Термоэлектрогенератор для системы теплоснабжения

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий.

Известен термоэлектрический тепловой насос для бытового отопления, содержащий нагреваемый проточный теплообменник, батарею термоэлектрических модулей (термоэлектрический блок), установленный между, вводящими и отводящими теплоноситель, трубами к батарее отопления на двухтрубной системе отопления, причем в обоих теплообменниках установлены перегородки, которые разбивают поток теплоносителя и равномерно распределяют его по всему объему теплообменников, при этом регулирование температуры батареи отопления осуществляется при помощи биметаллического реле, устанавливаемого непосредственно на батарее отопления [Патент РФ №2367855, F25B30/00, F25B21/02, 2009].

Основными недостатками известного термоэлектрического теплового насоса является сложность и громоздкость его конструкции из-за наличия двух теплообменников с арматурой, невозможность регулирования температуры батарей отопления без подачи электроэнергии от постороннего источника, что уменьшает эффективность и надежность работы системы отопления в случае прекращения электроснабжения.

Более близким к предлагаемому изобретению является циркуляционный термоэлектронасос для системы отопления, содержащим подающий и циркуляционный трубопроводы, термоэлектрический блок, насаженный на подающий трубопровод, соединенный электропроводкой с инвертором, аккумулятором и электродвигателем насоса (потребителем электроэнергии), устроенного в циркуляционном трубопроводе, причем термоэлектрический блок состоит из двух полуцилиндрических кожухов с продольными щелями (образующих цилиндрический кожух), на участке подающего трубопровода между внутренней поверхностью полуцилиндров и наружной поверхностью трубопровода имеется зазор шириной ∆, при этом в продольные щели полуцилиндрических кожухов вставлены продольные ребра, выполненные из гидростойкого диэлектрического материала, внутри которых по всей их длине помещены зигзагообразные ряды, состоящие, из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэлектрических преобразователей, каждый из которых состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, свободные концы зигзагообразных рядов каждой пары ребер с одного торца в зоне охлаждения соединены перемычками, соединены между собой образуя теплоэлектрические секции и образуя термоэлектрический блок, снабженный токовыводами с одноименными зарядами, соединенными электропроводкой с инвертором [Патент РФ №2614349, F25B21/02, F04D13/06, F25B30/00, F24D17/02, H01L35/32, 2017].

Основными недостатками известного циркуляционного термоэлектрического насоса является сложность изготовления и недостаточная мощность для обслуживания теплового пункта, обусловленная конструкцией теплоэлектрических секций, что уменьшает его эффективность.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности термоэлектрогенератора для системы теплоснабжения.

Технический результат достигается термоэлектрогенератором для системы теплоснабжения, включающим участок подающего трубопровода и расположенные вокруг его наружной поверхности два термоэлектрических блока, соединенных электропроводкой с инвертором, аккумулятором и потребителями термоэлектричества, причем каждый термоэлектрический блок состоит из, расположенных по периметру поверхности трубопровода, прижатых друг к другу, N термоэлектрических секций, каждая из которых представляет собой продольную рамку с n прямоугольными проемами, на торцах каждой рамки устроены два крепежных и одно регулировочное резьбовых отверстия с двумя крепежными и одним регулировочным болтами, соответственно, между внутренней поверхностью рамок и ближайшей наружной поверхностью трубопровода имеются зазоры размером ∆, образованные регулировочными болтами, в прямоугольные проемы на резиновые прокладки уложены своими нижними кромками n плоских термоэлектрических преобразователей, соединенных токовыводами с одноименными коллекторами, полость между внутренней поверхностью плоских термоэлектрических преобразователей, рамок и наружной поверхностью участка трубопровода заполнена диэлектрическим зернистым материалом с высокими теплотехническими свойствами, а на верхнюю наружную поверхность плоских термоэлектрических преобразователей каждой рамки термоэлектрических секций наложены радиаторы, выполненные из гидростойкого материала с высокой теплопроводностью, снабженные на торцах с двумя крепежными1 и одним проходным отверстиями, прижатые к наружной поверхности плоских термоэлектрических преобразователей крепежными болтами и соединенные между собой по периметру на противоположных торцах теплообменных ребер монтажными болтами, пропущенными через отверстия, причем участок трубопровода, на котором расположены термоэлектрические секции закрыт цилиндрическим кожухом, который не касается теплообменных ребер радиаторов, выполнен из коррозионноустойчивого материала) и состоит из двух полукожухов, снабженных продольными фланцами с крепежными отверстиями, на торцах торцевыми пятками с образованием заборных щелей, на участке между термоэлектрическими блоками оба полукожуха снабжены полукольцевыми коллекторами, образующими в кожухе кольцевой коллектор, соединенный сверху с вертикальной вытяжной трубой, внутри которой помещен вытяжной вентилятор.

