ТЕПЛОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР Российский патент 1995 года по МПК F24D3/08 F24H1/08 H02N6/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в коммунально-бытовой технике, в частности в технике местного тепло- и электроснабжения жилых домов.

Известен двухконтурный газовый водонагреватель, применяемый для комплексного центрального теплоснабжения (горячее водоснабжение и отопление) жилых зданий, производственных предприятий, для нужд сельского хозяйства [1] Водонагреватель содержит топку, контактную камеру нагрева воды системы горячего водоснабжения с баком-аккумулятором и циркуляционным насосом, теплообменную камеру, выполненную в виде цилиндрического корпуса со штуцером подвода обратной сетевой воды из систем отопления и штуцером отвода воды, соединенным через сетевой насос и перегреватель с системами отопления. Теплообменная камера окружена водяной рубашкой, а внутри содержит трубчатый перегреватель. Водонагреватель может работать в двух- и одноконтурном режиме.

Однако газовый водонагреватель имеет низкую эффективность вследствие неполного теплообмена.

Известна обогревательная система, используемая на дачах, домах-фургонах, суднах и т. д. для обогрева помещений [2] Обогревательная система содержит закрытую камеру сгорания, которая зажигается пламенем от топливного газа и окружена топочной камерой, по которой проходит теплоноситель. Тепло отдается теплоносителю, который непосредственно или косвенно передает его нагреваемому помещению с помощью передающего устройства (вентилятора) с электромотором, питаемого электрическим током, полученным с помощью термоэлектрического генератора в пламени топки. В данном случае термоэлектрический генератор используется как дополнительное устройство, способствующее передаче тепла обогреваемому помещению.

Таким образом, для работы отопительной системы дополнительно используют получаемое высокотемпературное тепло помимо традиционного метода. Однако недостаточно полно используются возможности высокотемпературного тепла.

Известен газовый котел панельного отопления "SUPER" VR-W/B, разработанный голландской фирмой АТАG, который используют для горячего водоснабжения и отопления зданий [3] Газовый котел имеет модульное строение. Он представляет собой прямоугольный корпус, в котором модульно размещены топочное устройство, блок управления (микропроцессор), регулировочная арматура "газ безопасность регулировка", циркуляционный насос, бойлер, термостатический смесительный вентиль, трехпозиционный распределительный вентиль, дымовая труба, системы подвода и отвода воздуха, газа и воды.

Топочное устройство с водяным охлаждением полностью заключено в кожух, включая теплообменник из высококачественной стали с коллектором для отходящих газов, керамическую плоскую горелку с расположенным над ней вентилятором и с электронным зажигательным устройством. Блок управления (микропроцессор) с цифровыми показаниями функций и ошибок следит за протеканием всех функций и собственным программированием, с запоминающим приоритетным переключением для управления трехпозиционным распределительным вентилем. В зависимости от положения трехпозиционного вентиля нагретая в теплообменнике вода может поступать в бойлер для нагрева сетевой воды, которую затем используют для горячего водоснабжения, или на радиатор для отопления помещения, или по двум направлениям одновременно. Встроенный в котел насос работает также как накопительно-нагревательное устройство с автоматическим холостым ходом насоса и автоматической блокировкой насоса (отопительный циркуляционный насос работает вне отопительных периодов ежедневно 5 мин, чтобы избежать глухих посадок из-за коррозии).

Газовый котел надежен в работе, имеет КПД 93% низкую эмиссию вредных веществ, например NO_х, удобен при обслуживании и техуходе, так как состоит из отдельных модулей.

Указанный газовый котел панельного отопления "SUPER" VR-W/B является наиболее близким к изобретению по технической сущности. Однако вырабатываемое газовым котлом высокотемпературное тепло используется для низкотемпературных целей, таким образом не полностью используются возможности вырабатываемого тепла.

Целью изобретения является создание теплоэлектрогенератора, который эффективно использует получаемое высокотемпературное тепло и служит для производства тепла, горячей воды и электроэнергии, например, для местного тепло- и электроснабжения жилых домов.

