УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2004 года по МПК F25B21/02 

Изобретение относится к областям теплотехники и электротехники и может быть использовано в комбинированных устройствах, производящих тепловую энергию и одновременно непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую.

Известно комбинированное устройство на основе термоэлектрического генератора, содержащее газовую горелку, термоэлектрические батареи с оребрением на холодных спаях и вытяжную трубу (см. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства (справочник), Киев: Наукова думка, 1979, с.357). В известном устройстве вытяжная труба снабжена тепловым переключателем, который позволяет в осенне-зимний период часть тепла, поступающего из вытяжной трубы, использовать для обогрева помещения, в котором расположена радиоэлектронная аппаратура.

Недостатком известного устройства является низкая эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую вследствие слабого теплоотвода тепла, поступающего с холодных спаев термоэлектрических батарей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является устройство для производства тепловой и электрической энергии, содержащее горелку на органическом топливе, теплоприемник, термоэлектрические батареи, систему теплоотвода и силовую раму (см. авт. св. СССР 439252, кл. H 01 L 35/02, 1978). В известном устройстве тепло горелки поступает во внутреннюю полость теплообменника, выполненного в виде трубы, на внешней поверхности которой размещаются термоэлектрические батареи, при этом тепловая энергия, выходящая с холодных спаев термоэлектрических батарей, отводится циркулирующим жидкостным теплоносителем, омывающим эти спаи.

Недостатком известного устройства является низкая эффективность использования тепловой энергии, выделяемой горелкой. Из термоэлектрического генератора выбрасываются продукты сгорания горелки с температурой на 100-150^oС выше температуры горячих спаев термоэлектрических батарей. Для термоэлектрических генераторов, использующих низкотемпературные термоэлектрические материалы (Вi, Те, Sе, Sb), температура выбрасываемых продуктов сгорания составляет 350-400^oС, а для термоэлектрических батарей, использующих среднетемпературные полупроводниковые материалы, эта температура составляет 550-700^oС, что соответствует отбору тепла, выделяемого горелкой, 82% и 70%. Кроме того, в известном устройстве не удается обеспечить достаточно эффективный теплосъем с холодных спаев термоэлектрических батарей, поскольку скорость, с которой жидкий теплоноситель омывает холодные спаи термоэлектрических батарей, довольно низкая вследствие значительного гидравлического сопротивления, и поэтому температура холодных спаев термоэлектрических батареи близка к температуре парожидкостной смеси.

Задачами изобретения являются повышение эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую при одновременном повышении эффективности использования тепловой энергии, выделяемой горелкой.

Достижение указанных задач обеспечивается новым устройством, производящим тепловую и электрическую энергию, содержащим горелку на органическом топливе, теплоприемники, термоэлектрические батареи, систему теплоотвода и силовую раму, при этом система теплоотвода состоит из двух частей, одна из которых выполнена в виде теплобменника, отводящего тепло от термоэлектрических батарей, а другая - в виде водонагревателя, расположенного над теплоприемниками, при этом предпочтительно теплообменник, отводящий тепло от термоэлектрических батарей, выполнять в виде системы труб прямоугольного профиля; теплообменник, отводящий тепло от термоэлектрических батарей, выполнять с внутренним оребрением. Применение теплообменника, выполненного в виде системы, эффективно отводящей тепло, поступающее с холодных спаев термоэлектрических батарей, позволяет снизить до минимума перепад температур на холодных спаях термоэлектрических батарей и соответственно повысить эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую за счет увеличения перепада температур на термоэлектрических батареях. Водонагреватель, расположенный над теплоприемниками в потоке продуктов сгорания горелки, предпочтительно выполнять в виде круглых или плоскостных труб с развитыми внешними поверхностями, что позволяет дополнительно использовать тепловую энергию, выделяемую горелкой. При этом предпочтительно выполнять обе части системы теплоотвода с одинаковыми гидравлическими сопротивлениями, что позволяет обеспечить более низкое общее гидравлическое сопротивление и улучшить теплоотвод с холодных спаев термоэлектрических батарей и соответственно повысить эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую. Использование водонагревателя позволяет дополнительно использовать тепловую энергию продуктов сгорания горелки для нагрева теплоносителя, выходящего из термоэлектрического генератора. Использование в системе теплоотвода тепла с холодных спаев термоэлектрических батарей в виде труб прямоугольного профиля позволяет увеличить поверхность теплосъема и соответственно снизить перепад температур в зоне холодных спаев термоэлектрических батарей. Этому же способствует оребрение внутренней полости теплообенника, отводящего тепло с холодных спаев термоэлектрических батарей.

