ТЕПЛОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
THERMOELECTRIC GENERATOR FOR AUTONOMOUS POWER SUPPLY

Изобретение относится к теплоэлектроэнергетике, а именно к обеспечению тепловой и электрической энергией индивидуальных домов и квартир путем одновременного получения тепловой и электрической энергии в одном аппарате.
Известен двухконтурный водогрейный котел, содержащий корпус, выполненный в виде коаксиально расположенных цилиндрических обечаек с газоходом и топкой во внутренней обечайке и перекрытых с торцов кольцевыми днищами с образованием кольцевой полости с поперечными газоплотными перегородками, образующими первичный и вторичный контуры, подключенные друг к другу вертикальными трубами, причем в зоне первичного контура расположены поперечные ряды оребренных нагревательных труб, образующие прямоугольный газоход, подключенный к дымовой коробке [Патент РФ №2059164, МПК F24H 1/00, 1996].
Основным недостатком известного устройства является невозможность получения в нем, наряду с теплом, электрической энергии, что снижает его эффективность.
Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является теплоэлектрический генератор, содержащий вертикальный корпус, состоящий из прямоугольного короба, выполненного из диэлектрического материала с низкой теплопроводностью, соединенный сверху с отводящим газоходом, снизу с камерой сгорания, внутри которого помещены ряды теплоэлектрических звеньев, представляющих собой металлические трубы теплоносителя, соединенных между собой калачами, покрытые несколькими кольцевыми изоляционными слоями, выполненные из диэлектрических материалов с высокой и низкой теплопроводностью, покрытых металлическими обечайками, в которых вокруг металлической трубы теплоносителя по ее длине помещены по очередности термоэмиссионные преобразователи, каждый из которых состоит из большого двухслойного горячего кольца, слои которого плотно прижаты друг к другу и малого однослойного холодного кольца, выполненных из двух разных металлов M1 и М2 и расположенных в зоне нагрева и охлаждения, соединенных между собой перемычками, также выполненными из упомянутых металлов M1 и М2, образуя соединенные между собой секции и звенья, причем свободные концы термоэмиссионных преобразователей последнего верхнего и первого нижнего теплоэлектрического звена присоединены к коллекторам с одноименными зарядами, соединенными с токовыводами. [Патент РФ №2425295, МПК F24H 3/00, 2011].
Основными недостатками известного устройства являются невозможность его использования для квартирного теплоснабжения, сложная конструкция термоэлектрических звеньев и прекращение получения термоэлектричества в теплоэлектрогенераторе в случае отказа одного из них, недостаточная площадь поверхности теплопередачи и низкая эффективность по получаемому току, обусловленная тем, что компоновка термоэмиссионных преобразователей в термоэлектрических звеньях создает высокое электрическое сопротивление, в связи с чем происходят значительные потери силы тока, что снижает его надежность и эффективность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности теплоэлектрического генератора для автономного энергоснабжения.
Технический результат достигается тем, что предлагаемый теплоэлектрогенератор для автономного энергоснабжения содержит наружный и внутренний вертикальные прямоугольные коробы, перекрытые с торцов днищами с образованием между ними прямоугольной полости - водяной рубашки с поперечными газоплотными перегородками, образующими первичный и вторичный контуры, подключенные друг к другу вертикальными трубами, топку с газоходом во внутреннем вертикальном прямоугольном коробе, отверстие в боковых стенках, газовый патрубок, пропущенный через верхние днища наружного и внутреннего коробов, входные и выходные патрубки первичного и вторичного контуров, слой диэлектрического материала с высокой теплопроводностью на теплообменных поверхностях, в котором расположены термоэмиссионные преобразователи, представляющие собой пары отрезков, выполненных из разных металлов M1 и М2, соединенных между собой и составленных в теплоэлектрические секции, свободные концы крайних рядов которых присоединены к коллекторам с одноименными зарядами, соединенным с токовыводами. В нижней части правых боковых стенок наружного и внутреннего коробов устроено загрузочное отверстие, соединенное внутри с топкой и закрытое снаружи люком, поверхности наружного и внутреннего 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, концы которых параллельно соединены с контактными проводами, также выполненными из пары полос одноименных металлов M1 и М2, плотно прижатых друг к друг, расположенных вдоль длины вертикальных и горизонтальных ребер в зонах нагрева и охлаждения
На фиг.1-6 представлены общий вид и разрезы теплоэлектрического генератора для автономного энергоснабжения (ТЭГАЭС), на фиг.7-11 - теплоэлектрические секции (ТЭС) и термоэмиссионные преобразователи (ТЭП).
Предлагаемый ТЭГАЭС содержит наружный и внутренний вертикальные прямоугольные коробы 1 и 2, перекрытые с торцов 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.1-11 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 верхние днища 3 и 5 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, причем поверхности наружного и внутреннего коробов 1, 2 и днищ 3, 4, 5, 6 в зонах первичного и вторичного контуров, соприкасающиеся с нагреваемой водой, покрыты ребристым слоем диэлектрического материала с высокой теплопроводностью 23 с вертикальными и горизонтальными ребрами 24 и 25, соответственно, внутри которых помещены теплоэлектрические секции (ТЭС) 26, состоящие из нескольких смежных ребер 24 или 25, в каждом из которых помещен ряд термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 27. Каждый ТЭП 27 состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов M1 и М2, концы которых параллельно соединены с контактными проводами 28, также выполненными из пары полос одноименных металлов M1 и М2, плотно прижатых друг к друг, которые расположены вдоль длины ребер 24 и 25 в зонах нагрева и охлаждения, (вблизи кромки ребер 24, 25 и у поверхности коробов 1 и 2), свободные концы с клеммами 29 и 30 крайних рядов каждой ТЭС присоединены к коллекторам с одноименными зарядами, соединенным с токовыводами (на фиг.1-11 не показаны).
