ТЕПЛОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР Российский патент 1997 года по МПК F24D3/08 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в технике тепло- и электроснабжения, в частности, обеспечивать теплом и электричеством станции катодной защиты магистральных газопроводов от коррозии.

Известен теплоэлектрогенератор, используемый в коммунально-бытовой технике для местного тепло- и электроснабжения жилых домов, описанный в [1] Он содержит топочное устройство с трубой для отвода отходящих газов, подводы газа, воздуха, воды, запорно-регулирующую арматуру и блок управления, бойлер с подводом холодной воды и выходом теплой воды в отопительную систему, керамические горелки и парообразователи тепловой энергии в электрическую. Топочное устройство заключено в водяной кожух и содержит теплообменник, вентилятор для подачи воздуха в дополнительный теплообменник-рекуператор, откуда подогретый воздух подается на горелки инфракрасного излучения. Над горелками размещены термоэмиссионные преобразователи, подающие электрическую мощность на инвертор, преобразующий и подающий ее потребителю.

Основным недостатком конструкции является сложная технология изготовления и низкая надежность в работе.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому является автономный источник питания АИП-750Я, который используется как самостоятельный источник питания постоянным электрическим током и теплом комплекса радиоэлектронной аппаратуры [2] Прототип АИП состоит из блока энергопитания и автоматического редуцирующего блока РП-10. Блок энергопитания представляет собой корпус, в котором размещены термоэлектрические преобразователи тепловой энергии в электрическую, блок стабилизации и блок управления, трубопроводы для подвода воздуха в инжекционные горелки и распределения нагретого воздуха внутри корпуса, дымовые трубы для отвода продуктов сгорания, запорно-регулирующая газовая арматура.

В прототипе газ низкого давления поступает к инжекционным горелкам через запорно-регулирующую арматуру. Над горелками расположен теплоприемник, который передает тепловой поток, полученный от сгорания газа, горячей стороне термоэлектрических батарей преобразователя. Термоэлектрический преобразователь состоит из ряда последовательно включенных термоэлектрических батарей плоской геометрии. К холодной стороне термоэлектрических батарей прижат теплообменник-радиатор для отвода тепла. Тепло передается конвекцией воздушного потока, направляемого в атмосферу или в отдельное помещение для его обогрева через систему воздуховодов и заслонок. Термоэлектрические преобразователи соединены в электрическую цепь, которая подключена к стабилизатору напряжения (электронному устройству согласования) и пульпу управления.

В прототипе автоматический редуцирующий блок РП-10 предназначен для фильтрации и редуцирования газа высокого давления, поступающего в АИП от магистрального газопровода. Для решения этих задач в нем установлены: фильтр для улавливания взвешенных частиц, газовая горелка, обеспечивающая подогрев газа проходящего по змеевику, установленному перед редуктором давления, запорно-регулирующая газовая арматура, обеспечивающая безопасный алгоритм работы горелки. Подогрев газа перед редуктором давления необходим для того, чтобы предотвратить замерзание редуктора в результате эффекта Джоуля-Томсона. При этом, вне зависимости от температуры газа в газопроводе, температура газа перед редуктором должна быть не менее +40^oC (при рабочем давлении газа в магистральном газопроводе 70 атм.) и не более максимально допустимой для материалов, применяемых в редукторе давления.

Однако данная конструкция АИП является металлоемкой (вес 7000 кг), ненадежной и имеет низкую эффективность в работе, так как ей присущи следующие недостатки: низкая эффективность использования тепла, выделяемого горелкой и неравномерность теплового потока, передаваемого термоэлектрическим батареям, что обусловлено конструкцией теплоприемника; недостаточная устойчивость к термоциклированию термоэлектрических батарей плоской геометрии; сложная и металлоемкая система утилизации тепла с воздуховодами и заслонками; необходимость в дополнительном блоке подготовки газа РП-10, что требует использования дополнительной горелки с запорно-регулирующей газовой арматурой и дополнительного расхода газа; неопределенность состояния АИП при работе в автономном режиме из-за отсутствия системы оповещения о состоянии установки.

Перед авторами стояла задача избежать перечисленные выше недостатки и создать надежный и эффективный в работе теплоэлектрогенератор.

