ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА Российский патент 1996 года по МПК H01L35/30 

Изобретение относится к термоэлектричеству, а именно к теплообменникам термоэлектрического генератора, преимущественно работающем на жидком органическом или газообразном топливе и эксплуатируемом в условиях многократного термоциклирования.

Известен теплообменник термоэлектрического генератора, содержащий массивную плиту, в которой выполнены продольные каналы для теплоносителя, и систему прижима (см. патент США N3234048, кл. 136-4, оп. 1966). В известном теплообменнике термоэлектрические батареи прижимаются к массивной плите, по каналам которой проходят нагретые газы от источника тепла газовой горелки.

Недостатком известного теплообменника является значительная масса, обусловленная тем, что для получения требуемой теплообменной поверхности приходится существенно увеличивать количество цилиндрических каналов в теплообменнике, а это, в свою очередь, приводит к увеличению толщины плиты и ее веса. Кроме того, при длительной эксплуатации в условиях многократного термоциклирования наблюдалось изменение формы теплообменных поверхностей, что приводило к ухудшению выходных параметров генератора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому теплообменнику является теплообменник термоэлектрического генератора, выполненный в виде комбинированного блока, имеющего форму многогранника с теплоотводящими поверхностями для термоэлектрических батарей, состоящего из элементов, изготовленных из разнородных материалов, с каналами для теплоносителя (см. патент США N305648, кл. 138 208, оп. 1962). В известном теплообменнике многогранник выполнен из окиси бериллия, который состыкован с цилиндром из алюминия, имеющим продольные каналы для пропускания через них продуктов сгорания, получаемых при сжигании жидкого органического топлива в горелке генератора.

Недостатком известного теплообменника является значительный вес, определяемый необходимостью получения развитой теплообменной поверхности, что приводит к увеличению количества каналов, а это, в свою очередь, вызывает увеличение веса. Кроме того, использование дорогостоящей окиси бериллия приводит к резкому увеличению стоимости теплообменника.

Изобретение направлено на снижение веса и уменьшение стоимости теплообменника термоэлектрического генератора.

Для достижения указанной цели в теплообменник термоэлектрического генератора, выполненный в виде комбинированного блока, имеющего форму многогранника с теплоотводящими поверхностями для термоэлектрических батарей, состоящего из элементов, изготовленных из разнородных материалов, с каналами для теплоносителя, введены стяжки, блок выполнен в виде набора пластин, изготовленных из теплостойкого материала, чередующихся с проставками, выполненными из высокотеплопроводного материала, которые расположены у противоположных теплоотводящих поверхностей с зазором между противолежащими проставками, а стяжки размещены в угловых зонах пластин, при этом предпочтительно блок выполнять в форме параллелепипеда, располагая боковые поверхности проставок заподлицо с теплоотводящими поверхностями и с боковыми поверхностями пластин; в боковых зонах проставок и в угловых зонах пластин выполнять отверстия для стяжек; отношение толщины пластины к толщине проставки выбирать в пределах 1:1,15 1:4, проставки выполнять из алюминия или его сплавов; пластины выполнять из железа или его сплавов; между пластинами и проставками размещать прослойки из пластичного материала; пластины присоединять с проставками через слой высокотемпературного припоя; торцовые пластины выполнять толщиной, превышающей толщину остальных пластин; стяжки выполнять в виде шпилек с резьбовыми окончаниями с размещенными на них гайками, при этом между торцовыми поверхностями пластин и гайками размещать тарельчатые пружины.

