ТЕПЛОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР ДЛЯ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ

Предлагаемое изобретение относится к теплоэлектроэнергетике, а именно для обеспечения тепловой и электрической энергией индивидуальных домов и квартир путем одновременного получения тепловой и электрической энергии в одном аппарате.

Известен теплоэлектрический генератор, содержащий вертикальный корпус, выполненный из диэлектрического материала с низкой теплопроводностью, соединенный с газоходом и камерой сгорания, внутри которого помещены ряды теплоэлектрических звеньев, представляющих собой металлические трубы теплоносителя, покрытые несколькими кольцевыми изоляционными слоями, выполненные из диэлектрических материалов с высокой и низкой теплопроводностью, покрытых металлическими обечайками, в которых вокруг металлической трубы теплоносителя расположены 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 F24Н 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.

Более близким к предлагаемому изобретению является теплоэлектрогенератор для автономного энергоснабжения, содержащий наружный и внутренний вертикальные прямоугольные коробы, перекрытые с торцов днищами с образованием между ними прямоугольной полости, в которой расположены первичный и вторичный контуры, подключенные друг к другу вертикальными трубами, во внутреннем вертикальном прямоугольном коробе расположена универсальная топка с газоходом, через верхние днища наружного и внутреннего коробов пропущен газовый патрубок, первичный и вторичный контуры снабжены входными и выходными патрубками, устроенными в верхней и нижней частях наружного короба, причем поверхности обоих 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, каждый из которых состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов M1 и М2, концы которых параллельно соединены с контактными проводами, также выполненными из пары полос одноименных металлов M1 и М2, плотно прижатых друг к другу, которые расположены вдоль длины вертикальных и горизонтальных ребер в зонах нагрева и охлаждения, свободные концы крайних рядов каждой теплоэлектрической секции присоединены к коллекторам с одноименными зарядами, соединенным с токовыводами [Патент РФ №2493504, МПК F24Н 1/00, 2013].

Основными недостатками известного устройства являются низкая скорость теплопередачи между дымовыми газами и нагреваемой водой, обусловленная тем, что все теплообменные поверхности покрыты слоем диэлектрического материала, создающего дополнительное термическое сопротивление, недостаточный нагрев концов металлов M1 и М2 каждой ТЭП, находящихся в зоне нагрева, обусловленный, в первую очередь, малой площадью этой зоны, соприкасающееся с горячим потоком, что является причиной небольшой разности температур между горячими и холодными концами термоэмиссионных преобразователей и малому количеству вырабатываемого термоэлектричества, наличие свободного пространства в газоходе теплоэлектрогенератора, не участвующего в процессе теплопередачи, что уменьшает площадь теплопередачи, невозможность замены отдельных ТЭС без разрушения внутреннего покрытия из диэлектрического материала и смежных ТЭС, что, в конечном счете, снижает его надежность и эффективность.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности теплоэлектрогенератора для автономного энергоснабжения.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый теплоэлектрогенератор для автономного энергоснабжения содержит наружный и внутренний вертикальные прямоугольные коробы, перекрытые с торцов крышками и днищами с образованием между ними водяной рубашки и поперечных газоплотных перегородок, образующими первичный и вторичный контуры, подключенные друг к другу вертикальными трубами, во внутреннем коробе расположена универсальная топка с газоходом, через крышки наружного и внутреннего коробов пропущен газовый патрубок, соединяющий газоход с атмосферой, первичный и вторичный контуры снабжены входными и выходными патрубками, причем газоход состоит из газового коллектора, представляющего собой полость в виде призмы, примыкающую к входному отверстию газового патрубка и пластинчатого теплообменника, образованного вертикальными перегородками с вертикальными газовыми каналами и горизонтальными водяными каналами, соединенными через прямоугольные отверстия в верхней части фронтальной и тыльной стенок внутреннего короба с первичным водяным контуром, стенки наружного короба покрыты декоративным коробом, верхняя крышка покрыта П-образной декоративной крышкой с образованием между ними щелей шириной Δ, при этом стенки наружного и внутреннего коробов, крышек, днищ и вертикальных перегородок в зонах первичного и вторичного контуров, соприкасающиеся с нагреваемой водой, выполнены с с продольными вертикальными и горизонтальными зубчатыми пазами, обращенными в горячую сторону, в которые вставлены зубчатые ребра, состоящие из последовательно соединенных термоэмиссионных преобразователей, покрытых слоем диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, причем каждый термоэмиссионный преобразователь состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов M1 и М2, концы которых соединены между собой контактными спаями, которые расположены вдоль длины зубчатых ребер в их зубьях в зонах нагрева и охлаждения, контактные спаи каждой пары зубчатых ребер с одного торца соединены между собой перемычками, а с противоположного торца контактные спаи зубчатых ребер этих же пар соединены между собой в зоне охлаждения через конденсаторы, образуя теплоэлектрические секции, которые через перемычки последовательно соединены между собой, образуя теплоэлектрические блоки, размещенные на всех теплообменных поверхностях, а именно на стенках наружного и внутреннего коробов, крышках, днищах и вертикальных перегородках, а свободные концы с клеммами последовательно соединенных теплоэлектрических секций каждого теплоэлектрического блока присоединены к коллекторам с одноименными зарядами, соединенными с токовыводами.