Предлагается для достижения указанного результата в теплоэлектрогенератор, содержащий корпус, в котором размещены топочное устройство с трубой для отвода продуктов сгорания, включающее газовую инжекционную горелку низкого давления, подключенную к газопроводу высокого давления через включенные последовательно вентиль, блок подготовки газа и блок редуцирования давления с запорно-регулирующей газовой арматурой, и теплоприемник, соединенный с горячей стороной термоэлектрических батарей термоэлектрического преобразователя тепловой энергии в электрическую, холодная сторона которых соединена с теплообменником, а электрические выходы преобразователя соединены с электронным устройством согласования, и блок управления, ввести новое исполнение теплоприемника в виде термосифона, испарительная часть которого представляет собой плотно упакованные и расположенные вдоль образующих поверхности, например, цилиндрической, оребренные трубы, соединенные с фланцем горелки, что образует камеру сгорания горелки, на конденсационной части термосифона горячими сторонами смонтированы термоэлектрические батареи радиально-цилиндрической геометрии, теплообменник включен последовательно в замкнутый контур с помпой и системой утилизации тепла, блок подготовки газа встроен в трубу для отвода продуктов сгорания и выполнен в виде газорегулируемого термосифона, внутри которого размещен змеевик подачи газа, на конденсационной части термосифона установлено оребрение, к электронному устройству согласования последовательно подключен датчик тока нагрузки, а в блоке управления установлен процессор и блок передачи данных о состоянии теплоэлектрогенератора.

Таким образом, достигается максимально возможный электрический КПД, обеспечивается большое число термоциклов термоэлектрического преобразователя, и, соответственно, увеличивается ресурс работы установки, обеспечивается возможность утилизации тепловой энергии в зависимости от запросов потребителя, а также достигается максимально возможный коэффициент использования топлива, что значительно повышает эффективность работы теплоэлектрогенератора.

Новые конструктивные особенности теплоэлектрогенератора и возможность дистанционного контроля за его состоянием, также повышают, в результате, его надежность в процессе эксплуатации в реальных условиях, что является совокупным результатом новых решений, заявляемых авторами.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема заявляемого теплоэлектрогенератора, на фиг. 2 сечение по плоскости А-А теплоприемника.

Теплоэлектрогенератор представляет собой установку, в состав которой входят следующие основные узлы и системы: 1 корпус теплоэлектрогенератора; 2 топочное устройство; 3 труба для отвода продуктов сгорания; 4 газовая инжекционная горелка; 5 термоэлектрический преобразователь; 6 - теплоприемник; 7 теплообменник; 9 система утилизации тепла; 10 вентиль; 11 блок подготовки газа; 12 блок редуцирования давления газа с запорно-регулирующей газовой арматурой; 13 электронное запорное устройство согласования; 14 блок управления.

В топочном устройстве (2) размещены: 6 теплоприемник в виде термосифона, у которого 15 испарительная часть выполнена в виде оребренных труб, а на 16 конденсационной части смонтирован 5 термоэлектрический преобразователь и установлена 17 термопара; 18 фланец газовой инжекционной горелки (4), который с испарительной частью (15) образует камеру сгорания. На фланце (18) установлены: 19 электрод контроля пламени и 20 электрод розжига пламени.

В блок подготовки газа (11) входят: 21 фильтр для очистки газа от взвешенных частиц; 22 газорегулируемый термосифон, внутри которого в испарительной части заполненной рабочей жидкостью расположен 23 змеевик подачи газа, а снаружи на конденсационной части заполненной газом установлено 24 оребрение.

В блок редуцирования давления газа с запорно-регулирующей арматурой (12) входят: 25 редуктор давления и защитные клапаны, 26 электромагнитный клапан, 27 датчик давления.

Термоэлектрический преобразователь (5) тепловой энергии в электрическую представляет собой 28 термоэлектрические батареи, у которых 29 "горячая" сторона соединена с конденсационной частью (16) термосифона (6), 30 - "холодная" сторона соединена с теплообменником (7), а электрическая энергия выводится через 31 электрический вывод.

В блоке управления (14) установлены: 32 процессор и 33 блок передачи данных. К выходу блока передачи данных (33) подключена 34 антенна.