Благодаря выполнению теплообменника в виде набора пластин, изготовленных из теплостойкого материала, чередующихся с проставками из высокотеплопроводного материала и расположением проставок у противоположных теплоотводящих поверхностей с зазором между противолежащими проставками, удается сформировать высокоэффективный теплообменник в виде системы плоских параллельных каналов с развитой теплообменной поверхностью. Размещенные на теплоотдающей поверхности проставки из высокотеплопроводного материала обеспечивают при этом создание равномерного температурного поля, а армирование каждой проставки с двух сторон пластинами из теплостойкого материала устраняет деформации теплоотдающих поверхностей при эксплуатации генератора в условиях многократного термоциклирования. Система стяжек, использующая тарельчатые пружины, обеспечивает постоянство взаимного расположения элементов блока при всевозможных термомеханических нагрузках. Протяженность (толщина) каждой проставки выбирается незначительной (2,5 4 мм), что в сочетании с армированием пластинами и стяжками практически устраняет деформацию теплоотдающей поверхности при многократном термоциклировании. Размещение стяжек в угловых зонах пластин обеспечивает максимальное развитие теплоотдающих поверхностей и при этом устраняется экранирование теплообменных каналов. Блок может выполняться различной формы: в виде многогранника, цилиндра со скосами на боковых поверхностях и т.п. Предпочтительно выполнять блок в форме параллелепипеда, поскольку эта форма отвечает максимальной технологичности и способствует упрощению конструкции генератора. Боковые поверхности проставок предпочтительно располагать заподлицо с теплоотдающими поверхностями пластин, т.к. при этом формируется плоскостная общая поверхность и устраняются тепловые потери на контактных сопротивлениях. Размещение боковых поверхностей проставок заподлицо с боковыми поверхностями пластин устраняет возникновение гидравлических сопротивлений при входе теплоносителя.

Выполнение отверстий для стяжек в боковых зонах проставок и в угловых зонах пластин позволяет обеспечить надежную и удобную стыковку всех элементов блока. Экспериментально установлен оптимальный диапазон соотношений толщин пластин и проставок. Поскольку толщина пластины выбирается в диапазоне δ₁ 1 2 мм (при толщине менее 1 мм не удается обеспечить достаточной механической прочности, а при толщинах, превышающих 2 мм, неоправданно растет вес теплообменника), а толщина проставок выбирается в пределах δ₂ 2,5 - 4 мм (при меньших толщинах резко возрастает гидравлическое сопротивление канала, а при больших толщинах могут появиться деформации проставок при термомеханических нагрузках), то оптимальный диапазон соотношений толщины пластин к толщине проставки составляет соответственно δ₁/δ₂ 1:1,15 1:4. Проставки предпочтительно изготавливать из материалов с коэффициентами теплопроводности порядка 150 350 Вт/м^oC, и в наибольшей степени этому условию отвечает алюминий или его сплавы, например, марки АМЦ, которые наряду с высокой теплопроводностью имеют малый удельный вес и сравнительно низкую стоимость. Проставки предпочтительно изготавливать из материалов, преимущественно из железа или его сплавов, например, из сталей, ст. 20, нерж. ст. и т.п. поскольку при высокой теплостойкости удается обеспечить и сравнительно низкую стоимость. Для улучшения качества сборки и уменьшения термических контактных сопротивлений предпочтительно между пластинами и проставками размещать прослойки, выполненные из пластичного материала, например, прослойки из отожженного никеля или алюминия толщиной 10 20 мкм. Повышению стабильности взаимного расположения элементов блока может способствовать соединение боковых поверхностей пластин и проставок слоями высокотемпературного припоя, например слоями алюминиевой или серебряной фольги.

Приложенные чертежи изображают: фиг. 1 теплообменник термоэлектрического генератора, вид сбоку, фиг. 2 пластина (в изотермической проекции), фиг. 3 проставка (в изотермической проекции), фиг. 4 теплообменник в сборке с термоэлектрическими батареями (в изометрической проекции).

Теплообменник термоэлектрического генератора содержит: 1 проставки, 2 - пластины, 3 шпильки с резьбовыми окончаниями, 4 гайки, 5 отверстия в проставках и пластинах, 6 тарельчатые пружины, при этом на теплоотводящих поверхностях теплообменника размещены термоэлектрические батареи 7, 8 (через слои электроизоляции, на чертеже не указаны), имеющие электрические выводы 9, 10.

Проставки 1 выполняют из высокотеплопроводных материалов, например из алюминия и его сплавов, никеля, меди и т.п. Пластины 2 выполняют из теплостойких материалов, например из железа или его сплавов ст. 20, ст. 45, легированные стали, нерж. ст. которые обладают высокой механической прочностью при высоких (порядка 400^oC температурах. После стяжки чередующихся пластин 2 и проставок 1 образуется система параллельных плоских каналов Б (см. фиг. 1) и плоские теплоотводящие поверхности А (см. фиг. 1), которые после сборки и стяжки могут быть дополнительно обработаны, например, шлифовкой. При этом между смежными пластинами 2 и противолежащими проставками 1 формируются каналы для пропускания теплоносителя С (см. фиг. 4).

