Стенд для исследования термогенераторных модулей

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в качестве лабораторного оборудования в научных исследованиях и учебном процессе для снятия характеристик термогенераторных модулей и термоэлектрических генераторов, применяемых в отраслях народного хозяйства.
Известна модельная установка с термоэлектрическим генератором (Виноградов С.В., Халыков К.Р. Использование термоэлектрических генераторов в судовых энергетических установках, как устройств прямого преобразования тепловой энергии в электрическую / Вестник АГТУ. Сер. Морская техника и технология // Астрахань. - 2014. - №4. - С. 48, 49 - аналог), содержащая термоэлектрический генератор, отводную трубу, систему трубопроводов и регулирующую арматуру, насос для подачи охлаждающей воды, расходомер, фильтр, нагрузочное устройство, патрубки.
Недостатком известного устройства является низкая функциональная возможность не позволяющая проводить исследования режимов работы термогенераторных модулей с различной электрической нагрузкой и в аварийном режиме.
Известна принципиальная схема экспериментальной установки (Виноградов С.В., Халыков К.Р., Конг Доан Нгуен. Методика расчета и оценки параметров экспериментального термоэлектрического генератора / Вестник АГТУ. Сер. Морская техника и технология // Астрахань. - 2011. - №1. - С. 84, 85 - прототип), включающая тепловой двигатель, термоэлектрический генератор, нагрузочное устройство, вольтметр, амперметр, термометр, расходомер, насос, резервуар с водой, выхлопной трубопровод, отводную трубу.
Недостатком известного устройства является низкая эффективность работы схемы, так как она не позволяет производить оценку мощности термогенераторных модулей в расширенном интервале температур.
Из уровня техники известно (Шостаковский П.Г. Термоэлектрические генераторы промышленного применения. Часть 1. // Современная электроника. - 2016. - №1. - С. 1-5.), что оценка мощности термогенераторных модулей в расширенном интервале температур позволит подобрать точку максимума при некоторой температуре, при которой показатель эффективности термоэлектрического преобразования полупроводникового вещества будет наивысшим.
Также известно (Высокоэнергетическая электроника: Учеб. Пособие для ВУЗов / Под ред. В.Е. Фортова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. С. 78, 79), что эффективность работы термогенераторных модулей зависит от режимов работы нагрузки (потребителей).
Задача полезной модели - повысить эффективность работы стенда путем производства оценки мощности термогенераторных модулей в расширенном интервале температур, а также расширить функциональные возможности стенда путем исследования режимов работы термогенераторных модулей с электрической нагрузкой и в аварийном режиме.
Технический результат, в отличие от известных технических решений, достигается тем, что термоэлектрический генераторный модуль расположен между теплоприемником, оснащенным датчиком высоких температур, нагреваемым посредством регулировки величины факела пламени редуктором с манометром, и радиатором, оснащенным датчиком низких температур, охлаждаемым посредством вентилятора, притом оба датчика подключены к измерителю-регулятору технологическому, а величины термоэдс и тока отслеживается по вольтметру и амперметру соответственно, соединяемым посредством щита управления с аккумулятором и переменным реостатом, а посредством проводов - с термогенераторным модулем.
На фиг. представлен стенд для исследования термогенераторных модулей.
Стенд содержит три блока (фиг. ). Первый - топливный блок 1 - содержит газовый баллон 4 с манометром 5 и редуктором 6, соединенный посредством гибкого шланга 7 с горелкой 8, содержащей пьезоэлемент 9. Второй испытательный блок 2 содержит радиатор 10 с вентилятором 11 и теплоприемник 12. Между радиатором 10 и теплоприемником 12 помещается термогенераторный модуль 13 с проводами 14. Конструкция скреплена пружинными шайбами 15. Третий - измерительный блок 3 - укомплектован измерителем-регулятором технологическим 18 с датчиком высоких температур 16 и датчиком низких температур 17, вольтметром 19, амперметром 20, аккумулятором 21, переменным реостатом 22, щитом управления 23.
