве горелки, при этом конкретная его реализация не является существенной для достижения поставленной цели. Поэтому конструктивное исполнение запала может быть любым - от простой электрической свечи зажигания, установленной непосредственно в горелочном туннеле (или на выходе одного из туннелей рекуператора для продуктов сгорания), до осуществления отдельной горелки, имеющей сообщение с горелочным туннелем.
В процессе работы радиационной рекуперативной горелки часть ее внешней поверхности вблизи горелочного туннеля нагревается до очень высоких температур и начинает интенсивно излучать видимый свет и инфракрасное излучение. Именно эта часть внешней поверхности корпуса горелки становится радиационной поверхностью горелки и именно с этого участка отводится от горелки высокотемпературное тепло при непосредственном контакте с поверхностью и/или без непосредственного контакта - при помощи радиационного излучения.
4
2
Целью изобретения по п.2 формулы изобретения является продление срока службы и расширение номенклатуры используемых топлив. Решение по пункту 1 формулы оказывается эффективным при использовании в качестве топлива метана (СН), водорода (Н), окиси углерода (СО). При использовании других газообразных углеводородных топлив (например, пропан бутановая смесь, пары бензина) оказываются существенными процессы термического разложения топлива с выделением свободного углерода (сажи) на стенках туннеля рекуператора для топлива, что является вредным явлением, поскольку могут «забиться» частично или полностью туннели рекуператора для топлива. Для решения этой задачи (п.2 формулы) в радиационную рекуперативную горелку по п.1 введен дополнительный узел ввода газообразных продуктов в туннель рекуператора для топлива, который герметично соединен с входами туннелей рекуператора для топлива и подключен к узлу ввода окислителя и/или узлу вывода продуктов сгорания или соединен непосредственно с входом туннеля рекуператора для окислителя и/или выходом туннеля рекуператора для продуктов сгорания или подключен к внешним трубопроводам подачи окислителя и/или отвода продуктов сгорания. Союз и/или означает, что дополнительный узел ввода может быть подключен только к узлу ввода окислителя или только к узлу вывода продуктов сгорания, но возможно и одновременное подключение и к узлу ввода окислителя, и к узлу вывода продуктов сгорания. Наличие данного узла существенно для достижения цели изобретения, поскольку данный узел обеспечивает возможность подмешивания в топливо газообразных окислителя или продуктов сгорания в начале туннеля рекуператора для топлива. Для достижения цели существенно, чтобы обеспечивалась герметичность и возможность изменения расхода подмешиваемых продуктов у входа туннеля рекуператора для топлива. Поэтому конструкция данного узла аналогична конструкции узла ввода окислителя в горелку, которая уже была описана выше. Кроме такой простейшей реализации возможно более сложные варианты конструкции узла, когда данный дополнительный узел образован внутренними ходами, изготовленными в входной части корпуса горелки, которые соединяют вход туннеля рекуператора для топлива со входом туннеля рекуператора для окислителя (или выходом туннеля для продуктов сгорания) или соответствующими узлами ввода/вывода. В этом случае кислородосодержащие газы будут поступать и смешиваться с топливом из-за эффекта эффузии, т.е. увлечением материала движущимися струями вещества. Действительно во входной части туннеля для топлива вне струи движущегося из жиклера (сопла) топлива возникает разрежение, из-за которого происходит засасывание необходимого количества кислородосодержащих газов.
2
2
2
2
2
2
При подмешивании (постоянном или периодическом) в топливо кислородосодержащих соединений (О, СО, НО), которые содержатся в окислителе (О) или продуктах сгорания (СО, НО), происходит выжигание сажи согласно химическим уравнениям
2
2
С+O=СО
2
С+СO=2СО
2
2
С+НO=СО+Н
и термическое преобразование топлива с образованием соединений, не вызывающих отложения сажи. Возможно также периодическая подача окислителя или продуктов сгорания в каналы для топлива при разогретой горелке и при отсутствии подачи топлива. В этом случае произойдет выжигание сажи. Данное техническое решение по п.2 позволяет расширить ассортимент использования газообразных и парообразных углеводородных и органических топлив и увеличить срок службы за счет предотвращения или уничтожения отложений сажи.
Целью изобретения по п.3 и п.4 формулы изобретения является повышение температуры сгорания и энергоотдачи. Указанная цель в техническом решении по п.3 формулы достигается тем, что в радиационной рекуперативной горелке по п.1 выходы туннелей рекуператора для топлива и окислителя выполнены в виде стенки с отверстием, являющимся соплом. Указанная цель в техническом решении по п.4 формулы достигается аналогичным способом - в радиационной рекуперативной горелке по п.2 выходы туннелей рекуператора для топлива и окислителя выполнены в виде стенки с отверстием, являющимся соплом.
Если выходы туннелей рекуператора для окислителя и топлива выполнены в виде стенки с небольшим профильным отверстием, являющимся соплом, то происходит более интенсивное перемешивание газов в горелочном туннеле и при этом достигается более высокая температура пламени, увеличивается энергоотдача, корпус горелки также нагреется до более высоких температур и эффективность возрастет, и достигается поставленная цель по п.3 и п.4 формулы. Однако повышение рабочей температуры приводит к сокращению долговечности устройства. Поэтому решение по п.3 и п.4 формулы актуально при создании особо высокотемпературных горелок с малым сроком службы или для использования в будущем, если найдутся материалы, имеющие очень высокую температуру плавления (около 3300-3500°С) и одновременно выдерживающие химическое воздействие окислителя, топлива и продуктов сгорания при этих температурах.
Целью изобретения по пунктам 5, 6, 7, 8 формулы изобретения является увеличение энергоэффективности за счет снижения излучения и потерь с участков внешней поверхности радиационной рекуперативной горелки, имеющих низкую температуру. Данная цель достигается тем, что в радиационной рекуперативной горелке по любому из пунктов 1, 2, 3, 4 формулы внешние стенки корпуса горелки по поверхности, не являющейся радиационной поверхностью горелки, покрыты высокотемпературной теплоизоляцией и/или выполнены с большей толщиной, чем стенки корпуса на радиационной поверхности.
В горелках по любому из пунктов 1, 2, 3, 4 формулы лишь относительно небольшой участок поверхности корпуса горелки вблизи горелочного туннеля имеет максимальную температуру и образует радиационную поверхность горелки. Другие участки корпуса горелки, непосредственно прилегающие к радиационной поверхности, также сильно нагреваются и излучают энергию, но при более низкой температуре, а поэтому более низкого качества. Чтобы уменьшить данные вредные потери, внешние стенки корпуса горелки на радиационной поверхности выполняются существенно более тонкими по сравнению с другими участками корпуса и при этом корпус горелки вне радиационной поверхности может также покрываться теплоизоляционным слоем. В этом случае излучение и теплоотдача с поверхности корпуса горелки, не являющейся радиационной, значительно уменьшается, что приводит к повышению эффективности горелки и экономии топлива. Использование данного технического решения позволяет также корректировать форму радиационной поверхности горелки и позволяет полностью решить поставленную задачу - преобразование и передача энергии топлива от горелки при высокой температуре. Это решение описывается в пунктах 5, 6, 7, 8 формулы.
Целью изобретения по пунктам 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16 формулы изобретения является формирование оптимального спектра излучения и увеличение энергоотдачи в заданных участках спектра излучения радиационной рекуперативной горелки. Указанная цель достигается тем, что в радиационную рекуперативную горелку по любому из пунктов 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 введен кожух из вольфрама или графита, выполненный в виде отдельной детали и/или внешнего слоя на корпусе, которые покрывают частично внешнюю поверхность горелки и охватывают полностью ее радиационную поверхность, с которой обеспечен по возможности наилучший тепловой контакт, при этом та часть кожуха, которая контактирует с радиационной поверхностью горелки является радиационной поверхностью горелки.
Спектр излучения материала, из которого изготовляется корпус горелки по п.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 формулы может оказаться не оптимальным для использования в различных условиях. Для формирования необходимого спектра удобно использовать свойства вольфрама и графита (углерода). Графит излучает практически как абсолютно черное тело, и поэтому радиационная отдача от поверхности, покрытой слоем графита (углерода), будет наибольшей, что особенно важно для получения наибольших удельных мощностей. Металлический вольфрам обладает тем свойством, что он наиболее интенсивно излучает в коротковолновой части спектра, и поэтому это оказывается существенным для получения радиационного излучения со спектром, сдвинутым в область видимого спектра, например, для освещения или при использовании в фотоэлектрических генераторах (см. Г.С.Лансберг «Оптика», Москва, Наука, 1976 г., стр. 693-694). Поэтому для более эффективного использования устройства необходимо радиационную поверхность и часть корпуса покрыть слоем металлического вольфрама и/или графита. Данное покрытие может быть выполнено как слой, непосредственно сцепленный с поверхностью горелки и закрывающий полностью радиационную поверхность и часть корпуса, так и как отдельная деталь - кожух, в который помещается корпус горелки. В случае раздельного исполнения кожуха и горелки появляется дополнительная возможность использования кожуха в качестве конструктивного элемента других устройств (например, теплоэлектрогенераторов) и возможности оперативной замены корпуса горелки после истечения срока ее эксплуатации без изменения конструкции устройства. В этом заключается техническое решение по 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16.
