СТЕКЛОБЛОЧНЫЙ ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЬ-ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, а именно, для использования тепла дымовых газов котельных агрегатов и промышленных печей при нагревании воздуха с одновременным получением электрической энергии.

Известен полифункциональный воздухоподогреватель, включающий корпус, снабженный газовыми и воздушными патрубками, внутри которого помещен пакет из плоских сплошных и перфорированных пластин, размещенных поочередно, образующих между собой газовые и воздушные каналы, через отверстия в перфорированных пластинах пропущены попарно проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2 и спаянные на концах между собой, образуя многорядные зигзагообразные сетки, расположенные в газовом и воздушном каналах, соединенные своими концами с коллекторами электрических зарядов и клеммами [Патент РФ №2422728, Мкл. F 23 D 15/04, 2011].

Основными недостатками известного полифункционального воздухоподогревателя являются сложность конструкции, быстрый коррозионный износ теплообменных поверхностей при охлаждении газов, содержащих агрессивные компоненты, при температурах ниже точки росы и малое количество производимой электроэнергии, что снижает его надежность и эффективность.

Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является полифункциональный стеклоблочный воздухоподогреватель, включающий корпус, снабженный газовыми и воздушными патрубками, закрытый крышкой, в котором помещены расположенные многорядной системой перевязки многоканальные стеклоблоки, состоящие из прямоугольных воздушных и газовых каналов для прохода воздуха и дымовых газов, отделенных друг от друга вертикальными перегородками, с газовыми каналами между их рядами, выполненные из термостойкого армированного малощелочного стекла, с прокладками между стеклоблоками, корпусом и крышкой, причем каждый стеклоблок представляет собой термоэлектрическую секцию, состоящую из термоэлектрических преобразователей, расположенных в вертикальных перегородках и воздушных каналах, составленных из элементов, представляющих собой парные оголенные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2, спаянные на концах между собой и образующие зигзагообразные ряды, частично утопленных в вертикальных перегородках, не касаясь поверхности газовых каналов, противоположные им части элементов зигзагообразных рядов выступают из вертикальных перегородок и располагаются в пространстве воздушных каналов, крайние проволочные отрезки М1 и М2 крайних элементов верхнего и нижнего зигзагообразных рядов каждой вертикальной перегородки соединены с однополюсными коллекторами электрических зарядов, которые, в свою очередь, соединены проводами с электрическим аккумулятором [Патент РФ №2487301, Мкл. F 23 D 15/04, 2013].

Основными недостатками известного полифункционального стеклоблочного воздухоподогревателя являются отсутствие шероховатости на поверхности газовых каналов, обусловливающей низкую скорость теплопередачи и низкую производительность по выработке электричества, что снижает его эффективность.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности стеклоблочного воздухоподогревателя-электрогенератора за счет повышения скорости теплопередачи от дымовых газов к воздуху в результате устройства на перегородках в газовых каналах выступов шероховатости и повышения выработки термоэлектричества за счет включения конденсаторов в схему зигзагообразных рядов термоэлектрических секций.

Технический результат достигается тем, что стеклоблочный воздухоподогреватель-электрогенератор содержит корпус, снабженный газовыми и воздушными патрубками, закрытый крышкой, в котором помещены расположенные многорядной системой перевязки многоканальные стеклоблоки, состоящие из прямоугольных воздушных и газовых каналов для прохода воздуха и дымовых газов, отделенных друг от друга вертикальными перегородками, между рядами стеклоблоков находятся прямоугольные газовые каналы, стеклоблоки выполнены из термостойкого армированного малощелочного стекла с прокладками между собой, корпусом и крышкой, каждый стеклоблок представляет собой термоэлектрическую секцию, состоящую из термоэлектрических преобразователей, расположенных в вертикальных перегородках и воздушных каналах, составленных из парных оголенных проволочных отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, спаянных на концах между собой в виде зигзагообразных рядов, которые образуют арматуру вертикальных перегородок стеклоблока, зигзагообразные ряды попарно соединены между собой перемычками, образуя пары зигзагообразных рядов, проволочные отрезки каждого термоэлектрического преобразователя пропущены через вертикальные перегородки так, чтобы их горячие спаи выступали из поверхности газовых каналов и были покрыты тонким слоем материала диэлектрика с высокой теплопроводностью, образуя собой выступы шероховатости в газовых каналах, причем в наружных боковых стенках крайних боковых блоков горячие спаи не выпущены на их поверхность, поэтому выступы шероховатости отсутствуют, а противоположные им части термоэлектрических преобразователей зигзагообразных рядов пропущены через вертикальные перегородки, холодные спаи термоэлектрических преобразователей расположены в воздушных каналах, крайние холодные спаи правого и левого зигзагообразного ряда каждой пары зигзагообразных рядов соединены между собой через конденсаторы, пары зигзагообразных рядов и конденсаторы последовательно соединены между собой перемычками, а крайние проволочные отрезки крайних пар зигзагообразных рядов каждой вертикальной перегородки соединены проводами с однополюсными коллекторами электрических зарядов, которые, в свою очередь, соединены с электрическим аккумулятором.