Электронное устройство согласования (13) согласует электрический вывод (31) с электрической нагрузкой (35) и последовательно с ними включен 36 - датчик тока нагрузки, сигнал с которого поступает в процессор (32).

Газ высокого давления поступает в теплоэлектрогенератор от газопровода (37).

Все узлы и системы теплоэлектрогенератора, кроме системы утилизации тепла и магистрального трубопровода, размещены в корпусе (1).

Теплоэлектрогенератор работает следующим образом. Газ высокого давления от магистрального газопровода (37) поступает в блок подготовки газа (11) через вентиль (10). В блоке (11) газ проходит через фильтр (21), где происходит отделение взвешенных частиц, и газ поступает в газорегулируемый термосифон (22), предназначенный для подогрева газа перед поступлением его в редуктор давления (25). Подогрев газа перед редуктором давления (25) необходим для того, чтобы предотвратить замерзание редуктора в результате эффекта Джоуля-Томсона. При этом, вне зависимости от температуры газа в газопроводе, температура газа перед редуктором (25) должна быть не менее +40^oC (при рабочем давлении газа в магистральном газопроводе 70 атм.) и не более максимально допустимой для материалов, применяемых в редукторе давления (25). Газ проходит по змеевику подачи газа (23), установленному в испарительной зоне термосифона (22), заполненной рабочей жидкостью с температурой кипения не более максимально допустимой для материалов, применяемых в редукторе давления. Тепловая энергия подводится к змеевику подачи газа через рабочую жидкость от продуктов сгорания, проходящих по трубе (3). Таким образом, для подогрева газа используется тепло отработанных газов горелки (4), что позволяет исключить дополнительную горелку, как это сделано в прототипе. Конденсационная часть термосифона (22) заполнена нерастворимым в рабочей жидкости газов, что позволяет автоматически регулировать размер зоны конденсации в зависимости от температуры окружающей среды и температуры газа, поступающего от газопровода (37) и, следовательно, поддерживать температуру газа перед редуктором давления (25) в заданном диапазоне. Для отвода избыточного тепла в летнее время года на зоне конденсации термосифона (22) установлено оребрение (24).

Блок редуцирования давления газа с запорно-регулирующей арматурой (12) предназначен для снижения давления газа, поступающего в инжекционную горелку (4), и обеспечения безопасной работы теплоэлектрогенератора в автономном режиме. Редуктор давления (25) снижает давление газа до уровня, необходимого для устойчивой работы инжекционной горелки (4), а защитные клапаны (25) обеспечивают защиту газовой арматуры низкого давления, установленной после редуктора (25), от возможных отказов редуктора давления (25). Электромагнитный клапан (26), управляемый блоком управления (14), является запорным органом, прекращающим подачу газа в горелку (4) в случае возникновения аварийной ситуации. Датчик давления (27) обеспечивает контроль давления перед инжекционной горелкой (4).

Газ поступает в инжекционную горелку (4), размещенную в топочном устройстве (2), и соединенную с испарительной частью (15) термосифона (6) при помощи фланца (18). Испарительная часть термосифона (6) выполнена в виде оребренных труб (15), плотно упакованных и расположенных вдоль образующих поверхности, например, цилиндрической (См. фиг. 2). Оребренные трубы (15) с фланцем (18) образуют камеру сгорания. Такая конструкция камеры сгорания обеспечивает максимальную эффективность передачи тепловой энергии от продуктов сгорания газа термосифону (6) и, следовательно, термоэлектрическим батареям (28). Продукты сгорания, отдав большую часть тепловой энергии термосифону (6), отводятся через трубу (3) в блок подготовки газа (11) и далее в атмосферу. Газ, поступающий в горелку (4), поджигается в камере сгорания при помощи электрода розжига (20), а контроль пламени осуществляется электродом (19).

