Индивидуальный автономный теплоэлектрогенератор
INDIVIDUAL AUTONOMOUS THERMAL POWER GENERATOR

Предлагаемое изобретение относится к теплоэлектроэнергетике, а именно, для обеспечения тепловой и электрической энергией индивидуальных домов и квартир путем одновременного получения тепловой и электрической энергии в одном аппарате.
Известен теплоэлектрогенератор для автономного энергоснабжения,  содержащий наружный и внутренний вертикальные прямоугольные коробы, перекрытые с торцов днищами с образованием между ними прямоугольной полости, в которой расположены первичный и вторичный контуры, подключенные друг к другу вертикальными трубами, во внутреннем вертикальном прямоугольном коробе расположена универсальная топка с газоходом, через верхние днища наружного и внутреннего коробов пропущен газовый патрубок, первичный и вторичный контуры снабжены входными и выходными патрубками, устроенными в верхней и нижней частях наружного короба, причем поверхности обоих коробов и днищ в зонах первичного и вторичного контуров, соприкасающиеся с нагреваемой водой, покрыты ребристым слоем диэлектрического материала с высокой теплопроводностью с вертикальными и горизонтальными ребрами, внутри которых помещены теплоэлектрические секции, состоящие из нескольких смежных вертикальных или горизонтальных ребер, в каждом из которых помещен ряд термоэмиссионных преобразователей, каждый из которых состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых параллельно соединены с контактными проводами, также выполненными из пары полос одноименных металлов М1 и М2, плотно прижатых друг к другу, которые расположены вдоль длины вертикальных и горизонтальных ребер в зонах нагрева и охлаждения, свободные концы крайних рядов каждой теплоэлектрической секции присоединены к коллекторам с одноименными зарядами, соединенным с токовыводами [Патент. РФ №2493504, МПК F 24 H1/00, 2013].
Основными недостатками известного устройства являются низкая скорость теплопередачи между дымовыми газами и нагреваемой водой, обусловленная тем, что все теплообменные поверхности покрыты слоем диэлектрического материала, создающего дополнительное термическое сопротивление, недостаточный нагрев концов металлов М1 и М2 каждой ТЭП, находящихся в зоне нагрева, обусловленный, в первую очередь, малой площадью этой зоны, соприкасающееся с горячим потоком,  что является причиной небольшой разности температур между горячими и холодными концами термоэмиссионных преобразователей и малому количеству вырабатываемого термоэлектричества, наличие свободного пространства в газоходе теплоэлекторогенератора, не участвующего в процессе теплопередачи, что уменьшает площадь теплопередачи, невозможность замены отдельных ТЭС без разрушения внутреннего покрытия из диэлектрического материала и смежных ТЭС, что, в конечном счете, снижает его надежность и эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является теплоэлектрогенератор для автономного энергоснабжения, содержащий наружный и внутренний вертикальные прямоугольные коробы, перекрытые с торцов крышками и днищами, с образованием между ними водяной рубашки и поперечных газоплотных перегородок, образующими первичный и вторичный контуры, подключенные друг к другу вертикальными трубами, во внутреннем коробе расположена универсальная топка  с газоходом, через крышки наружного и внутреннего коробов пропущен газовый патрубок, соединяющий газоход с атмосферой, первичный и вторичный контуры снабжены входными и выходными патрубками, причем газоход состоит из газового коллектора, представляющего собой полость в виде призмы, примыкающую к входному отверстию газового патрубка и пластинчатого теплообменника, образованного вертикальными перегородками с вертикальные газовыми каналами и горизонтальными водяными каналами, соединенными через прямоугольные отверстия в верхней части фронтальной и тыльной стенок внутреннего короба с первичным водяным контуром, стенки наружного короба покрыты декоративным коробом, верхняя крышка покрыта П–образной декоративной крышкой с образованием между ними щелей шириной Δ, при этом стенки наружного и внутреннего коробов, крышек, днищ и вертикальных перегородок в зонах первичного и вторичного контуров, соприкасающиеся с нагреваемой водой выполнены с
с продольными вертикальными и горизонтальными зубчатыми пазами, обращенными в горячую сторону, в которые вставлены зубчатые ребра, состояшие из последовательно соединенных термоэмиссионных преобразователей, покрытых слоем диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, причем каждый термоэмиссионный преобразователь состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых соединены между собой контактными спаями, которые расположены вдоль длины зубчатых ребер в  их зубьях в зонах нагрева и охлаждения, контактные спаи каждой пары зубчатых ребер с одного торца соединены меду собой перемычками, а с противоположного торца контактные спаи зубчатых ребер этих же пар соединены между собой в зоне охлаждения через конденсаторы, образуя теплоэлектрические секции, которые через перемычки  последовательно соединены между, образуя теплоэлектрические блоки, размещенные на всех теплообменных поверхностях, а именно, на стенках наружного и внутреннего коробов, крышках, днищах и вертикальных перегородках, а свободные концы с клеммами последовательно соединенных теплоэлектрических секций каждого теплоэлектрического блока  присоединены к коллекторам с одноименными зарядами, соединенными с токовыводами.
