Термоэлектрический источник электроснабжения для автономного теплогенератора

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, а именно, к системам поквартирного отопления и электроснабжения жилых зданий.

Известен теплоэлектрогенератор для автономного энергоснабжения содержащий наружный и внутренний вертикальные прямоугольные коробы, универсальная топку с газоходом, газовый патрубок, первичный и вторичный контуры, стенки наружного и внутреннего коробов, крышек, днищ и вертикальных перегородок, соприкасающиеся с нагреваемой водой выполнены с продольными вертикальными и горизонтальными зубчатыми пазами, обращенными в горячую сторону, в которые вставлены зубчатые ребра, состоящие из последовательно соединенных термоэмиссионных (термоэлектрических) преобразователей, выполненных из пары отрезков разных металлов М1 и М2, концы которых соединены между собой контактными спаями, пары которых соединены между собой в зоне охлаждения через конденсаторы и перемычки, образуя теплоэлектрические секции и теплоэлектрические блоки, которые присоединены к коллекторам с одноименными зарядами, соединенными с токовыводами [Патент РФ №2599087, МПК F24 Н1/00, 2016].

Основными недостатками известного термоэлектрогенератора для автономного энергоснабжения является сложность и громоздкость его конструкции, невозможность использования тепла уходящих дымовых газов для генерации термоэлектричества, что уменьшает его надежность и эффективность.

Более близким к предлагаемому изобретению является автономный термоэлектрогенератор на трубопроводе, содержащий участок трубопровода, на котором расположены по всей его длине окружные теплоэлектрические секции, снабженные электрическими конденсаторами и соединенные между собой перемычками, образуя термоэлектрический блок, снабженный токовыводами с одноименными зарядами, причем теплоэлектрические секции состоят размещенных зигзагообразно по очередности друг за другом термоэмиссионных (термоэлектрических) преобразователей, каждый из которых состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых соединены между собой, образуя верхние и нижние спаи, а участок трубопровода, на котором расположены окружные теплоэлектрические секции закрыт кожухом, выполненным из коррозионно-устойчивого материала с высокой теплопроводностью. [Патент РФ №2614349, С23 F13/00, 2019].

Основными недостатками известного автономного термоэлектрогенератора на трубопроводе являются сложность изготовления и недостаточная мощность для обслуживания теплогенератора, обусловленная конструкцией теплоэлектрических секций, что уменьшает его надежность и эффективность.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности термоэлектрического источника электроснабжения для автономного теплогенератора.

Технический результат достигается термоэлектрическим источником электроснабжения для автономного теплогенератора, содержащим теплогенератор, газовый патрубок, соединенный с магистральнной трубой дымовых газов, участок которого на выходе из теплогенератора покрыт цилиндрическим воздушным кожухом, выполненным из коррозионно-устойчивого материала и составленным из двух полукожухов, снабженных крепежными отверстиями, в которые вставлены сквозные крепежные болты, заглушенных с внутреннего торца и образующих с наружного торца кольцевую заборную щель, причем кожух соединен воздуховодом, снабженным дутьевым вентилятором, с топкой теплогенератора, внутри полости кожуха вокруг наружной поверхности вышеупомянутого участка газового патрубка расположен термоэлектрический блок, соединенный электропроводкой с электродвигателем вентилятора, инвертором и аккумулятором, при этом, термоэлектрический блок состоит, из расположенных на поверхности трубопровода N термоэлектрических секций, каждая из которых представляет собой продольную рамку, установленную с зазором Δ от наружной поверхности газопровода и состоящую из n клеток, на торцах которой устроены по одному крепежному резьбовому отверстию, в которые вкручены сквозные крепежные болты, а на кромки клеток уложены своими нижними кромками n плоских термоэлектрических преобразователей, соединенных токовыводами с коллекторами одноименных зарядов, на верхнюю наружную поверхность плоских термоэлектрических преобразователей каждой термоэлектрической секции наложены радиаторы, выполненные из гидростойкого материала с высокой теплопроводностью, снабженные на торцах проходными отверстиями и прижатые к наружной поверхности плоских термоэлектрических преобразователей прижимными гайками на сквозных крепежных болтах.

На фиг. 1 представлены схема термоэлектрического источника электроснабжения для автономного теплогенератора (ТЭИЭС), на фиг. 2, 3 – общий вид и разрез термоэлектрического блока (ТЭБ), на фиг. 4, 5 – узел соединения элементов плоских термоэлектрических преобразователей (ПТЭП) термоэлектрической секции (ТЭС).