Стенд работает следующим образом (фиг.). Перед началом испытаний в испытательном блоке 2 между радиатором 10 и теплоприемником 12 помещается испытуемый термогенераторный модуль 13. Конструкция скрепляется пружинными шайбами 15. Затем редуктором 6 открывается газ, который поступает из баллона 4 по гибкому шлангу 8 и поджигается с помощью пьезоэлемента 9. Из горелки 8 пламя воздействует на теплоприемник 12 и одна сторона термогенераторного модуля 13 нагревается, а другая - охлаждается путем радиатора 10 с вентилятором 11. В это же время на концах проводов 14 возникает разность потенциалов (термоэдс), величина которой отслеживается по вольтметру 19. Отслеживая расход газа по манометру 5, редуктором 6 регулируется величина факела пламени до тех пор, пока датчик высоких температур 16 и датчик низких температур 17 не измерят такие оптимальные для работы термогенераторного модуля 13 значения температур, при которых вольтметр 19 покажет максимальное значение напряжения, и которые зафиксируются измерителем-регулятором технологическим 18.
Исследования параметров работы термогенераторных модулей в четырех режимах: холостого хода, зарядки аккумулятора, переменной нагрузки, разрядки аккумулятора и аварийном режиме: перегрев, проводятся следующим образом.
1. Режим холостого хода. В данном режиме переменный реостат 22 и аккумулятор 21 отключены с помощью переключателя I в щите управления 23. Данный режим возможен в реальных условиях эксплуатации в том случае, когда электрическая нагрузка выключена, источник тепловой энергии функционирует, а аккумулятор не требует подзарядки или отсутствует.
2. Режим зарядки аккумулятора. Для осуществления данного режима необходимо в щите управления 23 с помощью переключателя II подключить аккумулятор 21. Величина термоэдс наблюдается по вольтметру 19, а зарядный ток отслеживается по амперметру 20. Данный режим применяется, когда электрическая нагрузка выключена, источник тепловой энергии функционирует и имеется техническая возможность зарядки аккумулятора.
3. Режим переменной нагрузки. В этом режиме стенд работает следующим образом. Включается переключатель III в щите управления 23. Ток поступает на переменный реостат 22 и аккумулятор 21. С помощью переменного реостата 22 имитируется снижение/увеличение нагрузки. Величина термоэдс наблюдается по вольтметру 19, а ток отслеживается по амперметру 20. Данный режим в реальных условиях соответствует основному рабочему режиму и применяется когда функционирует источник тепловой энергии в оптимальном режиме, а нагрузка потребителей изменяется в зависимости от технологических нужд.
4. Режим разрядки аккумулятора. Здесь с помощью переменного реостата 22 имитируется снижение/увеличение нагрузки, запитанной напрямую от аккумулятора 21. Данный режим в реальных условиях применяется, когда источник тепловой энергии не функционирует, термогенераторный модуль не работает, а нагрузка потребителей изменяется в зависимости от технологических нужд.
В первых трех режимах предполагается, что источник тепловой энергии функционирует в оптимальных условиях, обеспечивающих максимальный КПД термогенераторного модуля.
5. Режим перегрева термогенераторного модуля. Данный режим можно обеспечить двумя способами: путем увеличения количества подаваемого газа из баллона 4 редуктором 6 увеличивается величина факела пламени и тем самым температура теплоприемника 12, либо отключается вентилятор 11 на радиаторе 10.
В реальных условиях данный режим может наступить по причине неправильной эксплуатации, выхода из строя оборудования и т.п.
В стенде датчик высоких температур 16 и датчик низких температур 17 зафиксируют критичные для работы термогенераторного модуля 13 значения температуры, которые в виде сигнала поступят на измеритель-регулятор технологический 18, а тот в свою очередь подаст сигнал на закрытие редуктора 6.
Предложенное техническое решение позволит повысить эффективность работы стенда для исследования термогенераторных модулей путем отслеживания разности потенциалов (термоэдс) по вольтметру, а редуктором с манометром регулировки величины факела пламени до тех пор, пока датчик высоких температур и датчик низких температур не измерят такие оптимальные для работы термогенераторного модуля значения температур, которые зафиксируются измерителем-регулятором технологическим, при которых вольтметр покажет максимальное значение напряжения.
Расширение функциональных возможностей стенда достигается путем соединения вольтметра и амперметра, посредством щита управления с аккумулятором и переменным реостатом, а посредством проводов - с термогенераторным модулем.
Стенд для исследования термогенераторных модулей прост по конструкции, надежен в эксплуатации и может быть использован в промышленности, сельскохозяйственном производстве в экспериментальных лабораториях и в учебном процессе.