На фиг. 1-7 представлены общий вид и разрезы теплоэлектрогенератора для автономного энергоснабжения (ТЭГАЭС), на фиг. 8-10 - теплоэлектрические секции (ТЭС) и термоэмиссионные преобразователи (ТЭП), на фиг. 11 - компановка теплоэлектрического блока (ТЭБ).

Предлагаемый ТЭГАЭС содержит наружный и внутренний вертикальные прямоугольные коробы 1 и 2, перекрытые с торцов крышками и 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. 1-13 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 крышки 3 и 4 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 газоход 12 состоит из газового коллектора 23, представляющего собой полость в виде призмы, примыкающую к входному отверстию газового патрубка 18 и пластинчатого теплообменника 24, образованного вертикальными перегородками 25 с вертикальные газовыми каналами 26 и горизонтальными водяными каналами 27, соединенными через прямоугольные отверстия 28 в верхней части фронтальной и тыльной стенок короба 2 с первичным водяным контуром, стенки наружного короба 1 покрыты декоративным коробом 29, верхняя крышка 3 покрыта П-образной декоративной крышкой 30 с образованием между ними щелей 31 шириной Δ. При этом стенки наружного и внутреннего коробов 1, 2, крышек 3, 4, днищ 5, 6 и вертикальных перегородок 25 в зонах первичного и вторичного контуров, соприкасающиеся с нагреваемой водой, выполнены с продольными вертикальными (коробы 1, 2) и горизонтальными (крышки 3, 4, днища 5, 6, вертикальные перегородки 25) зубчатыми пазами 32, обращенными в горячую сторону, в которые вставлены зубчатые ребра 33, состоящие из последовательно соединенных термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 34, покрытых слоем диэлектрического материала с высокой теплопроводностью 35, причем каждый ТЭП 34 состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов M1 и М2, концы которых соединены между собой контактными спаями 36, которые расположены вдоль длины зубчатых ребер 33 в их зубьях 37 в зонах нагрева и охлаждения (в зубчатых пазах 32 и наружной кромки зубчатых ребер 33), контактные спаи 36 каждой пары 38 зубчатых ребер 33 с одного торца соединены между собой перемычками 39, а с противоположного торца контактные спаи 36 зубчатых ребер 33 этих же пар 38 соединены между собой в зоне охлаждения через конденсаторы 40, образуя теплоэлектрические секции (ТЭС) 41, которые через перемычки 42 последовательно соединены между собой, образуя теплоэлектрические блоки (ТЭБ) 43, размещенные на всех теплообменных поверхностях, а именно на стенках наружного и внутреннего коробов 1, 2, крышках 3, 4, днищах 5, 6 и вертикальных перегородках 25, а свободные концы с клеммами 44 и 45 последовательно соединенных ТЭС 41 каждого ТЭБ 43 присоединены к коллекторам с одноименными зарядами, соединенными с токовыводами (на фиг. 1-11 не показаны).