Основными недостатками известного устройства являются сложная конструкция  теплоэлектрических секций, являющаяся причиной значительных потерь электричества, необходимость размещения их внутри теплогенератора, обусловленные этим необходимость значительной переделки и реконструкции всего устройства, что, в конечном счете, снижает его надежность и эффективность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности индивидуального автономного теплоэлектрогенератора.
1
2
3
Технический результат достигается тем, что предлагаемый индивидуальный автономный теплоэлектрогенератор содержит наружный и внутренний вертикальные прямоугольные коробы, перекрытые с торцов крышками и днищами, с образованием между ними прямоугольной полости –водяной рубашки с поперечными газоплотными перегородками, образующими первичный и вторичный контуры, подключенные друг к другу вертикальными трубами, во внутреннем вертикальном прямоугольном коробе расположена топка с газоходом, через нижние части правых боковых стенок вышеупомянутых  коробов пропущен прямоугольный горизонтальный короб, образующий загрузочное отверстие, соединенное внутри с топкой и закрытое снаружи люком, снабженным монтажными отверстиями для горелки и средств автоматики, причем через верхние  крышки  наружного и внутреннего коробов пропущен газовый патрубок, соединяющий газоход с атмосферой, первичный и вторичный контуры снабжены входными и выходными патрубками, устроенными в верхней и нижней частях наружного короба, газоход состоит из газового коллектора, представляющего собой полость в виде призмы, примыкающую к входному отверстию газового патрубка и пластинчатого теплообменника, образованного вертикальными перегородками с вертикальные газовыми каналами и горизонтальными водяными каналами, соединенными через прямоугольные отверстия в верхней части фронтальной и тыльной стенок короба с первичным водяным контуром, наружный короб покрыт декоративным коробом, верхняя крышка покрыта П–образной декоративной крышкой с образованием между ними щелей шириной  Δи вытяжного кольца между ней и газовым патрубком, на стенки наружного короба и крышки в зонах первичного и вторичного контуров, соприкасающиеся с нагреваемой водой прикреплены теплоэлектрические секции, каждая из которых представляет собой продольную рамку, с N прямоугольными проемами, на торцах каждой рамки устроены по одному резьбовому отверстию с крепежными болтами,  в прямоугольные проемы  вставлены N плоских термоэлектрических преобразователей, соединенных токовыводами  с одноименными коллекторами, причем на верхнюю наружную поверхность плоских термоэлектрических преобразователей  каждой рамки наложены радиаторы, выполненные из материала с высокой теплопроводностью, снабженные на торцах крепежными отверстиями, прижатые к наружной поверхности плоских термоэлектрических преобразователей крепежными болтами , а свободная поверхность наружного короба и верхней крышки между соседними  теплоэлектрическими секциями шириной Δ   покрыта слоем теплоизоляционного материала, наружная поверхность выходного участка газового патрубка на расстоянии Δ   от декоративной крышки также покрыта рядами  теплоэлектрических секций, закрытыми декоративной цилиндрической обечайкой, при этом, одноименные коллекторы теплоэлектрических секций, размещенных на стенках наружного короба, крышке и газового патрубка,  соединены между собой перемычками,  образуя теплоэлектрические блоки, которые, в свою очередь, присоединены к коллекторам с одноименными зарядами, соединенными с токовыводами.