Тепловой поток, воспринятый испарительной частью (15) термосифона (6) переносится в конденсационную часть (16) и передается "горячей" стороне (29) термоэлектрических батарей (28), образующих термоэлектрический преобразователь (5). Тепловой поток, прошедший термоэлектрический преобразователь (5), снимается с "холодной" стороны (30) теплообменником (7) на теплоноситель при прокачке теплоносителя помпой (8) через включенный последовательно в замкнутый контур теплообменник (7) и систему утилизации тепла (9). Система утилизации тепла (9) отдает тепло окружающему пространству естественной конвекцией. На термосифоне (6) установлена термопара (17), предназначенная для контроля температуры на конденсационной зоне термосифона (16).

Термоэлектрический преобразователь (5) тепловой энергии в электрическую, состоящий из термоэлектрических батарей (28) радиально-кольцевой геометрии горячей стороной (10) смонтированных на конденсационной зоне термосифона (6). Термосифон обеспечивает равномерный подвод тепловой энергии к "горячей" стороне (29) термоэлектрических батарей. Радиально-кольцевая геометрия термоэлектрических батарей не требует механических усилий для обеспечения термического контакта с теплоподводящими и теплоотводящими поверхностями, в отличие от плоских термоэлектрических батарей в прототипе. Кроме того, радиально-кольцевая геометрия батарей обеспечивает существенно большую устойчивость к термоциклированию.

Система утилизации тепла может быть разделена на секции, что в свою очередь, значительно улучшает эксплуатационные, весогабаритные и многофункциональные характеристики, по сравнению с прототипом. Электропотребление помпы (8) составляет не более 10% от электроэнергии, вырабатываемой термоэлектрическим преобразователем.

Электрическая энергия, вырабатываемая термоэлектрическим преобразователем (5), снимается с электрического вывода (31) и направляется в электронное устройство согласования (13), предназначенное для согласования выхода преобразователя с электрической нагрузкой (35). Последовательно с электронным устройством согласования (13) и нагрузкой (35) включен датчик тока нагрузки (36), предназначенный для контроля уровня тока, поступающего в нагрузку (35). Сигнал с датчика тока (36) поступает на процессор (32), установленный в блоке управления (14).

Блок управления (14) предназначен для осуществления контроля и управления всеми системами теплоэлектрогенератора для обеспечения безопасного алгоритма работы теплоэлектрогенератора в автономном режиме и передачи данных о состоянии теплоэлектрогенератора, например, на центральный диспетчерский пункт магистрального газопровода (37). После запуска теплоэлектрогенератора электропитание на блок управления (14) подается от термоэлектрического преобразователя (5). В блоке управления (14) установлены процессор (32) и блок передачи данных (33). Процессор (32) анализирует сигналы, поступающие от датчиков давления газа (27), электрода контроля пламени (19), термопары (17) и датчика тока нагрузки (36). Процессор (32) управляет электромагнитным клапаном (26), обеспечивая безопасный алгоритм работы, и дает команду блоку передачи данных (33) на передачу информации о выходе из строя или нормальном режиме работы теплоэлектрогенератора. Электромагнитный клапан (26) прекращает подачу газа в горелку (4) в следующих случаях: если погаснет пламя; если давление на входе в горелку (4) выйдет из заданного диапазона; если температура конденсационной части термосифона (16) превысит предельно допустимую величину.

Теплоэлектрогенератор считается вышедшим из строя, если ток, поставляемый в нагрузку (35) от термоэлектрического преобразователя (5), станет меньше заданного. Информация о нормально работающем теплоэлектрогенераторе передается один раз в сутки в установленное время, а информация о выходе теплоэлектрогенератора из строя передается непосредственно после поступления сигнала с датчика тока нагрузки (36) в течение периода времени, пока термоэлектрический преобразователь способен обеспечить блок передачи данных (33) электропитанием. Информационное сообщение содержит порядковый номер теплоэлектрогенератора и информацию о его состоянии.

Такой алгоритм работы теплоэлектрогенераторов, установленных, например, вдоль магистрального газопровода на значительных расстояниях, в труднодоступных местах Крайнего Севера, позволяет обеспечить бесперебойное тепло и электроснабжение станций катодной защиты и значительно сократить транспортные расходы на профилактику и ремонт.

Примером реализации заявляемого теплоэлектрогенератора является термоэлектрическая установка (ТЭУ), предназначенная для обеспечения в автономном режиме теплом и электричеством станций катодной защиты магистральных газопроводов, расположенных в районах Крайнего Севера. Обеспечение теплом придает установке дополнительную потребительскую функцию жизнеобеспечения человека (дежурной смены и т.п.).

