ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР В КОЖУХОТРУБНОМ ИСПОЛНЕНИИ Российский патент 2020 года по МПК H01L35/30 

Настоящее изобретение относится к устройствам энергетики, преобразующим тепловую энергию жидких рабочих тел с помощью термоэлементов в электрическую энергию.

Известно использование термоэлектрических модулей в различных отраслях промышленности, размещаемых на оборудовании с повышенной температурой для преобразования тепловой энергии в электрическую.

Известна, например, «Система регулируемого аварийного отвода энерговыделений активной зоны реактора АЭС» авторов Щеклеина С. Е. и Попова А. И. по патенту РФ № 2682722, МПК G21D 7/04 [1].

В данной системе на внешней стороне страховочного корпуса реактора, имеющего высокую температуру, установлены термоэлектрические модули.

Модули посредством электрических выводов объединены в батареи и вырабатываемая на них мощность через регулятор передается на МГД-насос, перекачивающий рабочее тело.

Недостатком данной схемы использования термоэлектрических модулей является необходимость для их охлаждения применять внешний обдув воздухом, используя тягу воздуха в высокой вытяжной трубе.

Известны энергопечи «Арктур-М», «Вега», «Чолбон-2», «Индигирка-М» [2].

Например, энергопечь «Индигирка-М» имеет расположенные на горячей части корпуса термоэлектрические модули с выходной мощностью около 50 Вт. Охлаждение термоэлементов производится с помощью дополнительного встроенного дистанционно на корпусе вентилятора.

Недостатком данных устройств является так же необходимость создания дополнительных вентиляторов для принудительного охлаждения термоэлектрических модулей, создающих необходимый перепад температур между «холодными» и «горячими» электродами термоэлементов.

Известен так же «Термоэлектрический бытовой генератор» авторов Исмаилова Т.А. и Аминова Г. Н. по патенту РФ № 2348098, МПК H01L 35/28.

Данное устройство содержит батарею термоэлектрических модулей, источник тепловой энергии (печь), систему циркуляции воды из емкости с резервом воды, пароводяной насос, жидкостный теплоотвод от термоэлементов и потребитель теплой воды, замкнутый с помощью с помощью водоводов на емкость с резервом воды, а циркуляция воды обеспечивается с помощью пароводяного насоса, приведенного в контакт с нагретой частью печи.

Недостатками данного термоэлектрического генератора является сложность выполнения системы циркуляции воды, дороговизна в управлении и обслуживании. Для эффективной работы этого генератора требуется насос для циркуляции теплоносителя.

Известны так же трубчатые теплообменники для обмена тепловой энергией между рабочими телами в кожухотрубном исполнении [4]: «Трубчатые теплообменники. Кожухотрубные теплообменники. [Электронный ресурc] www.gigabaza.ru/doc/17620 html. Рис. 13-5. Многоходовый (по межтрубному пространству) кожухотрубный теплообменник».

Теплообменники предназначены для передачи тепловой энергии от одного рабочего тела (жидкость, газ) другому текучему рабочему телу и используются в вариантах: «жидкость – жидкость», «жидкость – газ», «газ – газ». Рабочие тела в данном теплообменнике пространственно разделены: одно рабочее тело перемещается по внутренним трубкам, а второе рабочее тело – в межтрубном пространстве. Таким образом, разместив термоэлектрические модули одним электродом на трубках, а второй электрод в межтрубном пространстве, представляется возможность создать перепад температур для функционирования термоэлементов.

Технической проблемой, которую решает предлагаемое изобретение, является выработка электрической энергии термоэлектрическими модулями от перепадов температур в кожухотрубном теплообменнике.

Технический результат заключается в следующем:

- использован эффект от перепадов температур в теплообменнике, в котором перемещаются рабочие тела с разными значениями температур;

- электрические контакты термоэлектрических модулей соединены последовательно и выведены проводами через дополнительные гермовыводы в корпусе теплообменника;

- корпуса термоэлектрических модулей для исключения термического шунтирования изолированы эластичной матрицей;

- использован эффект эжекции для отсоса второго рабочего тела.

Технический результат достигается за счет того, что в кожухотрубный теплообменник с патрубками ввода – вывода под давлением первого рабочего тела с определенной температурой, протекающей через его трубки, и патрубками ввода – вывода второго рабочего тела под давлением с отличающейся температурой, омывающего поверхность трубок, на поверхности этих трубок установлены термоэлектрические модули, электрические контакты соединены последовательно и выведены проводами через дополнительные гермовыводы в корпусе теплообменника, при этом корпуса термоэлектрических модулей изолированы эластичной матрицей, причем первое рабочее тело перемещается внутри трубок, а второе рабочее тело движется в межтрубном пространстве.