На фиг. 1–4 представлены общий вид и разрезы индивидуального автономного теплоэлектргенератора (ИАТЭГ), на фиг. 5,6 – узел теплоэлектрической секции (ТЭС) и плоского термоэлектрического преобразователя (ПТЭП).
1
2
3
3
Предлагаемый ИАТЭГ содержит наружный и внутренний вертикальные прямоугольные коробы 1 и 2, перекрытые с торцов крышками и днищами 3, 4 и 5, 6, соответственно, с образованием между ними прямоугольной полости –водяной рубашки 7 с поперечными газоплотными перегородками 8 и 9, образующими первичный и вторичный контуры, подключенные друг к другу вертикальными трубами 10, во внутреннем вертикальном прямоугольном коробе 2 расположена топка 11 с газоходом 12, через нижние части правых боковых стенок коробов 1 и 2 пропущен прямоугольный горизонтальный короб 13, образующий загрузочное отверстие 14, соединенное внутри с топкой 11 и закрытое снаружи люком 15, снабженным монтажными отверстиями для горелки и средств автоматики (на фиг.1–6 не показаны), короб 13, в свою очередь, закрыт сверху и сбоку П–образным кожухом 16, соединенным своими кромками с правыми боковыми стенками наружного и внутреннего коробов 1, 2 и нижней перегородкой 9, с образованием П–образной полости 17, сообщающейся сверху и снизу с полостью вторичного контура, причем через крышки 3 и 4 наружного и внутреннего коробов 1 и 2 пропущен газовый патрубок 18, соединяющий газоход 12 с атмосферой, первичный и вторичный контуры снабжены входными и выходными патрубками 19, 20 и 21, 22, соответственно, устроенными в верхней и нижней частях наружного короба 1, газоход 12 состоит из газового коллектора 23, представляющего собой полость в виде призмы, примыкающую к входному отверстию газового патрубка 18 и пластинчатого теплообменника 24, образованного вертикальными перегородками 25 с вертикальные газовыми каналами 26 и горизонтальными водяными каналами 27, соединенными через прямоугольные отверстия  28 в верхней части фронтальной и тыльной стенок короба 2 с первичным водяным контуром, стенки наружного короба 1 покрыты декоративным коробом 29, верхняя крышка 3 покрыта П–образной декоративной крышкой 30 с образованием между ними щелей шириной  Δи вытяжного кольца 31 между ней и газовым патрубком 18,  на стенки наружного короба 1 и крышки 3 в зонах первичного и вторичного контуров, соприкасающиеся с нагреваемой водой прикреплены теплоэлектрические секции  (ТЭС) 32, каждая из которых представляет собой продольную рамку 33, с N прямоугольными проемами 34, на торцах каждой рамки 33 устроены по одному резьбовому отверстию 35 с крепежными болтами 36, соответственно. В прямоугольные проемы 34 вставлены N плоских термоэлектрических преобразователей (ПТЭП) 37, соединенных токовыводами 38 и 39 с одноименными коллекторами 40 и 41, на верхнюю наружную поверхность ПТЭП 37 каждой рамки 33 ТЭС 32 наложены радиаторы 42, выполненные из материала с высокой теплопроводностью, снабженные на торцах двумя крепежными отверстиями 43, прижатые к наружной поверхности  ПТЭП  37 крепежными болтами 36 , а свободная поверхность короба 1 и верхней крышки 3 между соседними ТЭС 32 шириной Δ   покрыта слоем теплоизоляционного материала 44, наружная поверхность выходного участка газового патрубка 18 на расстоянии Δ   от декоративной крышки 30 также покрыта рядами  ТЭС 32, закрытыми декоративной цилиндрической обечайкой 45,  при этом   одноименные коллекторы 40 и 41 ТЭС 32, размещенных на стенках наружного короба 1, крышке 3 и газового патрубка Δ   18,  соединены между собой перемычками (на фиг.1–6 не показаны),  образуя теплоэлектрические блоки (ТЭБ) 44, которые, в свою очередь, присоединены к коллекторам с одноименными зарядами, соединенными с токовыводами (на фиг. 1–6 не показаны).