Предлагаемый ТЭГАЭС, представленный на фиг. 1-11, работает следующим образом. 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_ГН, омывают внутреннюю поверхность внутреннего короба 2, проходят через газовые каналы 26, отдавая свое тепло воде двигающейся в полости водяной рубашки 7 и водяных каналах 27, охлаждаются до заданной температуры t_ГК и выводятся через патрубок дымовых газов 18 в дымовую трубу (на фиг. 1-12 не показана) и далее в атмосферу. При этом в результате теплообмена между дымовыми газами через стенки внутреннего короба 2, вертикальные перегородки 25 пластинчатого теплообменника 24 и сетевой водой, поступающей из системы отопления (на фиг. 1-12 не показана) через патрубок 19 и движущейся сверху вниз по рубашке 7 справа налево по водяным каналам 27 (первичному контуру), вода нагревается от температуры t_BH до температуры t_BK 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 днищами 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 крышку 4 и днище 5 внутреннего короба 2 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, нагреваются зоны нагрева, состоящие из зубчатых пазов 32 в стенках внутреннего короба 2, его крышки 4, днища 5 и вертикальных перегородок 25 и вставленных туда кромок зубчатых ребер 33, выполненных из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью 35, от которого основной поток тепла передается за счет теплопроводности двухслойным контактным спаям 36, выполненным из металлов M1 и М2, плотно прижатых друг к другу, расположенных в зубьях 37 зубчатых ребер 33, 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, которые нагреваются при этом. Кроме того, процесс теплообмена от материала 35 к спаям металлов M1 и М2 36 ТЭП 34 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. 195-1981]. Одновременно осуществляется охлаждение контактных спаев 36, выполненных из металлов M1 и М2, и конденсаторов 36, расположенных параллельно у кромки вертикальных зубчатых ребер 33 в холодной зоне за счет передачи тепла теплопроводностью через слой материала 35, обладающего высокой теплопроводностью, а от него конвекцией ядру потока нагреваемой сетевой воды (нагреваемой воде в первичном контуре и воздуху, двигающемуся в щелях 31 за счет естественной конвенции). В результате этих процессов происходит нагрев контактных спаев 36, состоящих из плотно соединенных между собой слоев металлов M1 и М2, расположенных в зонах нагрева и охлаждения спаев 36 и конденсаторов 40, расположенных в зонах охлаждения каждой ТЭС 41, возникает значительная разность температур на противоположных спаях 36 каждого ТЭП 34, что создает эмиссию электронов во всех ТЭП 34 и соответственно возникновение в них термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. - М: «Наука», 1970, с. 502-506]. Полученное термоэлектричество каждой ТЭС 41 направляется в конденсаторы 40, соединенные с холодными спаями 36 двух конечных ТЭП 34 каждой пары 38, которые аккумулируют его. При этом каждый конденсатор 40 обслуживает свою пару 38 (ТЭС 41), а так как конденсаторы 40 соединены между собой последовательно через перемычки 42, то термоэлектричество предыдущих ТЭС 41 не проходит через последующие ТЭС 41, а движется только через последовательно соединенные конденсаторы 40, что существенно снижает потери мощности на преодоление сопротивлений электричеству при прохождении по многочисленным ТЭП 34, нагреваемых в топке 11 и газоходе 12 до значительной температуры (температура дымовых газов в топке 11 может быть больше 800-1000°C). Эффективная работа конденсаторов 40 обеспечивается также тем, что они постоянно охлаждаются потоками сетевой и водопроводной воды в первичном и вторичном контурах и воздухом в щелях 31. Полученное электричество каждого блока 43 суммируется на коллекторах с одноименными зарядами, соединенных с токовыводами (на фиг. 1-11 не показаны), поступает на трансформаторы, где создается требуемое напряжение и сила тока (на фиг. 1-11 не показаны) и подается потребителю.

В отличие от известного теплоэлектрогенератора в предлагаемом значительно увеличена площадь теплообменных поверхностей за счет устройства в газоходе 12 пластинчатого теплообменника 24 и покрытия наружного короба 2 и крышки 3 с декоративными ограждением 29 и крышкой 30 с образованием между ними щелей 31 шириной 9 (ширину 9 выбирают исходя из условий свободной конвекции воздуха в них). Дополнительные теплообменные поверхности позволяют значительно увеличить количество ТЭС и соответственно количество образующегося термоэлектричества в ТЭГАЭС, а декоративные короб 29 и крышка 30 одновременно создают циркуляцию воздуха в обогреваемом помещении. Кроме того, выполнение теплообменных поверхностей с зубчатыми пазами 32, которые обращены в сторону горячего потока (газов или воды) и находятся ближе к его ядру, обеспечивает нагрев контактных спаев 36 также до более высокой температуры, что в соответствии с законами теплопередачи увеличивает скорость теплообмена. При этом нагрев контактных спаев 36 в зоне нагрева до более высокой температуры увеличивает разность температур между горячими и холодными спаями 36, что увеличивает количество образующегося термоэлектричества в ТЭС 41. Кроме того, установка в каждой ТЭС 41 конденсаторов 40 и их последовательное включение в цепь между торцевыми холодными контактными спаями 36 с образованием отдельных ТЭБ 43 позволяет многократно снизить потери мощности на преодоление сопротивлений электричеству при прохождении по многочисленным ТЭП 34, а выполнение ТЭС 34 в виде съемных ребер 33 обеспечивает возможность замены вышедших из строя ТЭС 34 без разрушения смежных с ними ТЭС 34.

Величина начальной температуры дымовых газов t_ГН определяется видом топлива и конструкцией топки, их конечная температура t_ГК - составом дымовых газов и требуемым температурным напором. Значения начальной и конечной температур нагреваемой воды t_BH и t_ВК определяются площадью теплообменных поверхностей теплоэлектрогенератора и требованиями потребителя тепла. Величина разности электрического потенциала и силы тока на клеммах 44 и 45 каждого ТЭБ 43 зависит от характеристик пары металлов M1 и М2, из которых изготовлены ТЭП 34, их числа в одной ТЭС 41, разности температур холодных и горячих контактных спаев 36 и характеристик конденсаторов 40. Требуемые напряжение U и силу тока I ТЭГАЭС получают путем установки соответствующего числа ТЭС 41 в каждом ТЭБ 43, суммирования и трансформации получаемого ими тока.

При этом, конструкция универсальной топки 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), интенсифицировать процесс теплопередачи от дымовых газов, воды, воздуха к спаям ТЭП, значительно снизить потери электрической мощности и увеличить количество и параметры получаемой электрической энергии, что повышает надежность и эффективность теплоэлектрогенератора для автономного энергоснабжения.