Технический эффект достигается так же за счет установки на патрубке выхода первого рабочего тела эжекторной трубки, соединенной с выходным патрубком второго рабочего тела через переключающий вентиль.

На чертеже представлен «Термоэлектрический генератор в кожухотрубном исполнении».

Корпус кожухотрубного теплообменника 1 содержит патрубок 2 ввода от какого - либо источника под давлением первого рабочего тела, проходящее затем через внутренние трубки 3 теплообменника, причем на них установлены термоэлектрические модули 4, изолированные эластичными матрицами 5, и выходит через патрубок 6 вывода первого рабочего тела. Через патрубок 8 ввода второе рабочее тело от какого – либо источника под давлением с отличной по значениям температурой проходит по секциям корпуса теплообменника, на чертеже показано пунктирной линией, и выходит через патрубок 7 вывода второго рабочего тела. Термоэлектрические модули внутри корпуса теплообменника соединены последовательно и через патрубок 9 герметичного вывода (гермовывод) проводами или контактами выведены наружу. Ввод в теплообменник второго рабочего тела может так же осуществляться посредством его эжекции через эжектирующую трубку 10, переключающий вентиль 11 и перекрывающий вентиль 12.

«Термоэлектрический генератор в кожухотрубном исполнении» работает следующим образом. Размеры и габариты кожухотрубных теплообменников разнообразны [5]: «Теплообмен. Кожухопластинчатые ТО». [Электронный ресурс], www.eskm-teploobmen.ru. При использовании термоэлектрических модулей 4 с плоскими электродами в теплообменнике применяют внутренние трубки 3 с прямоугольным профилем. Для исключения термического шунтирования и перемешивания воздуха от «горячего» и «холодного» электродов модулей 4, их помещают в эластичные матрицы 5 в отверстия матрицы с натягом. Так же, на поверхности модулей 4 может размещаться теплопроводная пластина, защищающая модули от воздействия второго рабочего тела (не показано на чертеже) по аналогии с «Устройством для регулируемого охлаждения жидкого металла в трубах реакторов на быстрых нейтронах» авторов Попова А. И. и Ташлыкова О. Л., патент на полезную модель РФ № 180121, МПК G21C 15/00 [6].

Предположим первым рабочим телом является горячая вода из магистрального трубопровода, которая подается под давлением на вход устройства через патрубок 2, проходит через трубки 3, нагревая их поверхность, и выходит через патрубок 6. Через патрубок 8 подается под давлением, например, второе рабочее тело холодный воздух, который проходит по секциям корпуса в межтрубном пространстве, выходит через патрубок 7 при открытом перекрывающем вентиле 12 и охлаждает другую поверхность термоэлементов. Таким образом, электроды термоэлементов находятся под воздействием перепада температур и термоэлементы вырабатывают соответствующую ЭДС. Термоэлементы объединены в термоэлектрические модули, которые электрически соединены между собой проводами или контактами и выведены наружу корпуса через гермовывод 9. Регулировать выходную мощность устройства возможно путем изменения температуры рабочих тел. Вторым рабочим телом может являться холодная вода. Так как термоэлементы электрически обратимы, то первое рабочее тело может быть холодным, а второе рабочее тело – горячим, при этом на выходе устройства изменится полярность выходного сигнала.

Если первое рабочее тело, поступающее на теплообменник 1 через патрубок 2 имеет высокое давление и скорость, сохраняющиеся на выходном патрубке 6, то второе рабочее тело может быть подано не от внешнего источника давления, а используя эффект эжекции. Для этого закрывают вентиль 12 и открывают переключающий вентиль 11. За счет пониженного давления в эжекторной трубке 10 будет происходить отсос второго рабочего тела по схеме: патрубок 8, межтрубное пространство, патрубок 7, вентиль 11 эжекторная трубка 10.

Известно, что магистральные трубопроводы, заполненные огромными массами горячей воды, имеют большую тепловую инерционность. При изменении природных условий, например, резком потеплении тепловая энергия в них безвозвратно теряется. Предлагаемое изобретение позволяет часть этой тепловой энергии преобразовать в электрическую.

Целесообразно так же на протяженных участках теплопроводов, не имеющих электрических сетей, создавать автономные участки КИП и автоматики, подавая на них электроэнергию от предлагаемого устройства.