Целью изобретения по п.17 формулы является уменьшение потерь, увеличение срока службы и предотвращение возможности случайного соприкосновения с радиационной поверхностью горелки. Указанная цель достигается тем, что в радиационную рекуперативную горелку по любому из пп.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 или 16 дополнительно введена стеклянная колба, охватывающая собой с зазором радиационную поверхность горелки и герметично закрепленная на корпусе горелки и/или кожухе, и при этом в пространстве между колбой и радиационной поверхностью создан вакуум и/или это пространство заполнено инертным газом. В горелках по п.1-8 колба герметично крепится только на корпусе горелки, а в горелках по п.9-16 крепление колбы может быть осуществлено на корпусе горелки или кожухе. Возможен также вариант, когда колба крепится и к кожуху, и к корпусу горелки.
Радиационная поверхность рекуперативных горелок по пп.1-16 в случае использования только в качестве радиационного нагревателя имеет возможность контакта с воздухом. При этом возникают вредные потери энергии на нагревании окружающего воздуха при непосредственном контакте воздуха с радиационной поверхностью. Кроме этого имеется возможность случайного соприкосновения с радиационной поверхностью горелки, которая при работе нагревается до высоких температур. Кроме этого в горелках по п.8-16 при контакте воздуха с раскаленной радиационной поверхностью произойдет сгорание кожуха из углерода или вольфрама. Чтобы устранить эти вредные явления предлагается в конструкцию горелки дополнительно ввести стеклянную колбу, которая охватывает собой с зазором радиационную поверхность горелки и часть корпуса, и при этом данная колба закреплена герметично на корпусе горелки (или кожухе), не являющейся радиационной поверхностью. В пространстве внутри стеклянной колбы над радиационной поверхностью создан вакуум и/или данное пространство заполнено инертным газом. Для уменьшения вредной теплопередачи (путем конвекции и теплопроводности через газ) от радиационной поверхности к колбе, желательно создавать малое остаточное давление газа в пространстве под колбой - в пределе вакуум. Однако для уменьшения испаряемости материала с радиационной поверхности горелки желательно пространство под колбой заполнить инертным газом или газом, увеличивающим светоотдачу под малым давлением, при этом важно, чтобы с точки зрения процессов теплопередачи был «вакуум» (т.е. с практической точки зрения можно было пренебречь теплопередачей и конвекцией через газ), но, с другой стороны, остаточное давление газа под колбой препятствовало испарению материала с радиационной поверхности горелки. В данном варианте радиационная горелка является наиболее эффективным излучателем электромагнитного излучения, и может использоваться также в качестве мощного источника видимого электромагнитного излучения и может использоваться как для отопления, так и для освещения помещений. В этом заключается техническое решение по пункту 17 формулы.
2
2
Второй главной задачей, соответственно, техническим эффектом от ее решения, является создание высокоэффективного теплоэлектрогенератора с использованием внутренней энергии, полученной от высокотемпературного и высокоэффективного нагревателя, который может являться неотделимой конструктивно частью устройства, а может выполняться как сменный и легкозаменяемый блок. Именно исполнение нагревателя в виде сменного блока дает дополнительные выгоды. Действительно в условиях высокотемпературного пламени большинство существующих материалов легко плавятся и остается совсем небольшой и ограниченный круг конструктивных материалов с температурой плавления около или выше 2800°С - оксид магния (MgO с температурой плавления 2825°С), оксид циркония (ZrO с температурой плавления 2700°С), карборунд (SiC с температурой плавления 2830°С), карбид титана (TiC с температурой плавления 3150°С), карбид вольфрама (WC с температурой плавления 2975°С), карбид циркония (ZrC с температурой плавления около 3500°С), борид титана (TiB с температурой плавления 2980°С), нитрид титана (TiN с температурой плавления 3205°С), углерод (С с температурой возгонки около 3700°С), металлы - вольфрам (W с температурой плавления 3420°С), молибден (Мо с температурой плавления 2620°С) тантал и некоторое небольшое число других соединений. На основе подобных материалов можно создать керамические или металлокерамические съемные и дешевые устройства-горелки, в которых температура пламени внутри горелки будет составлять 3000-3300°С. При этих условиях внутренняя поверхность стенок вблизи камеры сгорания горелки нагреется до температур 2500°С, а наружная составит 2000-2300°С, и горелка начнет интенсивно излучать видимый свет, инфракрасное излучение и передавать тепло. Расчеты показывают, что в этих условиях даже данные материалы испарятся и выгорят в течение нескольких лет. После этого необходимо просто сменить данный элемент, что сделать будет не намного сложнее, чем поменять перегоревшую лампочку, и не очень дорого.
Поставленная задача создания эффективного теплоэлектрогенератора решается в теплоэлектрогенераторе (пункт 18 формулы), содержащем фотоэлектрический генератор, состоящий из одного или нескольких фотоэлектрических преобразователей, установленных на опорной пластине, электрически соединенных последовательно в единую цепь, нагреватель, выполненный в виде радиационной рекуперативной горелки, холодильник, выполненный в виде радиатора и/или теплообменника внешней системы отопления/охлаждения, и полый кожух, внутренняя поверхность которого выполнена свето- и теплоотражающей. При этом фотоэлектрический генератор и радиационная рекуперативная горелка конструктивно соединены с кожухом так, что лицевая сторона фотоэлектрических преобразователей обращена к излучающей поверхности нагревателя и совместно с внутренней отражающей поверхностью кожуха образует по возможности замкнутый объем, а опорная пластина соединена и имеет тепловой контакт с холодильником.
Радиационная поверхность горелки интенсивно излучает свет, который попадает на лицевую сторону фотоэлектрических преобразователей непосредственно от горелки или после отражения от экрана. Фотоэлектрический преобразователь частично преобразует электромагнитные волны с частотами, лежащими в полосе чувствительности фотоэлектрического преобразователя, а остальные отражает к нагревателю. Современные фотоэлектрические преобразователи имеют высокий коэффициент отражения для волн, не попадающих в полосу чувствительности, достигающий величин 90%-93%. Электромагнитные волны с частотой, попадающей в полосу чувствительности, эффективно преобразуются в электрический ток, а не попадающие в полосу чувствительности отражаются обратно на нагреватель. В данном техническом решении существенно, что отраженные электромагнитные волны от фотоэлектрических преобразователей вновь возвращаются на радиационную поверхность непосредственно после отражения от фотоэлектрических преобразователей или после переотражения от светоотражающего экрана, вызывая нагревание радиационной поверхности горелки, т.е. не происходит бесполезного рассевания электромагнитных волн с частотами, лежащими вне диапазона чувствительности. Если бы оказалось возможным достичь коэффициента отражения волн от кожуха и фотоэлектрических преобразователей (с частотами лежащими вне полосы чувствительности), равного 100%, то КПД такого преобразователя стал бы равен как раз КПД фотоэлектрического преобразователя для волн, лежащих в полосе чувствительности - т.е. высокий. Часть энергии, падающей на фотоэлектрические преобразователи, вызывает их нагревание (поскольку КПД меньше 100%) и через опорную пластинку передается теплообменнику системы охлаждения, где она утилизируется и используется для отопления. В этом заключается техническое решение по пункту 18.
Целью изобретения по пункту 19 формулы является повышение степени преобразования энергии излучения радиационной горелки в электрическую энергию.
Указанная цель достигается тем, что в теплоэлектрогенератор по пункту 18 формулы дополнительно введен термоэлектрический генератор, состоящий из одной или нескольких термопар, помещенных в корпус или образующих механически жесткую сборку и электрически соединенных последовательно в цепь, и при этом «нагреваемые» спаи термопар имеют тепловое соединение с опорной пластиной блока фотоэлементов, а «охлаждаемые» спаи термопар имеют тепловое соединение с холодильником. Известны высокотемпературные фотоэлектрические преобразователи как с внутренним, так и с внешним фотоэффектом. Поэтому при передаче тепла от фотопреобразователей к холодильнику через термоэлектрический преобразователь, часть энергии в термоэлектрическом преобразователе превращается в электрическую и тем самым повышается степень преобразования энергии излучения горелки в электрическую энергию.
Целью изобретения по пункту 20 формулы также является создание высокоэффективного теплоэлектрогенератора с использованием внутренней энергии, полученной от высокотемпературного и высокоэффективного нагревателя, который может являться неотделимой конструктивно частью устройства, а может выполняться как сменный и легкозаменяемый блок. Поставленная задача решается в теплоэлектрогенераторе (пункт 20 формулы), состоящем из нагревателя, выполненного в виде радиационной рекуперативной горелки, термоэмиссионного электрогенератора, состоящего из электрически соединенных последовательно в единую цепь одного или нескольких термоэмиссионных преобразователей, каждый из которых имеет размещенные в герметичном корпусе эмиттерный и коллекторный электроды, покрытые слоем легкоионизируемого металла и разделенных вакуумным промежутком, который заполнен парами легкоионизируемых металлов, и холодильника, выполненного в виде радиатора или теплообменника внешней системы отопления/охлаждения, и при этом нагреватель имеет тепловое соединение с эмиттерами термоэмиссионных преобразователей, коллектора термоэмиссионных преобразователей имеют тепловое соединение с холодильником, а тепловой контакт эмиттеров генератора осуществляется путем радиационного переноса и/или теплопередачей при непосредственном механическом контакте с радиационной поверхностью горелки.