ГН
ГК
ВН
ВК
Предлагаемый ИАТЭГ, представленный на фиг. 1–6, работает следующим образом. После заполнения первичного и вторичного контуров водой, создания в них ее циркуляции и начала горения топлива в топке 11 АИТЭГ дымовые газы, поднимаясь снизу вверх, с начальной температурой t, омывают внутреннюю поверхность внутреннего короба 2, проходят через газовые каналы 26, отдавая свое тепло воде двигающейся в полости водяной рубашки 7 и водяных каналах 27, охлаждаются до заданной температуры t и выводятся через патрубок дымовых газов 18 в дымовую трубу (на фиг. 1–6  не показана) и далее в атмосферу. При этом, в результате теплообмена между дымовыми газами через стенки внутреннего короба 2, вертикальные перегородки 25 пластинчатого теплообменника 24 и сетевой водой, поступающей из системы отопления (на фиг. 1–6 не показана) через патрубок 19 и движущейся сверху вниз по рубашке 7 справа налево по водяным каналам 27 (первичному контуру), вода нагревается от температуры t до температуры t и через патрубок 20 подается в систему отопления. Параллельно процессу нагрева сетевой воды в первичном контуре, во вторичный контур (в трубы 10 и полости между крышками 3, 4 и днищами 5, 6) через патрубок 21 подается водопроводная вода, которая движется сверху вниз, нагревается за счет теплообмена с горячей сетевой водой через стенки труб 10, а через крышку 4 и днище 5 внутреннего короба 2 с дымовыми газами, после чего через патрубок 22 горячая вода подается потребителю (на фиг. 1–6 не показан). Одновременно, в результате процесса конвективной теплопередачи от дымовых газов и сетевой воды, нагреваются стенки короба 1, крышка 3 и наружная поверхность газового патрубка 18, на которых помещены ПТЭП 37 ТЭС 32, в результате чего происходит нагрев нижней зоны нагрева ПТЭП 37 и одновременное быстрое охлаждение их верхней зоны за счет контакта радиаторов 42 за счет высокой теплопроводности их материала, плотно прижатых к верхней поверхности ПТЭП 37 и омывания их потоком воздуха, движущегося в полостях меду коробом 1 и декоративным ограждением 29  и газового патрубка 18 и декоративного цилиндра 46 за счет естественной тяги, созданной разностью температур воздуха, [И. Н. Сушкин. Теплотехника. – М.: «Металлургия», 1973, с. 195–198]. Создаваемая разность температур между зонами нагрева и охлаждения в ПТЭП 37 вызывает в них эмиссию электронов и возникновение в ТЭС 32 термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506]. Полученное термоэлектричество каждой ТЭС 32 суммируется в ТЭБ 46 и через общие коллекторы поступает в преобразователь, аккумулятор и далее потребителю (на фиг. 1–6 не показаны).
В отличие от известного теплоэлектрогенератора в предлагаемом ИАТЭС не требуется переделка всей его конструкции, которая остается неизменной, реконструкция заключается лишь в креплении рядов теплоэлектрических секций 32  к  наружной поверхности короба 1, крышки 3, участка газового патрубка 18  и покрытии их декоративным ограждением  29 и цилиндром 45, исключает необходимость установки теплоэлектрических секций внутри котла, что многократно упрощает его конструкцию, возможность замены вышедших из строя термоэлектрических элементов  внутри теплогенератора,  что, в конечном, увеличивает  его надежность и эффективность.
ГН
ГК
ВН
ВК
Величина начальной температуры дымовых газов tопределяется  видом топлива и конструкцией топки, их конечная температура t – составом дымовых газов и требуемым температурным напором. Значения начальной и конечной температур нагреваемой воды  t и t определяются площадью теплообменных поверхностей теплоэлектрогенератора и требованиями потребителя тепла. Величина разности электрического потенциала и силы тока на коллекторах каждого ТЭБ 46 зависит от характеристик пары металлов М1 и М2, из которых изготовлены ПТЭП 37, их числа в одной ТЭС 32 и разности температур холодных и горячих контактных сторон ПТЭП 37. Требуемые напряжение U и силу тока I ИАТЭГ получают путем установки соответствующего числа ПТЭП 37 ТЭС 32  в каждом ТЭБ 46, суммирования и трансформации получаемого ими тока.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет упростить конструкцию котла и теплоэлектрических секций (ТЭС), значительно снизить потери электрической мощности, что повышает надежность и эффективность индивидуального автономного теплоэлектрогенератора.