На фиг. 1-5 представлен стеклоблочный воздухоподогреватель-электрогенератор (СВПЭГ): на фиг 1 - общий вид, на фиг. 2-4 - разрезы, на фиг. 5 - узел соединения конденсаторов с холодными спаями теплоэлектрических преобразователей СВПЭГ.

Стеклоблочный воздухоподогреватель-электрогенератор (СВПЭГ) содержит корпус 1, закрытый крышкой 2, снабженный воздушными и газовыми патрубками (на фиг. 1-5 не показаны) и заключающий в себе расположенные многорядной системой перевязки многоканальные стеклоблоки 3, выполненные из термостойкого армированного малощелочного стекла, с прокладками (на фиг. 1-4 не показаны) между стеклоблоками 3, корпусом 1 и крышкой 2, причем стеклоблоки 3 состоят из прямоугольных воздушных и газовых каналов 4 и 5 для прохода воздуха и дымовых газов, отделенных друг от друга вертикальными перегородками 6, между рядами стеклоблоков 3 находятся прямоугольные газовые каналы 7, каждый стеклоблок 3 представляет собой термоэлектрическую секцию (ТЭС) 8, состоящую из термоэлектрических преобразователей (ТЭП) 9, расположенных в вертикальных перегородках 6 и воздушных каналах 4, составленных из парных оголенных проволочных отрезков 10 и 11, выполненных из разных металлов М1 и М2, спаянных на концах между собой в виде зигзагообразных рядов 12, которые образуют арматуру вертикальных перегородок 6 стеклоблока 3, зигзагообразные ряды 12 попарно соединены между собой перемычками 13, образуя пары 14, проволочные отрезки 10 и 11 каждого ТЭП 9 пропущены через вертикальные перегородки 6, так чтобы их горячие спаи 15 выступали из поверхности газовых каналов 5 и были покрыты тонким слоем материала диэлектрика с высокой теплопроводностью, образуя собой выступы шероховатости 16 в газовых каналах 5 (в наружных боковых стенках крайних боковых блоков 3 спаи 15 не выпущены на их поверхность, поэтому выступы шероховатости 16 отсутствуют), противоположные им части ТЭП 9 зигзагообразных рядов 12 пропущены через вертикальные перегородки 6, холодные спаи 17 ТЭП 9 расположены в воздушных каналах 4, крайние холодные спаи 17 правого и левого зигзагообразного ряда 12 каждой пары зигзагообразных рядов 14 соединены между собой через конденсаторы 18, пары зигзагообразных рядов 14 и конденсаторы 18 последовательно соединены между собой перемычками 19, а крайние проволочные отрезки 10 и 11 крайних пар зигзагообразных рядов 14 каждой вертикальной перегородки 6 соединены проводами 20 с однополюсными коллекторами электрических зарядов 21 и 22, которые, в свою очередь, соединены с электрическим аккумулятором (на фиг. 1-5 не показан).

В основу работы предлагаемого СВПЭГ положено увеличение скорости теплообмена при применении поверхностей теплообмена с искусственно созданными источниками турбулентности, что обеспечивает интенсификацию процессов теплопередачи путем турбулизации потока среды и разрушения ламинарного подслоя, что позволяет уменьшить размеры теплообменной установки. Выполнение источников турбулентности в виде зигзагообразных рядов 12, изготовленных из оголенных проволочных отрезков 10 и 11, выполненных из разных металлов М1 и М2, спаянных на концах между собой, обеспечивает при нагреве одних спаянных концов проволочных отрезков горячими дымовыми газами и охлаждении других холодным воздухом появление в зигзагообразных рядах 12 термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. - М.: «Наука», 1970, с. 502-506], а последовательное соединение холодных спаев ТЭП 9 зигзагообразных рядов 14 через конденсаторы 18 позволяет снизить электрическое сопротивление ТЭС 8 и таким образом увеличить их электрическую мощность. При этом материал, из которого изготовлены стеклоблоки 3 (малощелочное стекло), исключает коррозионный износ теплообменных поверхностей), а размещение ТЭП 9 в самих вертикальных перегородках 6 повышает их прочностные свойства, выполняя роль их арматуры, и повышает скорость теплопередачи через вышеупомянутые перегородки 6.