Эмиттеры термоэмиссионных преобразователей нагреваются от радиационной поверхности горелки путем теплопередачи при непосредственном механическом контакте и/или путем радиационного теплообмена. Коллекторы охлаждаются от теплообменника системы охлаждения. В результате явления термоэлектронной эмиссии между эмиттером и коллектором протекает термоэмиссионный ток, в результате этого внутренняя энергия преобразуется в электрическую. Поскольку радиационная поверхность горелки имеет очень высокую температуру (более 2000°С), то термоэмиссионные преобразователи будут работать в наиболее эффективном режиме (см. книгу Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.Н. «Эмиссионная электроника», Москва, Наука, 1966 г., с.230-235) с поверхностной ионизацией и почти полной компенсацией объемного заряда. В настоящее время для таких режимов достигнуты высокий КПД - 25% по получению электроэнергии (при 40-50% - теоретическом значении). Существенно, что благодаря использованию горелки, работающей на газообразном топливе и обеспечивающей такие высокие температуры для работы термоэмиссионного преобразователя, удается получить такие высокие значения КПД преобразования энергии топлива в электроэнергию. При этом данное устройство будет обладать долговечностью и низкой стоимостью. В этом заключается техническое решения по п.20 формулы.
Целью изобретения по пункту 21 формулы является повышение степени преобразования энергии радиационной горелки в электрическую энергию.
Указанная цель достигается тем, что в теплоэлектрогенератор по пункту 20 дополнительно введен термоэлектрический генератор, состоящий из одной или нескольких термопар, помещенных в корпус или образующих механически жесткую сборку и электрически соединенных последовательно в цепь, и при этом «нагреваемые» спаи термопар имеют тепловое соединение с коллекторами термоэмиссионных преобразователей, а «охлаждаемые» спаи термопар имеют тепловое соединение с холодильником.
Известно, что КПД термоэмиссионных элементов слабо зависит от температуры коллектора при температурах коллектора ниже 700-800°С. Однако это очень высокая температура для того, чтобы непосредственно получать тепло для отопления. Имеется дальнейшая задача и возможность по увеличению эффективности получения электроэнергии. Термоэлектрический генератор размещен между коллекторами термоэмиссионного преобразователя и теплообменником холодильника. При этом охлаждаемые спаи термопар имеют тепловой контакт с холодильником и охлаждаются им, а «нагреваемые» спаи термопар имеют тепловой контакт с коллекторами термоэмиссионного генератора и нагреваются от него, выполняя роль холодильника для термоэмиссионного генератора. Энергия, передаваемая от термоэмиссионного электрогенератора к холодильнику, частично преобразуется в электроэнергию в термоэлектрическом генераторе и при этом повышается степень преобразования энергии, полученной от горелки, в электрическую энергию. В этом заключается техническое решение по пункту 21 формулы.
Предлагаемые теплоэлектрогенераторы будут долговечными и дешевыми и могут использоваться как в качестве автономных, так и постоянных источников электроэнергии и тепла.
Перечень графических материалов, поясняющих изобретение
На фиг.1 приведена функциональная схема возможной реализации радиационной рекуперативной горелки по п.1 формулы и схема ее подключения.
На фиг.2, 3, 4 и 5 представлен схематичный чертеж корпуса простейшей горелки по п.1, у которой рекуператор имеет по одному туннелю змеевидной формы для окислителя, для топлива и для продуктов сгорания, при этом фиг.2 - главный вид, фиг.3 - вид сверху, фиг.4 - вид слева, фиг.5 - вид справа.
На фиг 6, 7 и 8 представлен схематический чертеж корпуса рекуперативной горелки плоской формы с многотуннельным рекуператором, туннели которого имеют змеевидную форму, при этом фиг.6 - главный вид, фиг.7 - вид сверху, фиг.8 - вид слева.
На фиг 9,10 и 11 представлен схематичный чертеж осесимметричной схемы конструкции корпуса многотуннельной рекуперативной горелки, у которой туннели рекуператора выполнены прямыми, при этом фиг.9 - главный вид, фиг.10 - вид сверху, фиг.11 - вид слева.
На фиг.12, 13 и 14 представлен схематичный чертеж осесимметричной схемы конструкции корпуса многотуннельной рекуперативной горелки, у которой туннели рекуператора выполнены вдоль винтовой линии, при этом фиг.12 - главный вид, фиг.13 - вид сверху, фиг.14 - вид слева.
На фиг.15 представлен вариант функциональной схемы реализации радиационной рекуперативной горелки по п.2 формулы, в которой в туннель рекуператора для топлива введен дополнительный узел ввода газообразных продуктов, соединенный с узлом ввода окислителя.
На фиг.16 представлен вариант функциональной схемы реализации радиационной рекуперативной горелки по п.2 формулы, в которой в туннель рекуператора для топлива введен дополнительный узел ввода газообразных продуктов, соединенный с узлом вывода продуктов сгорания.
На фиг.17 представлена схема выходной части туннелей рекуператора рекуперативной радиационной горелки по п.3, 4 формулы.
На фиг.18, 19 и 20 представлены некоторые варианты возможных схем конструкций рекуперативной радиационной горелки по п.5-8 формулы по формированию радиационной поверхности горелки и уменьшению вредных потерь, при этом на фиг.18 изображен вариант для горелки с корпусом плоской формы, а на фиг.19 и 20 - для горелки с осесимметричной формой.
На фиг.21, 22 и 23 представлены некоторые варианты возможных схем конструкций рекуперативной радиационной горелки по п.9-16 формулы (деталировка) при использовании в конструкции горелки внешнего кожуха, при этом на фиг.21 изображен вариант для горелки с корпусом плоской формы, а на фиг.22 и 23 - для горелки с осесимметричной формой.
На фиг.24, 25, 26 и 27 представлены некоторые варианты возможных схем конструкций рекуперативной радиационной горелки по п.17 формулы при использовании в конструкции горелки прозрачной (стеклянной) колбы. На фиг.24 изображен вариант, при котором стеклянная колба охватывает корпус простейшей горелки с корпусом, изображенном на фиг.2, 3, 4, 5. На фиг.25 вариант, когда стеклянная колба охватывает горелку с плоской формой, а на фиг.26 и 27 вариант, когда стеклянная колба охватывает рекуперативную горелку с осесимметричной формой корпуса.
На фиг.28 представлена схема теплоэлектрического генератора для выработки электроэнергии и тепла с использованием радиационной рекуперативной горелки и фотоэлектрического генератора по пункту 18 формулы.
На фиг.29 представлена схема теплоэлектрического генератора для выработки электроэнергии и тепла с использованием радиационной рекуперативной горелки, фотоэлектрического и термоэлектрических генераторов по п.19 формулы.
На фиг.30 представлена схема теплоэлектрического генератора для выработки электроэнергии и тепла с использованием радиационной рекуперативной горелки и термоэмиссионного генератора по пункту 20 формулы.
На фиг.31 представлена схема теплоэлектрического генератора для выработки электроэнергии и тепла с использованием радиационной рекуперативной горелки, термоэмиссионного и термоэлектрических генераторов по пункту 21 формулы.
Непосредственно перед рисунками приводятся описание обозначений, использованных в графических материалах с использованием сквозной нумерации обозначений.
Осуществление изобретения
Фиг.1-13 поясняют устройство и работу радиационной рекуперативной горелки по п.1 формулы, но также могут полностью или частично пояснять устройство и работу других вариантов рекуперативной горелки, описываемых в зависимых пунктах формулы.
Радиационная рекуперативная горелка состоит (см. схему на фиг.1) из корпуса 1, внутри которого размещен горелочный туннель 2 противоточного рекуператора 3, имеющего один или несколько туннелей 4 для окислителя. В рекуператоре также выполнены один или несколько туннелей 5 для топлива и один или несколько туннелей 6 для продуктов сгорания. Верхняя часть корпуса 1, в которой находится горелочный туннель и рекуператор, выполнена из огнестойких и тугоплавких материалов, например керамик на основе оксида магния или оксида тория, или других известных материалов с необходимыми свойствами. Туннели рекуператора 6 для топлива имеют общую стенку с туннелями рекуператора 4 и 5, которая является поверхностью теплового контакта. В устройстве имеется также запал 3, предназначенный для первоначального воспламенения смеси в горелки. Возможен вариант, когда запал выполнен в виде свечи зажигания, установленной на выходе туннеля рекуператора для продуктов сгорания, как показано на фиг.1 слева пунктиром под обозначением 7(9). Кроме этой простейшей конструкции запал может быть выполнен в виде горелки, размещенной в общем корпусе 1. В этом варианте запал 3 содержит горелочный туннель 8 запала, свечу зажигания 9. Верхние участки туннелей рекуператора 4, 5, 6, 8 (т.е. выходы туннелей 4, 5, 8 и вход туннеля 6) примыкают к горелочному туннелю, сообщаясь с ним, и могут выполняться в виде единой детали из огнестойкой керамики.
Входы туннелей 4 для окислителя герметично соединены с узлом ввода окислителя, состоящего из впускного коллектора для окислителя, выходные трубы 10 которого заканчиваются жиклерами 16, вентиля или крана 14 для окислителя и регулятора давления 17, соединенных последовательно патрубками. Узел ввода окислителя (вход регулятора давления 17) присоединен к внешнему трубопроводу для подвода окислителя из окружающей среды или из внешнего источника подачи окислителя. Выходные трубы впускного коллектора для окислителя (выход узла ввода окислителя) герметично закрывают входные отверстия туннелей 4 и крепятся к корпусу 1.