Приложенные чертежи изображают: фиг.1 - общий вид заявленного устройства (вид в изометрии), фиг.2 - поперечный разрез заявленного устройства.

Устройство содержит горелку 1 на органическом топливе с кожухом 2, силовую раму 3, теплообменники 4, отводящие тепло с холодных спаев термоэлектрических батарей 5, теплоприемники 6, трубопроводы 7, входящие в состав водонагревателя 8, снабженного кожухом 9, систему сжатия, состоящую из тарельчатых пружин 10 и винтов 11, и общий кожух устройства 12.

Термоэлектрические батареи 5 выполняют обычно в виде параллельно-последовательно соединенных термоэлементов, изготавливаемых из высокоэффективных полупроводниковых материалов (например, из Вi, Те, Sе-"п"-тип, Bi, Te, Sb-"p"-тип). Теплоприемник 6 изготавливают из высокотеплопроводных материалов (например, из алюминия и его сплавов) и снабжают ребрами для увеличения площади поверхности теплопередачи между горелкой 1 и теплоприемником 6. Тарельчатые пружины 10 и винты 11 служат для сжатия термоэлектрических батарей 5, теплоприемников 6 и теплообменников 4, а также для компенсации температурных напряжений, возникающих при нагревании и охлаждении устройства.

Заявленное устройство работает следующим образом. После поджига горелки 1 продукты сгорания горелки нагревают теплоприемники 6 и тепловой поток, проходящий через термоэлектрические батареи 5, создает на них перепад температур, а в электрическую нагрузку (не показана) поступает электрическая энергия. Выходящий с теплоприемников 6 тепловой поток дополнительно нагревает теплоноситель в водонагревателе 8 и под действием разности плотностей теплоносителя на входе и выходе устройства происходит циркуляция теплоносителя в системе отбора тепла. Устройство может быть включено в отопительную систему перед отопительным котлом (не показан) как с естественной циркуляцией, так и с принудительной. При этом циркуляционный насос и система автоматики (не показаны) питаются частью энергии, вырабатываемой устройством, а большая часть вырабатываемой электроэнергии используется для питания бытовых потребителей.

Дополнительный нагрев теплоносителя в водонагревателе и получение в устройстве дополнительной электроэнергии позволили увеличить эффективность использования тепловой энергии, выделяемой горелкой, и одновременно на 4-6% повысить к.п.д. устройства с расширением функциональных возможностей устройства.

Изобретение относится к теплотехнике и электротехнике и может быть использовано в комбинированных устройствах, производящих тепловую и электрическую энергию, для повышения эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую при одновременном повышении использования тепловой энергии, выделяемой горелкой. Этот результат обеспечивается устройством, содержащим горелку на органическом топливе, теплообменники, термоэлектрические батареи, теплообменник, отводящий тепло от термоэлектрических батарей, водонагреватель, расположенный над теплообменниками, и силовую раму. Предусмотрены элементы сжатия, например, тарельчатого типа. В устройстве удается снизить до минимума перепад температур на холодных спаях термоэлектрических батарей и одновременно более полно использовать тепловую энергию, выделяемую горелкой, что позволяет существенно повысить эффективность устройства. 2 ил.

Устройство для производства тепловой и электрической энергии, содержащее горелку на органическом топливе, теплоприемники, термоэлектрические батареи, систему теплоотвода и силовую раму, отличающееся тем, что система теплоотвода состоит из двух частей, одна из которых выполнена в виде теплообменника, отводящего тепло от термоэлектрических батарей, который выполнен в виде системы труб, имеющих прямоугольное сечение, и снабжен внутренним оребрением, а другая часть выполнена в виде водонагревателя, расположенного над теплоприемниками.