ТЭУ выполнена по модульному принципу (термоэлектрический генератор состоит из нескольких термоэлектрических модулей), позволяющему гибко подстраиваться к требованиям потребителя по необходимым уровням электрической и тепловой энергии.

В корпусе установки смонтированы четыре термоэлектрических модуля, каждый из которых, в соответствии с описанием, оснащен инжекционной горелкой с электродами розжига и контроля пламени, водяным термосифоном с теплоприемником в виде оребренных труб, термоэлектрическим генератором из теллурид-висмутовых батарей радиально-цилиндрической геометрии и теплообменником на холодной стороне термоэлектрического генератора. Конструкции теплоприемника и водяного термосифона обеспечивают подвод к горячей стороне термоэлектрического генератора не менее 74% тепловой мощности от выделенной в камере сгорания горелки при неравномерности температуры на горячей стороне не более 5^oC на уровне +290^oC. Коэффициент полезного действия термоэлектрического преобразователя не менее 2,6% (в прототипе не более 1%) от тепловой мощности, выделенной в камере сгорания. Радиально-цилиндрическая конструкция термоэлектрических батарей обеспечивает не менее, чем 10 летний ресурс при не менее, чем 1000 термоциклах.

Теплообменники, включенные последовательно с системой утилизации тепла, образуют с ней замкнутый контур, по которому помпой прокачивается теплоноситель (вода, ТОСОЛ или водный раствор CaCl₂). Система утилизации тепла скомпонована из стандартных конвекторов со стандартными устройствами регулирования температуры, применяемыми для обогрева помещений, что позволяет легко оптимизировать ее конструкцию в зависимости от запросов потребителя (в прототипе применена конструкция из воздуховодов и заслонок). Электропотребление помпы составляет не более 65 Вт. Тепловая мощность, снимаемая на теплоноситель, составляет не менее 72% от тепловой мощности, выделенной при сжигании топлива в горелках.

Продукты сгорания из четырех горелок поступают в блок подготовки газа, являющийся ограниченной частью установки (в прототипе отсутствует), и отдают часть своей тепловой энергии газорегулируемому термосифону, обеспечивающему подогрев газа перед поступлением его в блок редуцирования. В качестве рабочей жидкости в термосифоне используется ацетон (температура кипения 54,6^oC). Термосифон заполнен аргоном при давлении 2 атм. Примененная конструкция блока подготовки газа позволяет поддерживать температуру газа перед блоком редуцирования на уровне +50±10^oC при изменении температуры газа и окружающей среды в диапазоне -50. +30^oC. Для нагрева 2,5 м³/час газа необходимо не более 240 Вт тепловой мощности, забираемой из тепла отходящих из установки сгоревших газов.

Электрические выходы термоэлектрических модулей скоммутированы последовательно и подключены к электронному устройству согласования. Каждый термоэлектрический модуль вырабатывает не менее 161 Вт электроэнергии при напряжении 16 В. Выходное напряжение установки может быть установлено в пределах 12.48 В, что регулируется преобразователем напряжения.

Последовательно с выходом электронного устройства согласования и нагрузкой включен резистор (токовый шунт), являющийся датчиком тока нагрузки. Изменение уровня сигнала с этого датчика (уменьшение меньше установленного) является сигналом процессору о выходе установки из строя.

Блок редуцирования давления газа с запорно-регулирующей арматурой является общим для всех термоэлектрических модулей. В нем установлены редуктор давления, датчики давления, защитные газовые клапаны, обеспечивающие защиту установки от выхода из строя редуктора давления, и четыре электромагнитных клапана, через которые газ поступает в горелки термоэлектрических модулей.

В блоке управления установлены процессор и блок передачи данных (в прототипе отсутствуют). Процессор анализирует сигналы, поступающие от датчиков давления газа, датчиков пламени (установлены в каждой горелке) и датчика тока нагрузки. Процессор управляет электромагнитными клапанами, обеспечивая безопасный алгоритм работы и дает команду блоку передачи данных на передачу информации о выходе из строя или нормальном режиме работы теплоэлектрогенератора. Алгоритм работы процессора позволяет сохранять работоспособность установки даже в случае, если один из модулей выйдет из строя. В качестве передатчика применен радиопередатчик, работающий в КВ диапазоне 4 Вт. Блок передачи данных позволяет использовать в качестве передатчика любые средства связи, в том числе и спутниковые, работающие в КВ или УКВ диапазонах длин волн.