Входы туннелей 5 для топлива герметично соединены с узлом ввода топлива, состоящего из впускного коллектора для топлива, выходные трубы 11 которого заканчиваются жиклерами 16, из вентиля (крана) 14 для топлива и регулятора давления 17, которые соединены последовательно патрубками. Вход узла ввода топлива (вход регулятора давления 17) присоединен к внешнему трубопроводу для подвода топлива из внешней сети подачи топлива или другого источника топлива.
Выходы туннелей 6 рекуператора для продуктов сгорания герметично соединены с узлом вывода продуктов сгорания, выполненного в виде выпускного коллектора. Выход выпускного коллектора 12 соединен с внешним трубопроводом для отвода продуктов сгорания в дымоход.
Входное (нижнее) отверстие горелочного туннеля 8 запала закрыто и в него герметично введены два штуцера, заканчивающихся жиклерами (соплами) 16, и которые подсоединены через вентили (краны) 15 и через трубы 13 к выходу соответствующих регуляторов давления 17 и 18 параллельно вентилям 14.
Свеча зажигания 9 может быть выполнена как калильная свеча, которая через выключатель подключается к источнику питания 27, так и как высоковольтная искровая свеча, подключенная к высоковольтному источнику питания, например пьезогенератору нажимного действия (не показаны).
В случае использования горелки в условиях, когда отсутствуют внешняя сеть подачи окислителя или давление в ней не соответствует значению, необходимому для нормального функционирования горелки, устройство ввода окислителя следует дополнить ресивером (баллоном) 19, насосом 21, входным фильтром 25, которые соединяются трубопроводами последовательно, и преобразователя давления 23 (реле давления) в электрический ток или напряжения, который врезан в отрезок трубопровода после ресивера 19. Электрический вход преобразователя подключен к источнику питания 27, а выход - к насосу 21. Выход ресивера 19 подключен к входу регулятора давления 17.
В случае использования горелки в условиях, когда отсутствуют внешняя сеть подачи топлива или давление в ней не соответствует значению, необходимому для нормального функционирования горелки, устройство ввода топлива следует дополнить ресивером (баллоном) 20, насосом 22, входным фильтром 26, которые соединяются трубопроводами последовательно, и преобразователя давления 24 (реле давления) в электрический ток или напряжения, который врезан в отрезок трубопровода после ресивера 20. Электрический вход преобразователя подключен к источнику питания 27, а выход - к насосу 22. Выход ресивера 20 подключен к входу регулятора давления 17.
На фиг.2-13 представлены различные схемы возможных конструкций корпуса рекуперативной радиационной горелки, удовлетворяющие п.1 формулы, где обозначены одинаковыми номерами элементы, соответствующие элементам схемы на фиг.1. При этом необходимо обратить внимание, что в предлагаемых конструкциях узлы ввода окислителя, топлива и отвода продуктов сгорания имеют некоторые конструктивные особенности по отношению к исполнению известных в технике коллекторов. Это упрощает конструкцию, но не влияет на достижение поставленной цели и не изменяет функциональное назначение данных узлов. На фиг.2-5 представлена конструкция простейшей горелки, содержащей по одному туннелю для окислителя, топлива и продуктов сгорания, и поэтому коллектора вырождаются до простого трубопровода или штуцера. В конструкциях, представленных на фиг.6-13, два впускных и один выпускной коллекторы крепятся вместе, размещены внутри общей детали 1а и выполнены в виде трубы с отверстиями в ее стенках по длине, играющие роль жиклеров (сопл). Деталь 1а является нижней частью корпуса 1 горелки и может быть изготовлена из стали. Верхняя часть корпуса горелки 1б, внутри которой выполнены горелочный тун 2 и рекуператор 3, и горелочный туннель 8 запала, изготовляется из любого известного огнестойкого и огнеупорного материала, например оксида магния. Части корпуса 1а и 1б соединяются вместе герметично и крепятся друг к другу разъемным или неразъемным соединением (на чертеже не показано крепление и герметизация). Герметизацию и соединение деталей 1а и 1б можно осуществить путем склеивания или спекания этих деталей, или при использовании прокладок и винтовых соединений. Часть корпуса горелки 1а в процессе работы не будет сильно нагреваться, но тем не менее необходимо использовать для соединения этих деталей теплостойкие материалы, которые выдерживают длительное нагревание до 300°С.
На фиг.2-5 представлена схема простейшей горелки, у которой рекуператор содержит всего 3 туннеля змеевидной формы для окислителя, для топлива и для продуктов сгорания. В данной конструкции запал выполнен в виде вспомогательной горелки, а корпуса горелки имеют плоскую форму, у которой рекуператор содержит несколько туннелей змеевидной формы. Запал выполнен в виде вспомогательной горелки.
На фиг.6-8 представлена схема конструкции многосекционной горелки плоской формы.
На фиг.9-11 представлена схема конструкции осесимметричной горелки цилиндрической формы с многотуннельным рекуператором с прямолинейными туннелями, при этом в данной горелке имеется только один туннель для продуктов сгорания и несколько - для топлива и окислителя. Запал выполнен в виде отдельной горелки, находящейся внутри корпуса.
На фиг.12-14 представлена схема конструкции осесимметричной горелки цилиндрической формы с несколькими туннелями (по 4 штуки) для топлива, для окислителя и для продуктов сгорания. Туннели выполнены винтовой формы, у которой шаг винта равен высоте цилиндра, и поэтому каждый туннель делает один оборот вокруг оси симметрии. Запал выполнен в виде отдельной горелки, находящейся внутри корпуса 1.
Естественно, у рекуперативной радиационной горелки число туннелей их форма и размеры могут быть любыми.
1
2
3
Работают эти устройство одинаково и следующим образом. Окислитель и топливо под давлением попадают на входы регуляторов давления 17 и 18, на выходе которых давление газов понижается до расчетного значения. Если давление газов на входе регуляторов 17 и 18 меньше необходимого значения, то соответствующий преобразователь (например, реле) 23 или 24 вырабатывает управляющий электрический сигнал (замыкаются контакты реле) и напряжение источника 27 подается на соответствующие насосы 21, 22, которые начинают повышать давление в трубопроводах и в ресивере 19, 20, так что на входе регуляторов 17, 18 давление достигает необходимого значения. После этого вручную (или автоматически) открываются вентили 15 и в горелочный туннель 8 запала 3 начинает поступать топливо и окислитель, которые ускоряются, проходя жиклеры 16, затем смешиваются в туннеле 8 и воспламеняются от свечи 9. Продукты сгорания и пламя из туннеля 8 запала попадают в горелочный туннель 2 и нагревают его внутреннюю поверхность. Через некоторое время после этого в туннеле 8 открываются вручную (или автоматически) вентили 14 и в туннели рекуператора для окислителя 4 и топлива 5 начинают поступать газы (трубы 10, 11 впускных коллекторов и через жиклеры 16), которые, проходя рекуператор снизу вверх, поступают в горелочный туннель, смешиваются там и воспламеняются непосредственно от пламени запала и горячих газов из туннеля 8. Для обеспечения надежного воспламенения смеси рекомендуется после начала горения в туннеле 8 запала выждать некоторое время, пока внутренняя поверхность горелочного туннеля 2 и частично стенки рекуператора разогреются, (желательно до 600-800°С - температура самовоспламенения топлива). После возникновения основного пламени в горелочном туннеле 2 продукты сгорания постепенно разогревают корпус горелки, охватывающий горелочный туннель 2. Продукты сгорания из горелочного туннеля 2 попадают в туннели рекуператора 6 для продуктов сгорания и продвигаются вниз к выходам туннеля, из которых они попадают в трубы 12 выпускного коллектора и удаляются в дымоход. Проходя по туннелям 6 противоточного рекуператора продукты сгорания отдают свое тепло через общие стенки рекуператора газообразным окислителю и топливу, которые движутся во встречном направлении в туннелях 4 и 5 и постепенно нагреваются. Поэтому температура продуктов сгорания на выходе из туннеля 6 рекуператора значительно снижается и не сильно отличается от температуры поступающих во входы туннелей 4, 5 топлива и окислителя, температура которых возрастает по мере продвижения по рекуператору. Через некоторое время после начала основного горения температура внутренних конструкций и туннелей рекуператора возрастает и достигнет значения и при этом газообразные окислитель и топливо на входе в горелочный туннель достигают значений около 800°С - температур, когда любое известное газообразное топливо при смешивании с окислителем самовоспламеняется. С этого момента пламя в горелки становится очень устойчивым. В этот момент следует перекрыть вентили 15 и погасить тем самым пламя в туннеле 8 запала. Если этого не сделать, то эффективность горелки уменьшится на расчетном режиме. После этого горелка продолжает разогреваться и через некоторое время выходит на расчетный режим эксплуатации, при котором внешняя поверхность корпуса радиационной рекуперативной горелки разогревается от пламени внутри горелочного туннеля до высоких температур и начинает интенсивно излучать с этого участка внешней поверхности корпуса. Данный участок корпуса является радиационной поверхностью горелки (условно обозначаемой точками Т-Т-Т), с которой снимается «высокотемпературное тепло». Так работают предлагаемые варианты радиационной рекуперативной горелки.