Описываемый теплообменник работает в составе термоэлектрического генератора следующим образом. Теплоноситель С (см. фиг. 4), образующийся в теплогенерирующем блоке генератора, например в газовой или жидкостной горелке (на чертеже не указана), пропускается через систему плоскостных каналов Б (см. фиг. 1), при этом происходит передача тепла от теплоносителя к стенкам пластин 2 и к поверхностям проставок 1. Тепловой поток по пластинам 2 поступает далее на теплообменные поверхности А и с них передается на термоэлектрические батареи 7, 8, создавая требуемый перепад температур на них (порядка 300 ^o C). За счет эффекта Зеебека генерируется термоЭДС и с электрических выводов 9, 10 в полезную нагрузку генератора (на чертеже не указана) поступает полезная электрическая энергия. В процессе многократного термоциклирования (например, нагрев и охлаждение генератора) сохраняется неизменной форма теплоотводящих поверхностей А (см. фиг. 1), поскольку пластины 2 выполняют функции армирующих элементов по отношению к высокотеплопроводным проставкам 1.

Заявленный теплообменник может быть изготовлен из стандартных материалов без необходимости привлечения специальных технологий.

Опытные образцы заявленного теплообменника были изготовлены на НПК "Правдинский" (пос. Правдинский, Пушкинский район, Московская обл.) и успешно прошли испытания в составе термоэлектрических генераторов с жидкостными и газовыми горелками.

В сравнении с известными теплообменниками, используемыми в термоэлектрических генераторах, в заявленном теплообменнике термоэлектрического генератора удалось значительно снизить вес (более чем на 20%) и одновременно уменьшить стоимость благодаря упрощению конструкции и технологии его изготовления. ЫЫЫ2

Использование: в термоэлектрических генераторах, преимущественно работающих на жидком органическом или газообразном топливе. Сущность изобретения: теплообменник выполнен в виде набора пластин, изготовленных из теплостойкого материала, предпочтительно из железа или его сплавов, чередующихся с проставками, выполненными из высокотеплопроводного материала, предпочтительно из алюминия или его сплавов. Проставки расположены у противоположных теплоотводящих поверхностей теплообменника и размещены с зазором, образуя систему параллельных каналов между смежными пластинами. Отношение толщины пластины к толщине проставки составляет 1:1, 15 - 1:4. Система стяжек выполнена в виде шпилек с резьбовыми окончаниями, на которых расположены гайки и тарельчатые пружины, при этом стяжки размещены в угловых зонах пластин. Благодаря армированию пластинами 2 проставок обеспечивается стабильность теплоотводящих поверхностей теплообменника при эксплуатации термоэлектрического генератора в условиях многократного термоциклирования. 9 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Теплообменник термоэлектрического генератора, выполненный в виде комбинированного блока, имеющего форму многогранника с теплоотводящими поверхностями для термоэлектрических батарей, состоящего из элементов, изготовленных из разнородных материалов, с каналами для теплоносителя, отличающийся тем, что в него введены стяжки, блок выполнен в виде набора пластин, изготовленных из теплостойкого материала, чередующихся с проставками, выполненными из высокотеплопроводного материала, которые расположены у противоположных теплоотводящих поверхностей с зазором между противолежащими проставками, при этом стяжки размещены в угловых зонах пластин. 2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что блок выполнен в форме параллелепипеда, при этом боковые поверхности проставок расположены заподлицо с теплоотводящими поверхностями и с боковыми поверхностями пластин. 3. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что в боковых зонах проставок и в угловых зонах пластин выполнены отверстия для стяжек. 4. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что отношение толщины пластины к толщине проставки составляет 1 1,15 1 4. 5. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что проставки выполнены из алюминия или его сплавов. 6. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что пластины выполнены из железа или его сплавов. 7. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что пластины контактируют с проставками через слой пластичного материала. 8. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что пластины и проставки соединены через слой высокотемпературного припоя. 9. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что торцевые пластины имеют толщину, превышающую толщину остальных пластин. 10. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что стяжки выполнены в виде шпилек с резьбовыми окончаниями с размещенными на них гайками, при этом между торцевыми поверхностями пластин и гайками расположены тарельчатые пружины.