Результат интеллектуальной деятельности: Термоэлектрический генератор с принудительной системой охлаждения

Изобретение относится к электрическим генераторам, а именно к устройствам по преобразованию тепловой энергии в электрическую с целью повышения энергетической эффективности тепловых источников.

Изобретение может найти широкое применение на предприятиях АПК, при утилизации тепла дымовых газов, тепла солнечных коллекторов, геотермальных источников, водной поверхности водоемов, рек, озер, морей, отдельных бытовых трубопроводов, дымоотводных труб и емкостей с горячей водой и другими теплоносителями, и служащего для электропитания светового освещения, средств связи, устройств оповещения и сигнализации, а также различных контрольно-измерительных приборов.

Известен термоэлектрический генератор (ТЭГ), содержащий теплоприемник, к которому с помощью прижимного блока крепятся термоэлектрические батареи и радиаторы (Патент РФ №2305347 от 27.08.2007, МПК H01L 35/30, опубл. 27.08.2007, бюл. №24).

Однако известное устройство имеет недостаток, который заключается в том, что имеет низкоэффективную систему охлаждения, что приводит к уменьшению КПД устройства.

Известен термоэлектрический генератор (Патент РФ №150186 от 10.02.2015, МПК H01L 35/28, опубл. 10.02.2015, бюл. №4), содержащий термоэлектрические модули (ТЭМ), установленные тепловоспринимающей стороной на боковой стороне корпуса отопительной бытовой печи, на противоположной стороне ТЭМ укрепляются воздушные радиаторы с естественной циркуляцией воздуха. Однако и данное устройство имеет свой недостаток, малоэффективную систему охлаждения, из-за чего охлаждающая сторона не успевает охлаждаться.

Технической задачей изобретения является улучшение системы охлаждения термоэлектрического генератора, что приводит к повышению термоэлектрического КПД устройства.

Техническая задача достигается тем, что в термоэлектрическом генераторе с принудительной системой охлаждения, преобразующем тепло уходящих газов тепловых установок, включающем в себя термоэлектрические модули, количество которых зависит от величины требуемого напряжения и тока, пластину для прилегания на наружной поверхности дымовой трубы, на которой установлен датчик температуры, подсоединенный к блоку управления, к термоэлектрическим модулям прикреплены охлаждающие радиаторы, охлаждающие радиаторы системы охлаждения термоэлектрических модулей имеют принудительную систему охлаждения с рециркуляционным насосом, причем блок управления регулирует скорость течения хладоносителя в системе охлаждения при помощи рециркуляционного насоса.

Предложенное устройство поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен общий вид устройства, на фиг. 2 - вид сверху.

Термоэлектрический генератор с принудительной системой охлаждения, преобразующий тепло уходящих газов тепловых установок включает в себя термоэлектрические модули 1, количество которых зависит от величины требуемого напряжения и тока, пластину 2, прилегающую к наружной поверхности дымовой трубы 3. К пластине 2 прикреплены охлаждающие радиаторы 4. Охлаждающие радиаторы 4 системы охлаждения термоэлектрических модулей 1 имеют принудительную систему охлаждения 5 с рециркуляционным насосом 9 и блоком управления 8. Составные части пластины 2 закреплены на дымовой трубе 3, например, при помощи болтового соединения 6. На пластине 2 установлен датчик температуры 7, соединенный с блоком управления 8.

Термоэлектрический генератор с принудительной системой охлаждения работает следующим образом.

При прохождении дымовых газов по дымовой трубе 3, тепло передается через стенки пластине 2. Теплота поступает на горячую сторону термоэлектрического модуля 1. К пластине 2 крепится датчик температуры 7, сигнал от которого поступает на блок управления 8, который регулирует скорость течения хладоносителя в системе охлаждения 5 при помощи рециркуляционного насоса 9 для создания необходимой разности температур на стенках термоэлектрических модулей.