Температура топлива и окислителя на входе в горелочный туннель 2 на расчетном режиме определяется толщиной общей стенки туннелей рекуператора и их длиной. При относительно небольшой толщине стенок и большой длине туннелей удается получить перепад по температуре между отходящими газами (продукты сгорания) и подводимыми топливом и окислителем всего около 200°С. Поэтому для уменьшения габаритов горелки и увеличения эффективности работы горелки целесообразно делать общую стенку как можно тоньше (в этом случае толщина которой будет определяться расчетным сроком эксплуатации горелки), а туннели по возможности более сложной формы, например змеевидной, спиральной, винтовой и другими известными формами для рекуператоров и теплообменников. При этих условиях будет достигнут разогрев поступающих в горелочный туннель окислителя и топлива до температур, близких к 2000°С, что обеспечит получение пламени внутри горелки в пределах около 3000°С и даже выше.
Если рассматривать работу горелки с простейшим запалом, выполненным в виде свечи зажигания, установленной на выходе туннеля 6 для продуктов сгорания, то работа устройства происходит аналогично описанному выше с некоторыми отличиями. В этом случае при запуске горелки сразу открывают вентили 14 и включают свечу зажигания 7(9). Как только горючая смесь из горелочного туннеля достигнет свечи зажигания, произойдет воспламенение смеси около свечи, и возникшее пламя быстро достигнет горелочного туннеля 2 (если скорость распространения пламени выше скорости движения газов), где и продолжится горение. После разогрева горелки свечу зажигания 7(9) отключают. Однако этот способ не обеспечивает плавного и надежного пуска горелки, т.к. возможны в начальный момент «проскоки» пламени.
На фиг.15 представлена схема рекуперативной радиационной горелки по п.2 формулы, у которой дополнительный узел ввода газообразных продуктов в туннели рекуператора для топлива соединен с источником окислителя и подключается непосредственно к узлу подачи окислителя. На фиг.16 представлена схема рекуперативной радиационной горелки по п.2 формулы, у которой дополнительный узел ввода газообразных продуктов в туннели рекуператора для топлива соединен с выпускным коллектором и позволяет подмешивать в топливо кислородосодержащие продукты сгорания непосредственно во входе туннелей рекуператора для топлива. Данные схемы полностью совпадают со схемой по фиг.1 за исключением дополнительно введенных элементов. Поэтому в целях ясности понимания технического решения по п.2 не будем повторять приведенное ранее описание (которое будет дословно совпадать), а рассмотрим лишь отличительные признаки и рассмотрим те изменения в работе устройства, которые они вызывают.
Радиационная рекуперативная горелка по фиг.15 состоит из описанных выше элементов 1-29, таких же как и на фиг.1. В него введен дополнительный узел ввода газообразных продуктов в туннели 5 рекуператора для топлива, который содержит последовательно соединенные вентиль 31, впускной коллектор, выходные трубопроводы 30 которого герметично соединяются со входами туннелей рекуператора для топлива параллельно выходным трубам 11 впускного коллектора для ввода топлива. Вход вентиля 31 подключен к узлу ввода окислителя после регулятора давления 17.
Работает радиационная рекуперативная горелка по фиг.15 совершенно одинаково с описанной горелкой по фиг.1 за исключением следующих отличий. В процессе длительной работы топлива или при использовании высокоуглеродных топлив в результате термического крекинга углеводородного топлива в туннелях рекуператора появляется сажа, которая может нарушить работоспособность устройства. Поэтому периодически или постоянно (при использовании высокоуглеродных топлив) необходимо сделать следующее. После разогрева горелки и выхода ее на расчетный режим открывают вентиль 31. При этом окислитель начинает поступать в туннели 5 для топлива через трубы 30 впускного коллектора дополнительного узла ввода и жиклеры 16, которыми заканчиваются трубы 30. Площадь сечения жиклеров дополнительного узла составляет 1-5% (или подбирается в зависимости от вида используемого топлива экспериментально) от площади жиклеров подачи топлива. При этом объемный расход топлива оказывается значительно больше добавляемого окислителя. В результате происходит полная или частичная газификация топлива и выжигание сажи. Выжигание сажи происходит согласно уравнениям
2
2
2
СхНу+O→СO+НO
2
2
С+O=СО
2
С+СO=2СО
2
2
С+НO=СО+Н
Так работает устройство по схеме на фиг.15. В результате этих процессов предотвращается образование сажи и закупорка туннелей 5, что позволяет значительно расширить ассортимент используемых топлив и позволяет использовать пропан-бутановые смеси, пары углеводородов и некоторые другие виды топлив.
Радиационная рекуперативная горелка по фиг.16 состоит из описанных ранее элементов 1-29, таких же как и на фиг.1. Кроме этих элементов в него введен дополнительный узел ввода газообразных продуктов в туннели 5 рекуператора для топлива, содержащий последовательно соединенные насос 36, ресивер (емкость) 35, регулятор давления 33, вентиль 32 и впускной коллектор, выходные трубопроводы 30 которого герметично соединяются со входами туннелей рекуператора для топлива параллельно выходным трубам 11 впускного коллектора для ввода топлива. Вход вентиля насоса 36 подключен к выпускному коллектору для отработанных газов. Дополнительно в трубопровод между емкостью 35 и регулятором давления 33 подсоединен преобразователь давления 34 (например, реле) в электрический ток и напряжение. Выход преобразователя 34 подключен к входу насоса 36, а вход электропитания через выключатель 37 подключен к источнику электропитания 27.
2
2
Работает радиационная рекуперативная горелка по фиг.16 совершенно одинаково с описанной горелкой по фиг.1 за исключением следующих отличий. В процессе длительной работы топлива или при использовании высокоуглеродных топлив в результате термического крекинга углеводородного топлива в туннелях рекуператора появляется сажа, которая может нарушить работоспособность устройства. Поэтому периодически или постоянно (при использовании высокоуглеродных топлив) необходимо сделать следующее. После разогрева горелки и выхода ее на расчетный режим открывают вентиль 32 и подают напряжение на преобразователь 34. Поскольку в этот момент давление в магистрали перед регулятором давления недостаточное, то через преобразователь 34 подается питающее напряжение на насос 36, который включается. После включения давление в магистрали начинает возрастать пока не достигнет необходимого значения и не стабилизируется благодаря соответствующим изменениям сигналов управления и питания, поступающих на насос со стороны преобразователя 34. При этом продукты сгорания начинают поступать в туннели 5 для топлива через трубы 30 впускного коллектора дополнительного узла ввода и жиклеры 16, которыми заканчиваются трубы 30. Площадь сечения жиклеров дополнительного узла составляет 1-5% (или подбирается в зависимости от вида используемого топлива экспериментально) от площади жиклеров подачи топлива. При этом объемный расход топлива оказывается значительно больше добавляемых продуктов сгорания. В туннелях 5 происходит полная или частичная газификация топлива и выжигание сажи. Продукты сгорания содержат углекислый газ СO и пары воды НО. Выжигание сажи происходит согласно уравнениям
2
С+СO=2СО
2
2
С+НO=СО+Н
Так работает устройство по схеме на фиг.16. В результате этих процессов предотвращается образование сажи и закупорка туннелей 5, что позволяет значительно расширить ассортимент используемых топлив и позволяет использовать пропан-бутановые смеси, пары углеводородов и некоторые другие виды топлив.
На фиг.15 и 16 представлены возможные схемы исполнения дополнительного узла ввода в туннели 5 для топлива, но это не единственно возможное исполнение. Возможны другие реализации, при которых соединение туннелей 5 для топлива с источником кислородосодержащих газов (в свободном или связанном состоянии) происходит внутри горелки. При этом внутри горелки в нижней ее части необходимо выполнить ходы или отверстия, соединяющие туннель 5 с туннелем 4 или/и 6. При этом при работе горелки происходит всасывание в туннель газов из туннелей 4 и 6 из-за эффекта эффузии, т.е. увлечения газа движущимися струями вещества. Действительно во входной части туннеля для топлива 5 вне струи движущегося топлива из жиклера (сопла) 16 возникает разрежение, из-за которого происходит засасывание необходимого количества кислородосодержащих газов.
На фиг.17 представлено возможное конструкторское решение выходной части туннелей рекуператора 4 и 5 радиационной рекуперативной горелки по п.3 и п.4 формулы. Конструктивное исполнение и схемы подключения горелки одинаковые и описаны ранее. Единственным отличием от описанных выше горелок является исполнение выходной части туннелей 4 для окислителя и туннелей 5 для топлив. В описанных ранее горелках данные туннели были приблизительно одинакового сечения (но форма могла быть сложной) и они заканчивались окном приблизительно такого же сечения, а на фиг.17 представлено решение выходной части туннелей рекуператора 4 и 5, в котором, согласно предложению, выход туннелей 4 и 5 заканчивается стенкой 38 с небольшими профильными отверстиями, являющимися соплами, и изготовленной из того же материала, что и верхняя часть корпуса 1. В остальном конструкции идентичны описанным ранее. Работает данное устройство так же как и описанные ранее в п.1 формулы. Единственное отличие касается движения окислителя и топлива в горелочном туннеле - теперь газы будут истекать из туннелей 4 и 5 в пространство горелочного туннеля 2 с большей скоростью, при этом струи будут иметь больший угол раствора. Это обеспечивает более быстрое перемешивание топлива и окислителя в горелочном туннеле и интенсивное сгорание при повышенной температуре.