Для этого теплоэлектрогенератор, содержащий корпус, в котором размещены топочное устройство с трубой для отвода отходящих газов, встроенное в кожух охлаждения и включающее керамическую горелку, подключенную к газопроводу с запорно-регулирующей арматурой, вентилятор с патрубками забора и подачи воздуха, зажигательное устройство и теплообменник, соединенный трубопроводом с кожухом охлаждения и через циркуляционный насос и трехпозиционный вентиль с системой отопления и (или) бойлером системы горячего водоснабжения, блок управления вентилятором, запорно-регулирующей арматурой, циркуляционным вентилем и трехпозиционным вентилем, предлагается дополнительно снабдить теплообменником-рекуператором, термоэмиссионными преобразователями, включающими эмиттеры, коллекторы, тепловые трубы и общую систему охлаждения, а также инвертором, включенным в систему энергоснабжения, при этом теплообменник-рекуператор размещен в среде отходящих газов между керамическими горелками и теплообменником с возможностью нагрева воздуха после вентилятора, тепловые трубы установлены в верхней части топочного устройства и взаимодействуют с коллекторами и системой охлаждения, последняя образует с теплообменником, водяным кожухом охлаждения, системой отопления и (или) бойлером системы горячего водоснабжения единый контур циркуляции теплоносителя, причем эмиттеры расположены в зоне излучения керамических горелок и вместе с коллекторами скоммутированы на инвертор. В теплоэлектрогенераторе эмиттеры термоэмиссионных преобразователей могут иметь форму эллипса или цилиндра.

Техническим результатом данного изобретения является использование высокотемпературного тепла для производства электроэнергии и оставшегося отводимого низкотемпературного тепла для производства тепла и горячей воды.

Электроэнергию получают за счет преобразования термоэмиссионными преобразователями (ТЭП) высокотемпературного тепла в электричество. Причем преобразовывается только часть тепла в электричество, остальное тепло отводится от ТЭП с помощью тепловых труб в систему горячего водоснабжения. Эффективность работы ТЭП достигается конструктивными особенностями топочного устройства. Так, эмиттеры ТЭП окружены горелками инфракрасного излучения, которые излучают тепло при температуре Т=1700^оС. Такая температура достигается за счет подачи в горелки подогретого воздуха. Воздух подогревается во встроенном между горелками и металлическим теплообменником теплообменнике-рекуператоре. Теплообменник-рекуператор устроен так, что отходящие дымовые газы перед выходом в водяную или воздушную систему охлаждения и далее в дымовую трубу проходят через него по соответствующим каналам, при этом в соседних каналах проходит засасываемый вентилятором воздух на горелки, и в результатах воздух нагревается через стенку от проходящих горячих дымовых газов. Постоянный ток, вырабатываемый ТЭП, преобразуется на инверторе в переменный ток напряжением, пригодным для потребления.

Использование термоэлектрических преобразователей в отопительных системах известно (см. Европейскую заявку N 0290833), однако преобразователи используются как дополнительные устройства для передачи тепла помещению. В нашем же случае преобразователи вырабатывают электроэнергию, используемую для электроснабжения потребителя, а уже остаточное тепло дополнительно используется для отопления и горячего водоснабжения.

Таким образом, предлагаемое изобретение имеет новую совокупность признаков, заключающихся в конструктивном исполнении блока рекуперативных горелок и ТЭП, размещенных в топочном устройстве и взаимодействующих с системой снабжения через инвертор и с системой горячего водоснабжения и отопления через систему охлаждения. В результате у устройства появляются новые свойства, а именно повышается эффективность использования высокотемпературного тепла, так как тепло используют для получения электроэнергии, тепла и горячего водоснабжения, т.е. получают новый "избыточный" эффект.

На фиг. 1 представлена схема теплоэлектрогенератора; на фиг.2 топочное устройство с термоэмиссионными преобразователями без вентилятора с водяной системой охлаждения ТЭП, общий вид; на фиг.3 теплообменник-рекуператор; на фиг.4 схема теплоэлектрогенератора с воздушной системой охлаждения ТЭП.

Теплоэлектрогенератор содержит корпус 1, в котором размещены блок 2 управления (микропроцессор) и запорно-регулировочная арматура 3, соединенные с топочным устройством 4, подводы газа 5, воздуха 6, воды 7, дымовая труба 8, бойлер 9 с подводом холодной воды 10 и выходом теплой воды 11, которые подключены к термостатическому смесительному вентилю 12. Нагретая вода подается в отопительную систему и бойлер 9 при помощи циркуляционного насоса 13 и трехпозиционного распределительного вентиля 14 (см. фиг.1).