Если теплоэлектрогенератор вышел из строя, то значение тока, поставляемого в нагрузку от термоэлектрического преобразователя, станет меньше заданного. Информация о нормально работающем теплоэлектрогенераторе передается один раз в сутки в установленное время, а информация о выходе теплоэлектрогенератора из строя передается сразу после поступления сигнала с датчика тока нагрузки. Информационное сообщение содержит порядковый номер теплоэлектрогенератора и информацию о его состоянии.

Теплоэлектрогенераторы, установленные, например, вдоль магистрального газопровода на значительных расстояниях, в труднодоступных местах Крайнего Севера, позволяют обеспечить бесперебойное тепло- и электроснабжение станций катодной защиты и значительно сократить транспортные расходы на их профилактику и ремонт.

Вес теплоэлектрогенератора составляет 150 кг, он размещен в конструктиве с габаритами 500х500х2000 мм (без системы утилизации тепла), что существенно превосходит аналогичные характеристики прототипа.

Испытания реализованной конструкции показали, что при расходе газа 2,5 м³/час теплоэлектрогенератор вырабатывает 650 Вт электрической и 17 кВт тепловой энергии при коэффициенте использования топлива 92% При этом на собственные нужды установки (помпа и электромагнитные клапаны) тратится не более 80 Вт электроэнергии.

Сравнение с прототипами показывает, что предлагаемый теплоэлектрогенератор существенно превосходит прототип по всем показателям.

Использование: изобретение относится к технике тепло- и электроснабжения. Сущность изобретения заключается в введении нового исполнения теплоприемника в виде термосифона, испарительная часть которого представляет собой плотно упакованные и расположенные вдоль образующих поверхности (например, цилиндрической), оребренные трубы, соединенные с фланцем горелки, на конденсационной части термосифона горячими сторонами смонтированы термоэлектрические батареи радиально-цилиндрической геометрии, теплообменник включен последовательно в замкнутый контур с помпой и системой утилизации тепла, блок подготовки газа встроен в трубу для отвода продуктов сгорания и выполнен в виде газорегулируемого термосифона, внутри которого размещен змеевик подачи газа, на конденсационной части термосифона установлено оребрение, к электронному устройству согласования последовательно подключен датчик тока нагрузки, а в блоке управления установлен процессор и блок передачи данных о состоянии теплоэлектрогенератора. 2 ил.

Теплоэлектрогенератор, содержащий корпус, в котором размещены топочное устройство с трубой для отвода продуктов сгорания, включающее газовую инжекционную горелку низкого давления, подключенную к газопроводу высокого давления через включенные последовательно вентиль, блок подготовки газа и блок редуцирования давления с запорно-регулирующей газовой арматурой, и теплоприемник, соединенный с горячей стороной термоэлектрических батарей термоэлектрического преобразователя тепловой энергии в электрическую, холодная сторона которых соединена с теплообменником, а электрический вывод преобразователя соединен с электронным устройством согласования, и блок управления, отличающийся тем, что теплоприемник выполнен в виде термосифона, испарительная часть которого представляет собой плотно упакованные и расположенные вдоль образующих поверхности, например, цилиндрической, оребренные трубы, соединенные с фланцем горелки, что образует камеру сгорания горелки, на конденсационной части термосифона "горячими" сторонами смонтированы термоэлектрические батареи радиально-цилиндрической геометрии, теплообменник включен последовательно в замкнутый контур с помпой и системой утилизации тепла, блок подготовки газа встроен в трубу для отвода продуктов сгорания и выполнен в виде газорегулируемого термосифона, внутри которого размещен змеевик подачи газа, на конденсационной части термосифона установлено оребрение, к электронному устройству согласования последовательно подключен датчик тока нагрузки, а в блоке управления установлены процессор и блок передачи данных о состоянии теплоэлектрогенератора.