1
2
3
На фиг.18, 19 и 20 представлена схема конструкции корпуса радиационной рекуперативной горелки по п.5-п.8 формулы. На фиг.18 приведен вид сбоку решения для плоской схемы расположения туннелей рекуператора (которая получается при модификации корпуса плоской горелки по фиг.3 - см. вид С-С фиг.3), на фиг.19 и 20 для осесимметричной схемы корпуса, которая получается при модификации корпуса горелки по фиг.9-11 и 12-14. В горелках на фиг.18-20 внешняя стенка 39 корпуса радиационной рекуперативной горелки на радиационной поверхности горелки, обозначенной точками Т'-Т'-Т', имеет значительно меньшую толщину, чем внешняя стенка 40 горелки в других точках, не являющихся радиационной поверхностью. Кроме этого корпус снаружи вне радиационной поверхности покрыт термоизоляционным слоем 41. Данное исполнение корпуса горелки позволяет значительно уменьшить тепловые потери с внешней поверхности корпуса горелки вне зоны радиационной поверхности горелки.
На фиг.21, 22 и 23 приведены конструкция горелки по п.9-п.16 формулы с внешним кожухом из вольфрама или графита (примерная деталировка). На фиг.21 приведена конструкция с плоской схемой (см. также фиг.18), на фиг.22 и 23 приведена конструкция горелки с осесимметричной схемой туннелей рекуператора (см. также фиг.19 и 20). В горелку дополнительно введен полый кожух 42 из вольфрама или графита, который повторяет внешнюю форму корпуса 43 радиационной рекуперативной горелки с небольшим тепловым и монтажным зазором Δ. Корпус горелки 43 помещается в полый кожух 42 и поджимается через уплотнительную прокладку 44 из асбеста при помощи фигурного фланца 45 и винтов 46. После этого в корпус вворачивается свеча зажигания 9 и присоединяются патрубки для подачи и отвода газов. Предполагается, что в соответствующих деталях (кожухе 42 и фланце 45) имеются необходимые отверстия для патрубков и свечи. При работе горелки из-за сильного нагревания корпус 43 горелки немного увеличивается и в области радиационной поверхности происходит тепловой и механический контакт поверхностей кожуха и корпуса. При этом кожух в месте контакта сильно разогревается и начинает излучать. При использовании кожуха из вольфрама спектр излучения сдвигается в видимую часть спектра, а при использовании графита, спектр излучения становится близким к спектру абсолютно черного тела. Таким образом происходит коррекция спектра излучения горелки. В этом заключается отличие работы горелок по фиг.10, в остальном работа происходит одинаково с описанными ранее. Другим решением данной задачи является выполнение покрытия радиационной поверхности корпуса 43 горелки слоем вольфрама или графита, непосредственно связанным с поверхностью межмолекулярными силами или силами адгезии и нанесенным одним из известных способов - напылением, гальванотехникой, восстановлением из газообразной фазы или другими известными способами нанесения покрытий.
На фиг.24, 25, 26 и 27 приведены схемы конструкций радиационной рекуперативной горелки по п.17 формулы с использованием прозрачных колб различной формы из стекла. В этом случае корпус радиационной рекуперативной горелки 48 охватывает с зазором стеклянная колба 49, которая герметично закреплена на корпусе горелки 48 (или ее кожухе) вдали от радиационной поверхности. Колба может быть приклеена или приплавлена к корпусу. В пространстве под колбой и над корпусом горелки откачен воздух и создан вакуум, так что можно пренебречь процессами теплопередачи и конвекции через газ. Также допустимо это пространство заполнить инертным газом под пониженным давлением или газом, повышающим светоотдачу.
В процессе работы радиационная поверхность горелки сильно разогревается и начинает излучать. Излучение беспрепятственно проходит пространство под колбой и саму колбу, т.к. она выполнена из стекла, и попадает в окружающую среду. Стеклянная колба 49 препятствует доступу окружающего воздуха к радиационной поверхности и защищает горелку от дополнительных вредных потерь на бесполезное нагревание воздуха, и защищает покрытия из вольфрама или углерода (при их наличии на поверхности) от выгорания. Заполнение пространства инертным по отношению к материалу горелки газом под низким давлением позволяет уменьшить распыление покрытия радиационной поверхности и может увеличить светоотдачу (если при этом газ повышает светоотдачу).
Данные горелки можно использовать как отдельные устройства для проведения технологических процессов и в быту. Кроме этого из-за очень высокой температуры радиационной поверхности горелки их можно эффективно использовать в составе теплоэлектрогенераторов, которые описываются далее по тексту. При этом радиационные горелки можно использовать как сменные элементы в генераторах, что обеспечит долгий срок их эксплуатации при низких издержках, т.к. данные горелки при массовом производстве будут стоить дешево.
На фиг.28 представлен вариант схемы теплоэлектрического генератора по п.18 формулы изобретения. Теплоэлектрогенератор содержит радиационную рекуперативную горелку 50 с радиационной поверхностью 51, фотоэлектрический генератор 52, состоящий из нескольких фотоэлектрических преобразователей, установленных на опорной пластине, электрически соединенных последовательно в единую цепь (не показаны), теплообменник 53 внешней системы отопления со змеевиком 54, трубопроводы 55, насос 56, радиатор 57, расширительный бачок 58, полый кожух 59, у которого внутренняя поверхность выполнена свето- и теплоотражающей. Теплообменник прикреплен к задней стороне 52Б опорной пластины фотоэлектрического генератора с обеспечением наилучшего теплового контакта. Змеевик 54 теплообменника 53 соединен трубопроводами 55 с радиаторами 57 системы отопления здания (или жидкостной системы охлаждения при использовании в качестве автономного источника электроэнергии). В трубопроводе 55 последовательно с радиатором 57 установлен насос 56 для жидкости. В систему трубопроводов 55 подключен расширительный бачок 58. Расширительный бачок 58, трубопроводы 55, насос 56 и радиатор 57 заполнены охлаждающей жидкостью. Лицевая (рабочая) сторона 52а фотоэлектрического преобразователя обращена к радиационной поверхности 51 радиационной рекуперативной горелки 50. Радиационная горелка 50 и фотоэлектрический генератор 52 механически соединены с полым кожухом 59 так, что лицевая сторона 52а фотоэлектрического генератора 52 совместно с радиационной поверхностью 51 и внутренней свето- и теплоотражающей поверхностью кожуха 59 образуют практически замкнутый объем. Выводы (шины) 60 фотоэлектрического генератора 52 присоединяются к клеммам 61, к которым подключен при помощи электрического кабеля 62 преобразователь 63 электрического тока. К выходам преобразователя 63 подключается полезная электрическая нагрузка 64.
Работает устройство следующим образом. После запуска горелки 50 и выхода ее на расчетный режим радиационная поверхность 51 сильно нагревается и начинает излучать инфракрасное излучение и видимый свет, которые попадают на лицевую сторону 52а фотоэлектрического генератора 52 непосредственно или после отражения от внутренних стенок кожуха 59. Часть электромагнитного излучения горелки, падающая на фотоэлектрические преобразователи генератора 52 и принадлежащая полосе частот чувствительности преобразователей, эффективно преобразуется в электроэнергию. Остальные электромагнитные волны, не принадлежащие полосе чувствительности генератора 52, частично отражаются от него. У современных фотоэлектрических преобразователей очень высокий коэффициент отражения волн, не лежащих в полосе чувствительности. После отражения волны вновь попадают на радиационную поверхность 51 либо непосредственно, либо после дополнительного отражения от кожуха 59, и нагревают радиационную поверхность 51, и переизлучаются частично на новых частотах. Таким образом, часть излучения горелки, которая не попадает в полосу чувствительности фотоэлектрических преобразователей не рассеивается полностью бесполезно, что способствует повышению эффективности устройства. Та часть энергии излучения, которая поглотилась фотоэлектрическими преобразователями нагревает их, и передается через них и через опорную пластину теплообменнику 53. Через теплообменник 53 и радиатор 57 циркулирует охлаждающая жидкость, которую гонит по трубопроводам 55 насос 56. В змеевике 54 теплообменника 53 жидкость нагревается и поступает в радиатор 57, который обогревает помещение. Выработанная в фотоэлектрическом генераторе 52 электроэнергия (в виде постоянного тока и напряжения) по шинам 60 передается к клеммам 61, к которым подключен преобразователь 63 электрического тока, преобразующий выработанный постоянный ток в переменный ток заданного напряжения, который поступает на полезную нагрузку 64 потребителей. Таким образом, данное устройство эффективно преобразует энергию сгорания топлива в радиационной горелке в электроэнергию и тепло.
На фиг.29 приведен усовершенствованный вариант схемы теплоэлектрогенератора, который заявляется в пункте 19 формулы. Данный генератор отличается от генератора по схеме фиг.28 наличием дополнительно введенного термоэлектрического генератора, находящегося между фотоэлектрическим преобразователем и теплообменником. Через термопары термоэлектрического генератора тепло передается от фотоэлектрического генератора к теплообменнику. При этом термоэлектрический генератор вырабатывает дополнительную электроэнергию. Это оказывается возможным, потому что излучение радиационной рекуперативной горелки может нагреть фотоэлектрический генератор до температур, которые значительно выше температуры холодильника или чем это необходимо для отопления.