Топочное устройство 4 заключено в водяной кожух 15 и содержит металлический теплообменник 16, вентилятор 17 для подачи воздуха в дополнительный теплообменник-рекуператор 18, откуда подогретый воздух подается на горелки 19 инфракрасного излучения, например циклонного типа, причем форма горелок соответствует форме термоэмиссионных преобразователей 20, внешняя оболочка которых представляет собой эмиттер 21, а внутренняя коллектор 22, соединенный с тепловой трубой 23. Тепловые трубы 23 ТЭП 20 окружены водяной (см.фиг. 2) или воздушной (см. фиг. 4) системой 24 охлаждения. Форма эмиттеров 21 (внешних оболочек ТЭП) может иметь эллипсную форму (см. справа на фиг.2) или цилиндрическую (см. слева на фиг.2). Газовоздушная смесь в топочном устройстве 4 поджигается при помощи электронного поджигательного устройства 25 (см. фиг. 2). Генерируемая последовательно скоммутированными ТЭП 20 электрическая мощность подается на полупроводниковый инвертор 26, откуда, преобразованная, она подается потребителю.

На фиг.3 представлено сечение теплообменника-рекуператора 18 с указанием воздушных каналов 27 и дымовых каналов 28, разделенных пластинами 29.

Теплоэлектрогенератор работает следующим образом.

При запросе тепла и электричества потребитель включает блок 2 управления (микропроцессор), который проводит проверку всех функций системы и затем высвобождает стартовый процесс. Включается вентилятор 17 и засасывает воздух через подвод 16 воздуха для горения. В вентиляторе 17 измеряется количество воздуха (посредством дифференциального датчика давления воздуха). При достижении требуемого объема блок 2 управления начинает через 10 с подачу газа из подвода 5 газа через запорно-регулировочную арматуру 3 и запускает электронное зажигание 25. Газ устремляется в горелки 19, смешивается с воздухом и поджигается. Так как в конструкции топочного устройства 4 предусмотрен дополнительный теплообменник-рекуператор 18, то подаваемый вентилятором 17 воздух подогревается в нем до температур 1000 1400^оС, что повышает температуру горения до 2100 2500^оС, а это в свою очередь позволяет нагреть излучательную поверхность инфракрасных горелок 19 до 1600 1700^оС. С целью уменьшения габаритов и повышения эффективности работы теплообменник-рекуператор 18 выполнен в виде чередующихся воздушных и дымовых плоских каналов 27, разделенных керамическими пластинами 28 (см. фиг.3). Дымовые газы, проходя по своим каналам, отдают тепло через разделительные пластины 28 воздуху, поступающему по соседнему каналу в горелки 19. Далее дымовые газы через дымовую трубу 8 выходят в атмосферу. Тепло, выделяемое в горелках 9, распределяется следующим образом: около 60% тепла передается излучением и конвекцией ТЭП 20, где частично преобразуется в электроэнергию, а частично отдается через водяную или воздушную систему 24 охлаждения воде или воздуху; остальные 40% тепла передаются через металлический теплообменник 16 воде, подаваемой через подвод 7. Водяной кожух 15, окружающий топочное устройство 4, предотвращает потери тепла в окружающую среду.

Преобразование тепла горения природного газа в электроэнергию происходит в ТЭП 20 за счет эффекта термоэмиссии, который возникает вследствие эмиссии электронов из нагретого до температур ≈ 1400^оС эмиттера 21. Электроны, попадая на коллектор 22, создают ток эмиссии ≈4 5 А/см², что является достаточным для использования в быту. Форма эмиттера 21 и коллектора 22 может быть различной. Они могут образовывать выпукло-вогнутые системы, где коллектор 22 расположен над эмиттером 21 (см. справа на фиг.2), и могут располагаться коаксиально, где коллектор 22 размещен внутри эмиттера 21 (см. слева на фиг.2). За счет коаксиального расположения достигается увеличение эмиссионной поверхности, а в результате и увеличение генерируемой электрической мощности.