Предлагаемый ТЭГАЭС, представленный на фиг.1-11 работает следующим образом.
ГН
ГК
ВН
ВК
После заполнения первичного и вторичного контуров водой, создания в них ее циркуляции и начала горения топлива в топке 11 ТЭГАЭС дымовые газы, поднимаясь снизу вверх, с начальной температурой t, омывают внутреннюю поверхность внутреннего короба 2, отдавая ей свое тепло, охлаждаются до заданной температуры t и выводятся через патрубок дымовых газов 18 в дымовую трубу (на фиг.1-11 не показана) и далее в атмосферу. При этом в результате теплообмена между дымовыми газами через стенки внутреннего короба 2, покрывающего их слоя диэлектрического материала с высокой теплопроводностью 23 и сетевой водой, поступающей из системы отопления (на фиг.1-11 не показана) через патрубок 19 и движущейся сверху вниз, по рубашке 7 (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 5, 6) через патрубок 21 подается водопроводная вода, которая движется сверху вниз (через полости между крышками 3 и 5, трубы 10 и полости между крышками 4 и 6), нагревается за счет теплообмена с горячей сетевой водой через стенки труб 10, а через крышки 5, 6 внутреннего короба 2, покрытые также ребристым слоем материала 23, с дымовыми газами, после чего через патрубок 22 горячая вода подается потребителю (на фиг.1-11 не показан). Одновременно в результате процесса конвективной теплопередачи от дымовых газов нагревается зона нагрева, состоящая из стенок внутреннего короба 2, его днищ 5, 6 и покрывающего их слоя диэлектрического материала с высокой теплопроводностью 23, от которой основной поток тепла передается за счет теплопроводности двухслойным контактным проводам 28, выполненным из металлов M1 и М2, плотно прижатым друг к другу, конструкция которых позволяет увеличить количество воспринимаемого тепла за счет повышенной площади их контакта с зоной нагрева и высокой площади контакта слоев самих металлов M1 и М2, соединенных между собой (например, спайкой), которые нагреваются при этом. Кроме того, процесс теплообмена от материала 23 к спаям металлов M1 и М2 ТЭП 27 интенсифицируется за счет передачи его теплопроводностью, скорость которой при высоком значении коэффициента теплопроводности значительно выше, чем скорость передачи тепла за счет конвекции [И.Н.Сушкин. Теплотехника. - М.: «Металлургия», 1973, с.195-198]. Одновременно осуществляется охлаждение двухслойных контактных проводов 28, выполненных из металлов M1 и М2, расположенных параллельно у кромки вертикальных ребер и горизонтальных 24 и 25 в холодной зоне за счет передачи тепла теплопроводностью через слой материала 23, обладающего высокой теплопроводностью, а от него конвекцией ядру потока нагреваемой сетевой и водопроводной воды. В то же время на противоположной, внутренней стороне стенок наружного короба 1 и днищ 3, 4 процесс теплообмена происходит в обратном направлении, так как там зона нагрева находится у кромки вертикальных ребер и горизонтальных ребер 24 25, которые омывают потоки нагреваемой воды, а зона охлаждения расположена в слое материала 23, покрывающем внутреннюю поверхность стенок наружного короба 1 и его днищ 3, 4, которые охлаждаются наружным воздухом помещения за счет его естественной конвекции. В результате этих процессов происходит нагрев двухслойных спаев контактных проводов 28, состоящих из плотно соединенных между собой слоев металлов M1 и М2, расположенных в зонах нагрева и охлаждения двухслойных спаев контактных проводов 28, выполненных также из металлов M1 и М2, расположенных в зонах охлаждения каждой ТЭП 27, соединенных между собой параллельно и последовательно в каждой ТЭС 26, что создает эмиссию электронов во всех ТЭП 27 и, соответственно, возникновение во всех ТЭП 27 термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. - М.: «Наука», 1970, с.502-506], которое через клеммы 29, 30 суммируется на коллекторах, поступает на трансформаторы, где создается требуемое напряжение и сила тока (на фиг.1-11 не показаны), и подается потребителю.
ГН
ГК
ВН
ВК
Величина начальной температуры дымовых газов t определяется видом топлива и конструкцией камеры сгорания (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 клеммах 29 и 30 одной ТЭС 26 зависит от характеристик пары металлов M1 и М2, из которых изготовлены ТЭП 27, их количества в одном ребре 24 или 25, их числа в каждой ТЭС 26. Требуемые напряжение U и силу тока I ТЭГАЭС получают путем установки соответствующего числа ТЭС 26, суммирования и трансформации получаемого ими тока.
При этом конструкция ТЭГАЭС позволяет использовать газообразное, жидкое и твердое топливо. Для перехода на твердое топливо снимается люк 15, в топке 11 устанавливаются колосники, а на отверстие 14 навешивают загрузочную и зольниковую дверцы (на фиг.1-11 не показаны).
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет упростить конструкцию теплоэлектрических секций (ТЭС) и термоэмиссионных элементов (ТЭП), автономизировать выработку термоэлектричества каждой ТЭС, интенсифицировать процесс теплопередачи от дымовых газов к нагреваемой воде и увеличить количество и параметры получаемой в каждом ТЭС электрической энергии, что повышает надежность и эффективность теплоэлектрогенератора для автономного энергоснабжения.