Результат интеллектуальной деятельности: Универсальная термоэлектрическая приставка

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, а именно, к системам тепло– и электроснабжения жилых, общественных и промышленных зданий.

Известен комплексный электрогенерирующий отопительный прибор, содержащий две трубы верхнего и нижнего коллекторов, связывающие их вертикальные трубы овального сечения, фронтальный и тыльный ряды вертикальных пластин прямоугольной формы, расположенных напротив вертикальных труб, закрывая их по всей их высоте, снабженных вертикальными щелями, высота которых равна длине вертикальных труб, в каждую из которых вставлен вертикальный прямоугольный термоэлектрический преобразователь (термоэлектрическая секция), выполненный из материала с высокой теплопроводностью и присоединенный тыльным торцом своего корпуса к стенке вертикальной трубы, в массиве которого помещены термоэлектрические элементы, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2, спаянные на концах между собой таким образом, что сами проволочные отрезки расположены параллельны друг другу, образуя П–образные ряды, которые соединены между собой, выходными коллекторами, соединенными с накопительным блоком [Патент РФ №2630069, H05 B1/00, F24 D13/04, F24 H3/12, F28 F13/16, 2017].

Основными недостатками известного устройства являются выполнение вертикальных труб овального сечения, сложная конструкция термоэлектрических преобразователей, недостаточная площадь контакта горячих спаев термоэлектрических элементов с горячей поверхностью отопительного прибора и невозможность его использования в других конструкциях источника тепла, что снижает надежность и эффективность устройства.

Более близким к предлагаемому изобретению является электрогенерирующий отопительный прибор, содержащий две трубы верхнего и нижнего коллекторов, вертикальные трубы круглого сечения, связывающие полости верхнего и нижнего коллекторов по всей их длине прижатые к фронтальной и тыльной поверхности вертикальных труб вертикальные термоэлектрические секции, каждая из которых состоит из вертикальной П–образной опорной рамки, вертикальных торцы которой выполнены с двумя резьбовыми отверстиями, снабженной на продольных торцах вертикальными фланцами, концы которых выполнены с крепежными отверстиями, через которые пропущены стягивающие болты, на наружную поверхность каждой П–образной опорной рамки уложены n плоских элементов Пелтье (плоских термоэлектрических элементов), соединенных токовыводами с одноименными выходными коллекторами, причем на наружную поверхность элементов Пелтье (плоских термоэлектрических элементов) каждой П–образной опорной рамки термоэлектрической секции наложены радиаторы, выполненные из материала с высокой теплопроводностью, представляющие собой вертикальные прямоугольные каналы с вертикальными внутренними перегородками, наружной стороной, выполненной с вертикальными прорезями (отверстиями), снабженные на торцах двумя проходными отверстиями и прижатые к наружной поверхности элементов Пелтье (плоских термоэлектрических элементов) крепежными болтами, полости между вертикальными трубами и П–образными опорными рамками заполнены кварцевым песком, а выходные коллекторы соединены с накопительным блоком [Патент РФ №2710210, H05 B1/00, F24 D13/04, F24 H3/12, F28 F13/16, 2019].

Основными недостатками известного устройства являются П–образная форма опорных рамок и заполнение полостей между ними кварцевым песком, что усложняет конструкцию и эксплуатацию устройства, недостаточная площадь контакта термоэлектрических элементов с горячей поверхностью отопительного прибора и горячим воздухом и невозможность его использования в других конструкциях источника тепла, что снижает надежность и эффективность устройства.

Технической задачей, на которую направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности и эффективности универсальной термоэлектрической приставки.

Техническая задача решается универсальной термоэлектрической приставкой (УТЭП), включающей вертикальный, отбортованный с боковых сторон, контактный лист, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, к внутренней стороне которого прижата установочная решетка, также выполненная из материала с высокой теплопроводностью, с прямоугольными отверстиями, в которые вложены плоские термоэлектрические элементы, прижатые к внутренней поверхности вышеупомянутого листа, каждый вертикальный ряд которых образует термоэлектрические секции, причем на каждую термоэлектрическую секцию снаружи наложен радиатор, выполненный в форме тавра из материала с высокой теплопроводностью, верхние кромки контактного листа выполнены с резьбовыми отверстиями, верхние и нижние кромки установочной решетки и радиаторов выполнены с крепежными отверстиями, через которые пропущены крепежные болты, на наружные кромки радиаторов и кромки бортов наружного листа наложен наружный перфорированный лист, перфорация которого выполнена в форме вертикальных прямоугольных отверстий, расположенных между радиаторами, прикрепленный к бортовым кромкам контактного листа, а плоские термоэлектрические элементы соединены токовыводами с одноименными выходными коллекторами, которые соединены с накопительным блоком.

На фиг. 1–6 представлена универсальная термоэлектрическая приставка (УТЭП): фиг. 1– общий вид УТЭП; фиг. 2–6– основные узлы и разрезы УТЭП.