Пластина 2, изготовленная, например, из меди, обеспечивает низкое термическое сопротивление, что позволяет максимально эффективно подвести тепло к термоэлектрическому модулю 1 для дальнейшего получения электрической энергии постоянного тока с максимально возможным коэффициентом преобразования. Для повышения разницы температур между горячей и холодной поверхностями термоэлектрического модуля 1 и увеличения коэффициента преобразования тепловой энергии в электрическую энергию используется принудительная система охлаждения 5. Хладоноситель циркулирует по охлаждающим радиаторам 4. Данный термоэлектрический генератор можно установить на дымовые трубы различных размеров и форм.

Предлагаемая конструкция охлаждающих радиаторов будет обеспечивать более эффективную работу системы охлаждения для повышения КПД устройства. Для подтверждения утверждения о повышении КПД термоэлектрического генератора с принудительной системой охлаждения, с оценкой влияния на него различных факторов можно применить формулу расчета, предложенную А.Ф. Иоффе (Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. М.-Л.: Изд-во АН СССР. 1960 г.; Термоэлектрические генераторы. М.: Атомиздат, 1976 г.).

Выражение для определения значения КПД

где T₁ - температуры горячей стороны ТЭГ, т.е. температура дымовых газов, принимаем равной 120°С; (Особенности теплового и эксергетического расчета котлоагрегатов ТЭС: учебное пособие / Батухтин А.Г. Пинигин В.В. - Москва: Изд-во Академия Естествознания, 2013 г.).

T₀ - температуры холодной стороны ТЭГ, принимаем равной температуре подпиточной воды T₀ = 15°С; (СП 89.13330.2016 Котельные установки. Актуализированная редакция СНиП 11-35-76).

М - оптимальная для режима максимального КПД величина отношения полезной нагрузки к внутреннему сопротивлению ТЭГ, характеризующая меру необратимых потерь в термоэлементе.

где Z - добротность, комплексный критерий, определяющий качество применяемого термоэлектрического материала, К^-1; Z = 0,0005 К^-1 (Исследование основных характеристик термоэлектрического охладителя и генератора: лаб. практикум / В.Н. Белозерцев [и др.]. - Самара: Изд-во СГАУ, 2015 г.).

Первый множитель для определения КПД, как видно из (1), представляет собой термодинамический КПД обратимого процесса (цикл Карно), второй показывает снижение его в результате необратимых потерь на теплопроводность и джоулево тепло.

Первый множитель выражения (1) представляет собой КПД цикла Карно, который обозначим как η_к=(T₁-T₀)/T₁=(120-15)/120=0,085, второй - как КПД термоэлектрического преобразования η_ТП=(М-1)/(М+T₀/T₁)=(3,84-1)/(3,84+15/120)=0,71. Тогда для удобства анализа выражение для КПД ТЭГ запишем как произведение

Из (1) и (2) видно, что чем больше М по сравнению с единицей, т.е. чем больше Z и средняя температура холодного и горячего спаев 0,5(T₁+T₀), тем меньше необратимое снижение КПД. Повышение температуры горячих спаев и снижение ее на холодных спаях увеличивает КПД не только из-за увеличения КПД цикла Карно, но и в результате роста М при данном значении Z.

Так как предлагаемое устройство должно обеспечивать эффективную работу системы охлаждения 4, за счет принудительной циркуляции хладоносителя при помощи рециркуляционного насоса 9, то в выражении (3) необходимо также учесть КПД рециркуляционного насоса 9 и блока управления 8

где η_н - КПД рециркуляционного насоса системы охлаждения ТЭГ,

η_бу - КПД блока управления.

Для циркуляции хладоносителя используется маломощный рециркуляционный насос 9 с повторно-кратковременным режимом работы. Электропитание рециркуляционного насоса 9 и блока управления 8 осуществляется за счет энергии, полученной от ТЭГ.

Предлагаемое устройство обеспечивает высокоэффективную работу системы охлаждения, что приводит к повышению КПД устройства.