СВПЭГ, представленный на фиг. 1-5, работает следующим образом. Дымовые газы при параметрах, соответствующих режиму работы котельного агрегата, из входного газового патрубка поступают в газовые каналы 5 и 7, а из входного воздушного патрубка противотоком в воздушные каналы 4 СВПЭГ подается холодный воздух, который при прохождении через каналы 4 в результате процесса теплообмена, заключающегося в передаче тепла теплопроводностью через смежные вертикальные перегородки 6 воздушных и газовых каналов 4 и 5, 7 соответственно и конвекции в газовой и воздушной средах нагревается до требуемой температуры и удаляется через выходной воздушный патрубок, а горячие дымовые газы охлаждаются и также удаляются через выходной газовый патрубок (на фиг. 1-5 входные и выходные газовые и воздушные патрубки не показаны). При этом ТЭП 9 эигзагообразных рядов 12, выступающие из вертикальных перегородок 6, конденсаторы 17, находящиеся в пространстве воздушных каналов 4, обеспечивают турбулизацию воздушных потоков в них и таким образом повышают скорость теплопередачи между дымовыми газами и воздухом. Противоположные части ТЭП 9 (горячие спаи 14), пропущенные через вертикальные перегородки 6, образуя собой выступы шероховатости 15, турбулизуют газовый поток в газовых каналах 5, что также интенсифицирует процесс теплопередачи, воспринимают тепло дымовых газов за счет конвективной теплопередачи и теплопроводности от материала вертикальной перегородки 6, соприкасающейся с потоком дымовых газов. Одновременно с процессом теплопередачи (охлаждения дымовых газов и нагрева дутьевого воздуха) СВПЭГ выполняет функцию электрогенератора, которая осуществляется следующим образом. В результате нагрева горячих спаев 15 концов проволочных отрезков 10 и 11 ТЭП 9, выполненных из металлов М1 и М2, образующих зигзагообразные ряды 12, расположенных в вертикальных стенках 6 стеклоблоков 3, горячими дымовыми газами и охлаждения противоположных холодных спаев 17 этих же ТЭП 9, расположенных в воздушных каналах 4, холодным воздухом, возникает значительная разность температур на противоположных спаях 15 и 17 каждого ТЭП 9, в результате чего в них возникает термоэлектричество, которое направляется в конденсатор 18, соединенный с холодными спаями 17 двух крайних ТЭП 9 каждой пары 14 зигзагообразных рядов 12, который аккумулирует его. При этом, так как конденсаторы 18 соединены между собой последовательно, обслуживая каждый свою пару 14 зигзагообразных рядов 12, то термоэлектричество предыдущих пар 14 зигзагообразных рядов 12 не проходит через последующие пары 14, а движется только через последовательно соединенные конденсаторы 18, что значительно снижает потери мощности на преодоление сопротивлений электричеству при прохождении по многочисленным ТЭП 9, состоящим из парных отрезков 10, 11 металлов М1 и М2, нагреваемых в газовых каналах 5 до значительной температуры (температура дымовых газов, подаваемых в воздухоподогреватель может быть больше 200-300°С). Эффективная работа конденсаторов 18 обеспечивается также тем, что они постоянно охлаждаются потоком дутьевого воздуха в каналах 4. В результате такого соединения ТЭП 9 и конденсаторов 18 термоэлектричество, вырабатываемое в зигзагообразных рядах 12, из каждого стеклоблока 3 поступает через соединительные провода 20 в коллекторы 21 и 22, а оттуда (на фиг. 1-5 не показан) подается потребителю. При этом материал (малощелочное стекло), из которого изготовлены стеклоблоки 3, позволяет использовать СВПЭГ для охлаждения газообразных выбросов, содержащих агрессивные примеси при температуре ниже точки росы, а диэлектрические свойства стекла исключают вероятность работы ТЭП 9 на массу СВПЭГ и прекращение выработки электричества.

Величина разности электрического потенциала на коллекторах 21 и 22, сила электрического тока зависит от характеристик пар металлов М1 и М2, из которых изготовлены проволочные отрезки 10 и 11, числа ТЭП 9 в зигзагообразных рядах 12 и их числа в стеклоблоках 3, характеристик конденсаторов 18, разности температур на горячих и холодных спаях 15 и 17 ТЭП 9 и числа стеклоблоков 3 в СВПЭГ. Полученный электрический ток можно использовать для внутрицеховых нужд, например для освещения

Таким образом, предлагаемый СВПЭГ обеспечивает повышение эффективности теплопередачи от дымовых газов к воздуху за счет устройства на перегородках в газовых каналах выступов шероховатости и повышение выработки термоэлектричества за счет включения в схему зигзагообразных рядов конденсаторов, позволяющих снизить сопротивление электрической цепи, что повышает его эффективность.