Аналогично предлагаемое устройство может размещаться непосредственно в трубе магистрального газопровода или на его обводной специально выделенной трубке. Известно, что газ при его прокачке по магистральным газопроводам сильно нагревается и его специально охлаждают в агрегатах воздушного охлаждения, что позволяет увеличить объемы прокачки газа.

Предлагаемое устройство целесообразно использовать вместо устанавливаемых в настоящее время на магистральных газопроводах термоэлектрических генераторов, работающих от сжигания газа, который отбирается из этих же трубопроводов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1.Щеклеин С. Е., Попов А. И. Система регулируемого аварийного отвода энерговыделений активной зоны реактора АЭС. Патент РФ № 2682722, МПК G21D 7/04.

2. Энергопечь. Технические характеристики моделей. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http: www.energopech.ru.

3. Исмаилов Т. А., Аминов Г. И. Термоэлектрический бытовой генератор. Патент РФ № 2348089, МПК H01L35/28.

4. Трубчатые теплообменники. Кожухотрубные теплообменники. [Электронный ресурc] www.gigabaza.ru/doc/17620 html. Рис. 13-5. Многоходовый (по межтрубному пространству) кожухотрубный теплообменник.

5. Теплообмен. Кожухопластинчатые ТО [Электронный ресурс]. www. eskm-teploobmen.ru.

6. Попов А. И., Ташлыков О. Л. Устройство для регулируемого охлаждения жидкого металла в трубах реакторов на быстрых нейтронах. Патент РФ на полезную модель № 180121, МПК G21C 15/00.

7. Термоэлектрические модули для промышленного применения [электронный ресурс], http://kryothermtec.com/ru.

8. Тереков А.Я и др. Термоэлектрическая батарея. Патент РФ №2230397. МПК H01L 35/28. Патентообладатель НПО «Квант».

9. Андрущенко С.В. и др. Каскадный термоэлектрический холодильник. Авторское свидетельство СССР 3 453538. МПК F25B 21/02; H01V 1/28.

10. Липатов В.В. Термоэлектрическая батарея. Патент РФ №2142177. МПК H01L 35/02; H01L 35/32.

11. Каменский В.Т. Термоэлектрический охлаждающий модуль. Патент РФ №2117362. МПК H01L 35/28. Патентообладатель СКВ «Норд».

12. Патент США 6034318, 2000.

13. Патент Великобритании 1025687, 1966.

14. Патент США 5171372, 1922.

Изобретение относится к области прямого преобразования тепла в электрическую энергию и может быть использовано для выработки электрической энергии в теплообменниках. Сущность: в кожухотрубном теплообменнике с патрубками ввода – вывода первого рабочего тела, протекающего под давлением через его трубки, и патрубки ввода – вывода второго рабочего тела под давлением с отличной по значениям температурой. На поверхности трубок установлены термоэлектрические модули. Электрические контакты модулей соединены последовательно и выведены проводами через дополнительный патрубок гермовывода в корпусе теплообменника. Корпуса термоэлектрических модулей для исключения термического шунтирования изолированы эластичной матрицей. На патрубок выхода первого рабочего тела установлена эжекторная трубка, соединенная через вентиль с патрубком выхода второго рабочего тела, на который также установлен дополнительный перекрывающий вентиль, что позволяет создавать движение второго рабочего тела внутри межтрубного пространства методом отсоса без использования внешнего давления. Изобретение позволяет часть тепловой энергии трубопроводов горячей воды преобразовать в электрическую. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Термоэлектрический генератор в кожухотрубном исполнении, содержащий кожухотрубный теплообменник с патрубками ввода – вывода первого рабочего тела с определенной температурой, протекающего под давлением через его трубки, и патрубки ввода – вывода второго рабочего тела под давлением с отличной по значениям температурой, омывающего поверхность трубок, характеризующийся тем, что на поверхности трубок установлены термоэлектрические модули, электрические контакты соединены последовательно и выведены проводами через дополнительный патрубок гермовывода в корпусе теплообменника, при этом корпуса термоэлектрических модулей изолированы эластичной матрицей, причем первое рабочее тело перемещается внутри трубок, а второе рабочее тело движется по секциям в межтрубном пространстве.

2. Термоэлектрический генератор в кожухотрубном исполнении по п.1, характеризующийся тем, что на патрубок выхода первого рабочего тела установлена эжекторная трубка, соединенная через вентиль с патрубком выхода второго рабочего тела, на который также установлен дополнительный перекрывающий вентиль.