На фиг. 1,2 представлены общий вид и разрез термоэлектрогенератора системы теплоснабжения (ТЭГ СТС), на фиг. 3,4 – узел соединения плоских термоэлектрических преобразователей (ПТЭП) термоэлектрической секции (ТЭС).

Предлагаемый ТЭГ СТС содержит подающий трубопровод 1, расположенные вокруг его наружной поверхности два термоэлектрических блока (ТЭБ) 2 и 3, соединенных электропроводкой с инвертором, аккумулятором и потребителями термоэлектричества (на фиг. 1–4 не показаны), причем ТЭБ 2 и 3 состоят из, расположенных по периметру поверхности трубопровода, прижатых друг к другу, N термоэлектрических секций (ТЭС) 5, каждая из которых представляет собой продольную рамку 6, с n прямоугольными проемами 7, на торцах каждой рамки 6 устроены два крепежных 8 и одно регулировочное 9 резьбовых отверстия с двумя крепежными 10 и одним регулировочным 11 болтами, соответственно, между внутренней поверхностью рамок 6 и ближайшей наружной поверхностью трубопровода 1 имеются зазоры 12 размером ∆, образованные регулировочными болтами 11. В прямоугольные проемы 7 на резиновые прокладки 13 уложены своими нижними кромками n плоских термоэлектрических преобразователей (ПТЭП) 14, соединенных токовыводами 15, 16 с одноименными коллекторами 17 и 18, причем полость между внутренней поверхностью ПТЭП 14, рамок 6 и наружной поверхностью участка трубопровода 1 заполнена диэлектрическим зернистым материалом с высокими теплотехническими свойствами 19, а на верхнюю наружную поверхность ПТЭП 14 каждой рамки 6 ТЭС 5 наложены радиаторы 20, выполненные из гидростойкого материала с высокой теплопроводностью, снабженные на торцах двумя крепежными 21 и одним проходным 22 отверстиями, прижатые к наружной поверхности термоэлектрических преобразователей 14 крепежными болтами 10 и соединенные между собой по периметру на противоположных торцах теплообменных ребер 23 монтажными болтами 24, пропущенными через отверстия 25, участок трубопровода 1, на котором расположены ТЭС 2 закрыт цилиндрическим кожухом 26, который не касается теплообменных ребер 23, выполнен из коррозионноустойчивого материала (например, стеклопластика) и состоит из двух полукожухов 27, снабженных продольными фланцами 28 с крепежными отверстиями (на фиг. 1–4 не показаны) и на торцах торцевыми пятками 29 с образованием заборных щелей 30, на участке между ТЭБ 2 и ТЭБ 3 оба полукожуха 27 снабжены полукольцевыми коллекторами 31, образующими в кожухе 26 кольцевой коллектор 32, соединенный сверху с вертикальной вытяжной трубой 33, внутри которой помещен вытяжной вентилятор 34.