Теплоэлектрогенератор по схеме на фиг.29 содержит радиационную рекуперативную горелку 50 с радиационной поверхностью 51, фотоэлектрический генератор 52, состоящий из нескольких фотоэлектрических преобразователей, установленных на опорной пластине и электрически соединенных последовательно в единую цепь (не показаны), термоэлектрический генератор 65, состоящий из нескольких полупроводниковых термопар, образующих единую жесткую сборку и электрически соединенных последовательно в цепь, теплообменник 53 внешней системы отопления со змеевиком 54, трубопроводы 55, насос 56, радиатор 57, расширительный бачок 58, полый кожух 59, у которого внутренняя поверхность выполнена свето- и теплоотражающей. Термопары образованы ветвями 66, концы которых спаиваются друг с другом, чтобы образовать последовательную электрическую цепь. Спаи ветвей 66 попеременно ориентированы в разные стороны, так что половина всех спаев («нагреваемые» спаи 68) обращена к нагревателю, а другая половина спаев («охлаждаемые» спаи 67) обращена к холодильнику. «Охлаждаемые» спаи 67 крепятся непосредственно к теплообменнику 53 через тонкий слой 69 неэлектропроводного материала. «Нагреваемые» спаи 68 крепятся непосредственно через тонкий слой неэлектропроводного материала к обратной стороне 52Б опорной пластины фотоэлектрического генератора. Змеевик 54 теплообменника 53 соединен трубопроводами 55 с радиаторами 57 системы отопления здания (или жидкостной системы охлаждения при использовании в качестве автономного источника электроэнергии). В трубопроводе 55 последовательно с радиатором 57 установлен насос 56 для жидкости. В систему трубопроводов 55 подключен расширительный бачок 58. Расширительный бачок 58, трубопроводы 55, насос 56 и радиатор 57 заполнены охлаждающей жидкостью. Лицевая (рабочая) сторона 52а фотоэлектрического преобразователя обращена к радиационной поверхности 51 радиационной рекуперативной горелки 50. Радиационная горелка 50 и фотоэлектрический генератор 52 механически соединены с полым кожухом 59 так, что лицевая сторона 52а фотоэлектрического генератора 52 совместно с радиационной поверхностью 51 и внутренней свето- и теплоотражающей поверхностью кожуха 59 образуют практически замкнутый объем. Выводы (шины) 60 фотоэлектрического 52 и термоэлектрического 65 генераторов присоединяются к клеммам 61, к которым подключен при помощи электрического кабеля 62 преобразователь 63 электрического тока. К выходам преобразователя 63 подключается полезная электрическая нагрузка 64.
Работает устройство следующим образом. После включения горелки 50 и выхода ее на расчетный режим радиационная поверхность 51 сильно нагревается и начинает излучать инфракрасное излучение и видимый свет, которые попадают на лицевую сторону 52а фотоэлектрического генератора 52 непосредственно или после отражения от внутренних стенок кожуха 59. Часть электромагнитного излучения горелки, падающая на фотоэлектрические преобразователи генератора 52 и принадлежащая полосе частот чувствительности преобразователей эффективно преобразуется в электроэнергию. Остальные электромагнитные волны, не принадлежащие полосе чувствительности генератора 52, частично отражаются от него. У современных фотоэлектрических преобразователей очень высокий коэффициент отражения волн, не лежащих в полосе чувствительности. После отражения волны вновь попадают на радиационную поверхность 51 либо непосредственно, либо после дополнительного отражения от кожуха 59, и их энергия нагревает радиационную поверхность 51 и переизлучается частично на новых частотах. Таким образом, та часть излучения горелки, которая не попадает в полосу чувствительности фотоэлектрических преобразователей не рассеивается полностью бесполезно, что способствует повышению эффективности устройства. Часть энергии излучения, которая поглотилась фотоэлектрическими преобразователями нагревает их, и передается через опорную пластину горячим спаям 68 термоэлектрического генератора и нагревает их. Далее в результате теплопроводности тепло распространяется по ветвям 66, доходит до «холодных» спаев 67 и затем передается теплообменнику 53. При этом возникает разность температур между «горячими» 68 и «холодными» 67 спаями термопар. В результате этого в цепи термоэлектрического генератора возникает термоЭДС и при протекании через цепь электрического тока вырабатывается электроэнергия. Через теплообменник 53 и радиатор 57 циркулирует охлаждающая жидкость, которую гонит по трубопроводам 55 насос 56. В змеевике 54 теплообменника 53 жидкость нагревается и поступает в радиатор 57, который обогревает помещение. Выработанная в фотоэлектрическом 52 и термоэлектрическом 65 генераторах электроэнергия (в виде постоянного тока и напряжения) по шинам 60 передается к клеммам 61. К клеммам 61 подключен преобразователь 63 электрического тока, который преобразует выработанный постоянный ток в переменный ток заданного напряжения и из него поступает на полезную нагрузку 64 потребителей. Таким образом, данное устройство эффективно преобразует энергию сгорания топлива в радиационной горелке в электроэнергию и тепло, при этом КПД по получению электроэнергии оказывается выше, чем в устройстве по п.7 формулы, и изображенном на фиг.12.
На фиг.30 представлена схема другого эффективного теплоэлектрогенератора по п.20 формулы, который использует для выработки электроэнергии явление термоэлектронной эмиссии.
Теплоэлектрогенератор по схеме, представленной на фиг.30, содержит радиационную рекуперативную горелку 50 с радиационной поверхностью 51, термоэмиссионный генератор 70, состоящий из электрически соединенных последовательно в единую цепь одного и/или нескольких термоэмиссионных преобразователей, каждый из которых имеет размещенные в герметичном корпусе эмиттерный 71 и коллекторный электроды 72, покрытые тонкой пленкой металлического цезия и разделенные малым вакуумным промежутком 73 (порядка 0,1-0,01 миллиметра), который заполнен парами цезия, теплообменник 53 внешней системы отопления со змеевиком 54, трубопроводы 55, насос 56, радиатор 57, расширительный бачок 58, полый кожух 59, у которого внутренняя поверхность выполнена свето- и теплоотражающей, а стенки покрыты с внешней стороны слоем тепловой изоляции. Стенки корпусов термоэмиссионных преобразователей частично образованы плоскими эмиттерными 71 и коллекторными 72 электродами. Электроды изготовлены из тугоплавкого металла, например вольфрама. Теплообменник 53 имеет тепловое соединение через слой (стенку) 74 из неэлектропроводного материала с коллекторами 72 термоэмиссионных преобразователей. Змеевик 54 теплообменника 53 соединен трубопроводами 55 с радиаторами 57 системы отопления здания (или жидкостной системы охлаждения при использовании в качестве автономного источника электроэнергии). В трубопроводе 55 последовательно с радиатором 57 установлен насос 56 для жидкости. В систему трубопроводов 55 подключен расширительный бачок 58. Расширительный бачок 58, трубопроводы 55, насос 56 и радиатор 57 заполнены охлаждающей жидкостью. Радиационная горелка 50 соединены с полым кожухом 59 и частично помещена внутрь кожуха так, что радиационная поверхность 51 горелки 50 полностью находится внутри кожуха. Преобразователи термоэмиссионного генератора 70, теплообменник 53, соединенный с коллекторами 72 преобразователей, помещены внутрь полости кожуха 59 и приведены в механический контакт наружными сторонами плоских эмиттеров 71 с радиационной поверхностью 51 горелки 50. При этом для осуществления механического контакта данные элементы могут быть подпружинены или соединены с кожухом 59 так, что осуществляется данный контакт при монтаже. Если горелка имеет электропроводящее покрытие на радиационной поверхности, то между эмиттерами 71 и радиационной поверхностью 51 необходимо оставить малый зазор, который можно полностью или частично заполнить тугоплавким неэлектропроводным материалом (не показан). Выводы (шины) 60 термоэмиссионного генератора 70 присоединяются к клеммам 61, к которым подключены при помощи электрического кабеля 62 входы преобразователя 63 электрического тока. К выходам преобразователя 63 подключается полезная электрическая нагрузка 64.