Предлагаемый ТЭИЭС содержит теплогенератор 1, снабженный газовым патрубком 2, соединенным с магистральнной трубой дымовых газов 3, участок газового патрубка 2 на выходе из теплогенератора 1 покрыт цилиндрическим воздушным кожухом 4, состоящим из двух полукожухов 5, снабженных крепежными отверстиями 6, в которые вставлены сквозные крепежные болты 7, заглушенных с внутреннего торца и образующих с наружного торца кольцевую заборную щель 8. Кожух 4 соединен воздуховодом 9, снабженным дутьевым вентилятором 10, с топкой теплогенератора 1, внутри его вокруг наружной поверхности вышеупомянутого участка газового патрубка 2 устроен термоэлектрический блок (ТЭБ) 11, соединенный электропроводкой с электродвигателем 12 вентилятора 10, инвертором и аккумулятором (на фиг. 1-5 не показаны). При этом ТЭБ 11 состоит, из расположенных на поверхности трубопровода N термоэлектрических секций (ТЭС) 13, каждая из которых представляет собой продольную рамку 14, установленную с зазором Δ от наружной поверхности газового патрубка 2 и состоящую из n клеток 15, на торцах которой устроены по одному крепежному резьбовому отверстию 16, в которые вкручены сквозные крепежные болты 7, а на кромки клеток 15 уложены своими нижними кромками n плоских термоэлектрических преобразователей (ПТЭП) 17 (в качестве ПТЭП могут быть использованы, например, элементы Пелтье), соединенных токовыводами 18, 19 с коллекторами одноименных зарядов 20 и 21, причем на верхнюю наружную поверхность ПТЭП 17 каждой рамки 14 ТЭС 13 наложены радиаторы 22, выполненные из гидростойкого материала с высокой теплопроводностью, снабженные на торцах проходными отверстиями 23 и прижатые к наружной поверхности ПТЭП прижимными гайками 24 на сквозных крепежных болтах 7.

ТЭИЭС устанавливается в процессе монтажа или реконструкции системы поквартирного отопления, для чего предварительно собранные ТЭС 13 в комплекте с радиаторами 22 крепятся к внутренней поверхности полукожухов 5 крепежными болтами 6 и прижимными гайками 24, после чего полукожухи 5 продольно накладываются на участок газового патрубка 2 и крепятся между собой (узлы крепления на фиг. 1–5 не показаны). В процессе монтажа должен соблюдаться зазор ∆ (размер зазора ∆ выбирается из условия отсутствия контакта нижней поверхности ПТЭП 17 с наружной поверхностью газового патрубка 2 и поддержания температуры воздушной прослойки не выше 100°С во избежание их перегрева). После монтажа ТЭС 13 и всего ТЭБ 11 токовыводы 18 и 19 всех ПТЭП 17 соединяют электропроводкой через коллекторы одноименных зарядов 20 и 21 с электродвигателем 12 вентилятора 10 и другими потребителями электроэнергии (на фиг.1–5 не показаны).

ТЭИЭС, представленный на фиг. 1–5, работает следующим образом. После запуска теплогенератора 1 и дутьевого вентилятора 10 при движении горячих дымовых газов в газовом патрубке 2 с температурой t_Г в помещении или снаружи с температурой воздуха t_С создается значительная разность температур между температурой наружной поверхности патрубка 2 t_П и температурой воздуха (t_ГП-t_С), поступающего в через заборную кольцевую щель 8 в полость кожуха 4, в результате чего между ними происходит процесс теплообмена. При этом, происходит нагрев через воздушную прослойку толщиной Δ от стенки патрубка 2 нижней поверхности ПТЭП 17 и одновременное быстрое охлаждение их верхней зоны за счет контакта радиаторов 22, выполненных из материала с высокой теплопроводностью, потоком приточного воздуха, поступающего через кольцевой зазор 8 кожуха 5. Создаваемая разность температур между зонами нагрева и охлаждения ПТЭП 17 вызывает в них эмиссию электронов и возникновение в ТЭС 13 термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506]. Полученное термоэлектричество каждой ТЭС 13 суммируется в ТЭБ 11 и через коллекторы 20, 21 поступает в инвертор (на фиг. 1–5 не показан), где создается требуемое напряжение и сила тока и подается в электродвигатель 12 вентилятора 10, аккумулятор и другим потребителям (на фиг. 1–5 не показаны).

Величина разности электрического потенциала и силы тока на токовыводах 18, 19 зависит от разности температур на спаях металлов М1 и М2, их характеристик, количества и характеристик элементов ПТЭП 17 в ТЭС 13, их числа в ТЭБ 11, теплотехнических характеристик радиаторов 22 и величины зазора ∆, которую устанавливают при монтаже. При необходимости устанавливают несколько ТЭБ 11. Требуемые напряжение U и силу тока I в зависимости от нагрузки теплогенератора 1 и величины разности температур (t_П–t_С) регулируют в инверторе (на фиг. 1-5 не показан). Полученное электричество используется для работы вентилятора 10 и, например, для автоматизации работы теплогенератора.

Таким образом, конструкция предлагаемого ТЭИЭС за счет повышения мощности обеспечивает возможность автономной работы теплогенератора системы поквартирного отопления без подключения к электрической сети, а конструкция ТЭБ 11 (источник ЭДС) позволяет заменять вышедшие из строя ПТЭП и ТЭС на действующей системе отопления, что повышает его надежность и эффективность.