Не преобразованная в электроэнергию часть тепла отводится от коллектора 22 при помощи жидкометаллической тепловой трубы 23 и далее снимается водяной или воздушной системой 24 охлаждения. Причем в последнем случае тепло снимается при помощи ребер воздушного охлаждения, которыми оснащены тепловые трубы 23 ТЭП 20 (см. фиг.4).

После прохождения воды через топочное устройство 4 она нагревается до ≈ 90^оС и подается по желанию потребителя при помощи встроенного циркуляционного насоса 13 и трехпозиционного распределительного вентиля 14 в отопительную систему или в бойлер 9, или по двум направлениям одновременно. Температура подаваемой потребителю воды из бойлера 9 через выход 11 регулируется при помощи термостатического смесительного вентиля 12, подсоединенного к выходу теплой воды 11 из бойлера 9 и к подводу холодной воды 10 в бойлер 9.

Генерируемая последовательно скоммутированными ТЭП 20 электрическая мощность подается на полупроводниковый инвертор 26, где преобразуется до кондиционных параметров ( ≈ 220 В) и поступает в электрическую сеть к потребителю.

Все системы теплоэлектрогенератора, описанные выше, размещены в компактном корпусе 1 с габаритными размерами 1000х800х400 мм. Теплоэлектрогенераторы нового поколения не только отвечают возрастающим экологическим требованиям (низкая эмиссия NO_x и CO₂), но и могут автономно обеспечивать потребителя электроэнергией или возвращать ее в промышленную сеть, возвращая тем самым потребителю финансовые затраты, понесенные им на момент покупки генератора.

Таким образом, предлагаемый теплоэлектрогенератор обладает новыми потребительскими свойствами и экономически выгоден, так как самоокупаем.

Использование: в коммунально-бытовой технике. Сущность изобретения: термоэмиссионные преобразователи содержат эмиттеры, коллекторы, тепловые трубы и общую систему охлаждения. Инвертор включен в систему энергоснабжения. Теплообменник-рекуператор размещен в среде отходящих газов между керамическими горелками и теплообменником с возможностью нагрева воздуха после вентилятора. Тепловые трубы установлены в верхней части топочного устройства и взаимодействуют с коллекторами и системой охлаждения. Система охлаждения образует с теплообменником, водяным кожухом охлаждения, системой отопления и/или бойлером системы горячего водоснабжения единый контур циркуляции теплоносителя. Керамические горелки выполнены в виде горелок инфракрасного излучения. Эмиттеры расположены в зоне их излучения и скоммутированы вместе с коллекторами на инвертор. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ТЕПЛОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР, содержащий корпус, в котором размещены топочное устройство с трубой для отвода отходящих газов, встроенное в водяной кожух охлаждения и включающее керамическую горелку, подключенную к газопроводу с запорно-регулирующей арматурой, вентилятор с патрубками забора и подачи воздуха, зажигательное устройство и теплообменник, соединенный трубопроводом с водяным кожухом охлаждения и через циркуляционный насос и трехпозиционный вентиль с системой отопления и/или бойлером системы горячего водоснабжения, блок управления вентилятором, запорно-регулирующей арматурой, циркуляционным насосом и трехпозиционным вентилем, отличающийся тем, что дополнительно содержит теплообменник-рекуператор, термоэмиссионные преобразователи, включающие эмиттеры, коллекторы, тепловые трубы и общую систему охлаждения, а также инвертор, включенный в систему энергоснабжения, при этом теплообменник-рекуператор размещен в среде отходящих газов между керамическими горелками и теплообменником с возможностью нагрева воздуха после вентилятора, тепловые трубы установлены в верхней части топочного устройства и взаимодействуют с коллекторами и системой охлаждения, последняя образует с теплообменником, водяным кожухом охлаждения, системой отопления и/или бойлером системы горячего водоснабжения единый контур циркуляции теплоносителя, причем керамические горелки выполнены в виде горелок инфракрасного излучения, а эмиттеры расположены в зоне их излучения и скоммутированы вместе с коллекторами на инвертор. 2. Теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что эмиттеры имеют форму эллипса. 3. Теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что эмиттеры имеют форму цилиндра.