Работает устройство следующим образом. После включения горелки 50 и выхода ее на расчетный режим радиационная поверхность 51 сильно нагревается и начинает излучать инфракрасное излучение и видимый свет. Эмиттеры 71 преобразователей термоэмиссионного генератора нагреваются от радиационной поверхности 51 горелки 50 теплопередачей в местах непосредственного контакта поверхностей эмиттеров 71 с радиационной поверхностью 51 и излучением во всех остальных точках. В результате сильного нагревания эмиттерные электроды из-за явления термоэлектронной эмиссии начинают испускать во внутреннее пространство 73 (которое заполнено парами металла цезия) электроны и излучать электромагнитные волны, что также вызывает нагревание коллектора (но до меньших температур). В результате нагревания электродов металлический цезий начинает частично испаряться как с поверхности эмиттера, так и с поверхности коллектора. В результате этого промежуток 73 заполняется парами цезия. Давление паров цезия будет равно давлению насыщенного пара при температуре коллектора (если цезия первоначально в системе было достаточно) т.к. именно эта часть преобразователя является его самой холодной частью или меньше, в случае если первоначального количества цезия было недостаточно. При работе коллектор разогревается до температур 700-900 К. В этих условиях работа выхода электронов с поверхности коллектора будет фактически определяться работой выхода цезия и составлять около 1,7 эВ. Работа выхода с поверхности эмиттера будет сильно зависеть от температуры эмиттера и давления паров цезия в промежутке 73 и меняется в пределах от 1,7 эВ до 4,5 эВ. Эта зависимость хорошо известна и имеет вид буквы S. Кроме этого пары цезия частично ионизируются, что приводит к возникновению объемного положительного заряда в промежутке 71 (подробнее см. книгу Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.Н. «Эмиссионная электроника», Москва, Наука, 1966 г., с.230-235). Из-за явления термоэлектронной эмиссии эмиттер начинает интенсивно испускать электроны, которые достигают коллектора и в системе возникает ток и ЭДС, определяемая разностью работ выхода электронов с поверхности электродов. Именно при выполнении условий, когда температура коллектора будет находиться в диапазоне 700-900 К, а температура эмиттера более 2000 К, будут реализовываться наиболее эффективные режимы работы термоэмиссионных преобразователей. Это объясняется следующими причинами: полная или частичная компенсация объемного отрицательного заряда электронов ионами цезия, которая возможна при низких давлениях паров при их поверхностной ионизацией на эмиттере, создание оптимальной работы выхода электронов с поверхности эмиттера (2,5-3,5 эВ). Коэффициент полезного действия термоэмиссионного преобразователя, работающего в данном режиме, в настоящее время составляет 20-25% (при теоретически возможном - 50-60%). Тепло от нагретых коллекторов 72 из-за теплопроводности передаются конструкциям теплообменникам 53, в которых происходит постепенное падение температуры до уровня 100-120°С, которое необходимо для нагревания жидкости в змеевике 54 системы отопления. Через теплообменник 53 и радиатор 57 циркулирует охлаждающая жидкость, которую гонит по трубопроводам 55 насос 56. В змеевике 54 теплообменника 53 жидкость нагревается и поступает в радиатор 57, который отапливает помещение. Выработанная в преобразователях термоэмиссионного генератора 70 электроэнергия (в виде постоянного тока и напряжения) по шинам 60 передается к клеммам 61. К клеммам 61 подключен преобразователь 63 электрического тока, который преобразует выработанный постоянный ток в переменный ток заданного напряжения и из него поступает на полезную нагрузку 64 потребителей. Таким образом, данное устройство эффективно преобразует энергию сгорания топлива в радиационной горелке в электроэнергию и тепло.
Как видно из описания работы устройства по схеме на фиг.30, температура коллекторов термоэмиссионного генератора оказывается довольно высокой для непосредственной утилизации энергии в тепло для отопления. Поэтому имеется резерв увеличения КПД при получении электроэнергии. На фиг.31 изображена схема усовершенствованного теплоэлектрогенератора (по пункту 21 формулы), который отличается от описанного по схеме на фиг.30 наличием дополнительного термоэлектрического преобразователя, помещенного между термоэмиссионным генератором и теплообменником. При этом теплообменник является холодильником для термоэлектрического генератора, для которого нагревателем является термоэмиссионный генератор. В свою очередь холодильником для термоэмиссионного генератора становится термоэлектрический генератор.
На фиг.31 представлена возможная схема устройства теплоэлектрогенератора по п.10 формулы. Теплоэлектрогенератор содержит радиационную рекуперативную горелку 50 с радиационной поверхностью 51, термоэмиссионный генератор 70, состоящий из электрически соединенных последовательно в единую цепь одного и/или нескольких термоэмиссионных преобразователей, каждый из которых имеет размещенные в герметичном корпусе эмиттерный 71 и коллекторный электроды 72, покрытые тонкой пленкой металлического цезия и разделенные малым вакуумным промежутком 73 (порядка 0,1 - 0,01 миллиметра), который заполнен парами цезия, термоэлектрический генератор 65, состоящий из нескольких термопар, образующих единую жесткую сборку и электрически соединенных последовательно в цепь, теплообменник 53 внешней системы отопления со змеевиком 54, трубопроводы 55, насос 56, радиатор 57, расширительный бачок 58, полый кожух 59, у которого внутренняя поверхность выполнена свето- и теплоотражающей, а стенки покрыты с внешней стороны слоем тепловой изоляции. Стенки корпусов термоэмиссионных преобразователей частично образованы плоскими эмиттерными 71 и коллекторными 72 электродами. Электроды 71 и 72 изготовлены из тугоплавкого металла, например вольфрама, и покрыты тонкой пленкой цезия. Термопары термоэлектрического генератора 65 образованы ветвями 66, концы которых спаиваются друг с другом, чтобы образовать последовательную электрическую цепь. Спаи ветвей 66 попеременно ориентированы в разные стороны, так что половина всех спаев («нагреваемые» спаи 68) обращена к нагревателю, а другая половина спаев («охлаждаемые» спаи 67) обращена к холодильнику. «Охлаждаемые» спаи 67 крепятся непосредственно к теплообменнику 53 через тонкий слой 69 неэлектропроводного материала. «Нагреваемые» спаи 68 крепятся непосредственно через тонкий слой неэлектропроводного материала к коллекторам 72 термоэмиссионного генератора 70. Змеевик 54 теплообменника 53 соединен трубопроводами 55 с радиаторами 57 системы отопления здания (или жидкостной системы охлаждения при использовании в качестве автономного источника электроэнергии). В трубопроводе 55 последовательно с радиатором 57 установлен насос 56 для жидкости. К системе трубопроводов 55 подключен расширительный бачок 58. Расширительный бачок 58, трубопроводы 55, насос 56 и радиатор 57 заполнены охлаждающей жидкостью. Радиационная горелка 50 соединена с полым кожухом 59 и частично помещена внутрь кожуха так, что радиационная поверхность 51 горелки 50 полностью находится внутри кожуха. Теплообменник 53, термоэлектрический генератор 65 и термоэмиссионный генератора 70 помещены внутрь полости кожуха 59. При этом наружные стороны плоских эмиттеров 71 соприкасаются с радиационной поверхностью 51 горелки 50. При этом для осуществления механического контакта данные элементы могут быть подпружинены или соединены с кожухом 59 так, что данный контакт осуществляется при монтаже. Если горелка имеет электропроводящее покрытие на радиационной поверхности, то между эмиттерами 71 и радиационной поверхностью необходимо оставить малый зазор, который можно полностью или частично заполнить тугоплавким неэлектропроводным материалом (не показаны). Выводы (шины) 60 термоэмиссионного генератора 70 и термоэлектрического генератора 65 присоединяются к клеммам 61, к которым подключен при помощи электрического кабеля 62 преобразователь 63 электрического тока. К выходам преобразователя 63 подключается полезная электрическая нагрузка 64.
Работает устройство следующим образом. После включения горелки 50 и выхода ее на расчетный режим радиационная поверхность 51 сильно нагревается и начинает излучать инфракрасное излучение и видимый свет. Эмиттеры 71 преобразователей термоэмиссионного генератора нагреваются от радиационной поверхности 51 горелки 50 теплопередачей в местах непосредственного контакта поверхностей эмиттеров 71 с радиационной поверхностью 51 и излучением во всех остальных точках. В результате сильного нагревания эмиттерные электроды из-за явления термоэлектронной эмиссии начинают испускать во внутреннее пространство 73 (которое заполнено парами металла цезия) электроны и излучать электромагнитные волны, что также вызывает нагревание коллектора (но до меньших температур). При этом в преобразователях термоэмиссионного генератора 70 возникает ток и ЭДС, определяемая разностью работ выхода электронов с поверхности электродов. В результате этого термоэмиссионный генератор вырабатывает электроэнергию. Именно при выполнении условий, когда температура коллектора будет находиться в диапазоне 700-900 К, а температура эмиттера более 2000 К, будут реализовываться наиболее эффективные режимы работы термоэмиссионных преобразователей. Тепло от нагретых коллекторов 72 передается горячим спаям 68 термоэлектрического генератора и нагревает их. Далее в результате теплопроводности тепло распространяется по ветвям 66, доходит до «холодных» спаев 67 и затем передается теплообменнику 53. При этом возникает разность температур между «горячими» 68 и «холодными» 67 спаями термопар. В результате этого в цепи термоэлектрического генератора возникает термоЭДС и при протекании через цепь электрического тока вырабатывается электроэнергия. Через теплообменник 53 и радиатор 57 циркулирует охлаждающая жидкость, которую гонит по трубопроводам 55 насос 56. В змеевике 54 теплообменника 53 жидкость нагревается и поступает в радиатор 57, который отапливает помещение. Выработанная в преобразователях термоэмиссионного генератора 70 и в термопарах термоэлектрического генератора 65 электроэнергия (в виде постоянного тока и напряжения) по шинам 60 передается к клеммам 61. К клеммам 61 подключен преобразователь 63 электрического тока, который преобразует выработанный постоянный ток в переменный ток заданного напряжения, который из него поступает на полезную нагрузку 64 потребителей. Таким образом, данное устройство эффективно преобразует энергию сгорания топлива в радиационной горелке в электроэнергию и тепло. КПД преобразования энергии топлива в электроэнергию будет выше, чем в теплоэлектрогенераторе по схеме фиг.14 и в настоящее время может достигать значений 30% (при теоретически возможном около 60%).