Предлагаемая универсальная термоэлектрическая приставка (УТЭП) включает вертикальный, отбортованный с боковых сторон, контактный лист 1, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, к внутренней стороне которого прижата установочная решетка 2, также выполненная из материала с высокой теплопроводностью, с прямоугольными отверстиями 3, в которые вложены плоские термоэлектрические элементы 4, прижатые к внутренней поверхности контактного листа 1, каждый вертикальный ряд которых образует термоэлектрические секции (ТЭС) 5, причем на каждую ТЭС 5 снаружи наложен радиатор 6, выполненный в форме тавра из материала с высокой теплопроводностью, верхние и нижние кромки листа 1 выполнены с резьбовыми отверстиями (на фиг. 1–6 не показаны), верхние и нижние кромки установочной решетки 2 и радиаторов 6 выполнены с крепежными отверстиями 7, через которые пропущены крепежные болты 8, на наружные кромки радиаторов 6 и кромки бортов контактного листа 1 наложен наружный перфорированный лист 9, перфорация которого выполнена в форме вертикальных прямоугольных отверстий 10, расположенных между радиаторами 6, прикрепленный к контактному листу 1 (узлы крепления листа 9 к листу 1 на фиг. 1–6 не показаны), а плоские термоэлектрические элементы 4 соединены токовыводами 11, 12 с одноименными выходными коллекторами 13 и 14, которые соединены с накопительным блоком (на фиг. 1–6 не показан).

УТЭП работает следующим образом. Количество ТЭС 5, входящих в него, определяется в зависимости от его тепловой мощности, его размеров и параметров теплового источника 15. Сборку УТЭП осуществляют перед его использованием, после чего токовыводы 11 и 12 всех плоских термоэлектрических элементов 4 соединяют электропроводкой через коллекторы одноименных зарядов 13 и 14 с накопительным блоком и потребителем (на фиг.1–6 не показаны). При контакте наружной поверхности контактного листа 1 с горячей поверхностью источника тепла 15 с температурой t_Г происходит нагрев листа 1, выполненного из материала с высокой теплопроводностью, в связи с чем и на его поверхности устанавливается практически та же температура t_Г, за счет чего происходит равномерный нагрев внутренней поверхности термоэлектрических элементов 4, прижатых к внутренней поверхности листа 1. Так как наружная поверхность термоэлектрических элементов 4 покрыта радиаторами 6, а в помещении температура воздуха значительно ниже и равна t_С, создается значительная разность температур между температурой наружной поверхности горячей поверхности теплового источника 15 t_Г и температурой воздуха (t_Г- t_С), в результате чего между ними происходит процесс теплообмена. При этом, происходит быстрый нагрев зоны нагрева термоэлектрических элементов 4 и одновременное быстрое охлаждение их наружной поверхности за счет контакта радиаторов 6, высокой теплопроводности их материала, канальной конструкции УТЭП с внутренними перегородками и щелями 10 и плотного контакта радиаторов 6 с наружной поверхностью термоэлектрических элементов 4 [И. Н. Сушкин. Теплотехника. – М.: «Металлургия», 1973, с. 195–198]. Создаваемая разность температур между зонами нагрева и охлаждения в термоэлектрических элементах 4 вызывает в них эмиссию электронов и возникновение в них термоэлектричества, которое суммируется в ТЭС 5. [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506]. Полученное термоэлектричество каждой ТЭС 5 через коллекторы 13, 14 поступает в накопительный блок и потребителю (на фиг.1–6 не показаны).

Аналогично происходит процесс генерации термоэлектричества при нагреве контактного листа 1 солнечными лучами или горячими газами. Необходимым условием для проведения такого процесса является одновременное охлаждение радиаторов 6. При этом положение УТЭП может быть самым различным (вертикальным горизонтальным, наклонным).

Величина разности электрического потенциала и силы тока на токовыводах 13, 14 зависит от разности температур (t_Г– t_С), количества и характеристик термоэлектрических элементов 4 в ТЭС 5, их числа в УТЭП. Требуемые напряжение U и силу тока I в зависимости от времени контакта и величины разности температур (t_Г– t_С) регулируют и аккумулируют в накопительном блоке. Полученное электричество используется, например, для освещения и работы бытовых приборов (на фиг. 1-6 не показаны).

Таким образом, предлагаемая универсальная термоэлектрическая приставка за счет использования плоских термоэлектрических элементов, конструкции и свойств радиаторов, образующих воздушные каналы, формы корпуса обеспечивает получение электрической энергии при наличии различных источников тепла (отопительных приборов, горячих стенок различных устройств, солнечных лучей, горячих газов и пр.), а конструкция термоэлектрических секций позволяет оперативно заменять вышедшие из строя термоэлектрические элементы и ТЭС что повышает ее надежность и эффективность.