Предлагаемый ТЭГ СТС, представленный на фиг. 1–4, работает следующим образом. ТЭГ СТС устанавливается в процессе монтажа или реконструкции теплового пункта системы отопления (или тепловой камеры), для чего предварительно собранные ТЭС 5 в комплекте с рамками 6 и радиаторами 20 продольно накладываются на участок подающего трубопровода 1 в помещении теплового пункта (или тепловой камеры) и крепятся между собой по периметру трубопровода 1 (с одновременной заполнением полости между ПТЭП 14, рамок 6 и наружной поверхностью участка трубопровода 1 диэлектрическим зернистым материалом с высокими теплотехническими свойствами 19) посредством стяжки через отверстия 25теплообменных ребер 23 монтажными болтами 24. В процессе монтажа зазор 12 регулируется регулировочными болтами 11 (размер зазора ∆ выбирается из условия отсутствия контакта нижней поверхности ПТЭП 14 с наружной поверхностью трубопровода 1 и поддержания температуры зернистого материала не выше температуры их перегрева). После монтажа ТЭС 5 токовыводы 15 и 16 всех ПТЭП 14 соединяют электропроводкой через коллекторы одноименных зарядов 17 и 18, с инвертором, аккумулятором и потребителями электроэнергии, например, вентилятором 34, циркуляционным насосом и другими (на фиг.1–4 не показаны).

При движении горячей воды в подающем трубопроводе 1 с температурой t_Г в помещении теплового пункта или тепловой камеры с температурой воздуха t_С создается значительная разность температур между температурой наружной поверхности трубопровода 1 t_П и температурой воздуха (t_П-t_С), который поступает из помещения вовнутрь кожуха 17 через заборные щели 30 за счет тяги, создаваемой работой вытяжного вентилятора 34 в вытяжной трубе 33. При этом, через зернистый материал 19 происходит равномерный нагрев нижней зоны нагрева ПТЭП 14 и одновременное быстрое охлаждение их верхней зоны за счет контакта радиаторов 20 за счет высокой теплопроводности их материала, плотно прижатых к верхней поверхности ПТЭП 14 и омывания их потоком воздуха, создаваемого работой вентилятора 34 [И. Н. Сушкин. Теплотехника. – М.: «Металлургия», 1973, с. 195–198]. Создаваемая разность температур между зонами нагрева и охлаждения в ПТЭП 14 вызывает в них эмиссию электронов и возникновение в ТЭС 5 термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506]. Полученное термоэлектричество каждой ТЭС 5 суммируется в ТЭБ 2 и ТЭБ 3 и через коллекторы 17, 18 поступает в инвертор, где создается требуемое напряжение и сила тока и подается в аккумулятор, обеспечивает электроэнергией вентилятор 34 и других потребителей (на фиг. 1–4 не показаны).

Величина разности электрического потенциала и силы тока в коллекторах 17, 18 зависит от разности температур на спаях металлов М1 и М2, их характеристик, количества и характеристик ПТЭП 14 в ТЭС 5, их числа в ТЭБ 2 и ТЭБ3, теплотехнических характеристик радиаторов 20 и величины зазора 15 равную ∆, которую регулируют регулировочными болтами 11. При необходимости устанавливают несколько пар ТЭБ. Требуемые напряжение U и силу тока I в зависимости от расхода горячей воды и величины разности температур (t_П–t_С) регулируют в инверторе. Полученное электричество используется для работы вентилятора 34 и другого оборудования (например, циркуляционного насоса и автоматизации в тепловом пункте или для привода задвижек в тепловой камере (на фиг. 1–4 не показаны).

Таким образом, конструкция предлагаемого ТЭГ СТС за счет повышения мощности, созданной интенсификацией охлаждения холодной зоны термоэлектрических преобразователей потоком воздуха при работе вытяжного вентилятора в вытяжной трубе, обеспечивает возможность автономной работы теплового пункта системы отопления или электропривода задвижек в тепловой камере без подключения к электрической сети, что повышает эффективность работы системы теплоснабжения.