УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для электроснабжения и отопления.
Известны и широко применяются для производства тепловой и электрической энергии устройства, содержащие горелку или топку и содержащие термоэлектрические преобразователи на эффекте Зеебека, причем тепло, отводимое от холодных контактов термоэлектрического преобразователя (ТЭП), часто используется для отопления и/или горячего водоснабжения [патенты США №№3719532, 6053163, 6761134].
Их недостатком является низкая эффективность использования тепловой энергии, выделяемой горелкой.
В устройствах по патентам США №4843273, №4942863, №5427086, и №6335572 производимая электроэнергия используется для принудительной прокачки теплоносителя (питания вентилятора в первых трех, насоса - в последнем). Недостатком их является неэффективное расходование производимой электроэнергии, которая опять используется для интенсификации отопления.
Известно также устройство для производства тепловой и электрической энергии, в котором тепло от газового нагревателя, оставшееся после нагрева горячих контактов термоэлектрического преобразователя, использовано для дополнительного нагрева теплоносителя (воды) [патент РФ №2224190]. Для этого устройство дополнительно снабжено теплообменником, расположенным над теплоприемником ТЭП.
Недостатком его является то, что для оптимального охлаждения холодных контактов ТЭП необходимо увеличивать циркуляцию охлаждающей жидкости (теплоносителя), например, путем использования циркуляционного насоса, как в предыдущих аналогах.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение эффективности преобразования тепла, выделяемого горелкой, в электрическую энергию и в полезную тепловую.
Указанная цель достигается тем, что предлагаемое устройство содержит источник тепла (горелку, топку и т.п.), термоэлектрический преобразователь с теплоприемником на стороне горячих контактов и с системой жидкостного (водяного) теплоотвода, которая содержит камеру для жидкого теплоносителя на стороне холодных контактов и дополнительный нагреватель теплоносителя (водонагреватель), расположенный над теплообменником термоэлектрического преобразователя и содержащий один или несколько испарителей жидкого теплоносителя, установленные в зоне нагрева с уклоном так, что более низкая сторона (каждого) испарителя соединена со входом в дополнительный нагреватель, а более высокая сторона соединена с основанием вертикально расположенного выхода системы жидкостного теплоотвода, причем перепад высот не меньше вертикального размера проходного отверстия испарителя, а выходной трубопровод имеет вертикальная часть (патрубок) длиной не менее 0,1 м.
Увеличение циркуляции достигается тем, что теплоноситель испаряется в испарителе (испарителях) и, попадая в виде пара в поток теплоносителя, выходящего из предлагаемого устройства, увеличивает разницу между статическим давлением жидкости в холодной (внешней для устройства) части теплопровода и давлением в нагреваемой (внутренней для устройства) части теплопровода. Т.е. в предлагаемом устройстве создается эрлифт.
В варианте изобретения с несколькими испарителями эти испарители могут быть или одинаковыми, или отличаться отношением сечения прохода к эффективной площади поверхности теплообмена, или иметь разную форму сечения прохода. При этом, например, увеличение температуры над теплообменником ТЭП приводит к переходу в режим испарения испарителя с более высоким значением этого отношения, т.к. количество жидкости, которое при меньшем нагреве не могло быть обращено в пар за время ее прохождения через данный испаритель, обращается в пар при большей подводимой тепловой мощности. Перепад высот между нижним и верхним концами наклонного испарителя должен быть не меньше вертикального размера проходного сечения, что исключает протекание жидкости под скопившимся у верхней стенки испарителя и удерживаемым силами поверхностного натяжения жидкости паром, уменьшающим теплообмен.
Параметры испарителя или испарителей (эффективная площадь теплообмена, площадь и форма сечения прохода, количество испарителей, характеристики радиатора) определяют с учетом конкретных параметров устройства и параметров внешней системы отопления по известным алгоритмам или экспериментальным путем.
При отсутствии отбора электроэнергии от ТЭП (или при малом отборе) увеличивается количество тепла, достигающего его холодных контактов, что нежелательно во многих конкретных исполнениях ТЭП, чувствительных к перегреву холодной стороны. Предлагаемое устройство снижает этот эффект за счет того, что одновременно с уменьшением отбора электроэнергии увеличивается и температура в зоне испарителей (над теплообменником ТЭП), что влечет за собой усиление циркуляции и большее охлаждение холодных контактов.
На фиг.1 схематично (кожух, узлы крепления, элементы жесткости, узлы соединения трубопроводов не показаны) представлен разрез предлагаемого устройства в варианте исполнения с тремя испарителями, из которых два одинаковы, и с зеркальным расположением двух идентичных ТЭП. На фиг.2 - то же устройство в другой проекции в разрезе по емкостям и трубопроводам.
Цифрами обозначены:
1 - горелка,
2 - термоэлектрические преобразователи,
3 - камеры теплоносителя на стороне холодных контактов ТЭП,
4 - теплообменники на стороне горячих контактов ТЭП,
5 - испарители,
6 - емкость дополнительного нагрева теплоносителя,
7 - выходной трубопровод.
Примером конкретного исполнения служит термоэлектрических преобразователь, выполняющий также функцию водонагревателя, в котором ТЭП выполнен из последовательно попеременно соединенных полупроводниковых прессованных брикетов р-типа (Bi, Те, Sb) и n-типа (Bi, Те, Se) - всего 12 последовательно соединенных модулей по 154 пары брикетов в каждом. Горячие контакты приведены через тонкий диэлектрический слой в тепловой контакт с чехлами этих модулей из нержавеющей стали толщиной 0,2 мм, которые, в свою очередь, приведены в контакт с чугунным или керамическим радиатором, ребра которого обращены к горячей зоне источника тепла. Холодные контакты находятся, тоже через тонкий диэлектрический слой и, затем, через чехол модуля, в тепловом контакте со стенкой бачка из алюминия с подводящим и отводящим патрубками. Отводящий патрубок диаметром 30 мм соединен с расположенной наклонно над зоной нагрева (над теплообменником ТЭП) под углом 20° к горизонтали трубой прямоугольного сечения (ширина - 100 мм, высота - 30 мм) из нержавеющей стали и параллельно с ним соединенными и расположенными под ним тремя испарителями (два - шириной 15 мм и высотой 5 мм, а один - шириной 10 мм и высотой 3 мм) в виде прямоугольных трубок из нержавеющей стали с толщиной стенок 0,5 мм. Трубки испарителя установлены с восходящим к выходу уклоном в 20°. К тем же узлам, образующим дополнительный нагреватель с испарителями, присоединен и выход охладителя дублирующего ТЭП, расположенного зеркально с первым. Дополнительный нагреватель и испарители соединены своей высокой стороной с вертикальным выходным патрубком диаметром 50 мм и высотой 0,3 м. Устройство имеет кожух и узлы крепления из нержавеющей стали. Источником тепла служит трубчатая газовая горелка мощностью 5 кВт. Электрическая максимальная мощность устройства составляет 200 Вт, а полезная тепловая - 4,6 кВт.
Предлагаемое изобретение увеличивает КПД устройства, как в отношении электрического преобразования, так и теплового - за счет увеличения циркуляции теплоносителя без расходования на это произведенной электроэнергии. Оно также уменьшает влияние изменения электрической нагрузки на температуру колодных контактов ТЭП. Преимуществом предлагаемого устройства является также простота конструкции и отсутствии подвижных деталей.