Теплоэлектрический генератор

Изобретение относится к теплоэлектроэнергетике и может быть использовано в теплогенераторах для одновременного получения тепловой и электрической энергии в одном аппарате. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности теплоэлектрического генератора. Технический результат достигается в теплоэлектрогенераторе, содержащем вертикальный корпус, состоящий из прямоугольного короба, выполненного из диэлектрического материала с низкой теплопроводностью, внутри которого помещены ряды теплоэлектрических звеньев, представляющие собой металлические трубы, каждая из которых покрыта изоляционным слоем из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, выполненным в форме кольцевого оребрения, внутри которого помещены парные зигзагообразные ряды теплоэлектрических секций, одиночные ряды которых состоят из соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей, каждый из которых состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов, концы которых сплющены, плотно прижаты друг к другу и расположены в зоне нагрева и охлаждения, свободные концы одиночных рядов каждого парного ряда, с одного конца теплоэлектрического звена соединены между собой перемычками, а с противоположного - присоединены к шинам с одноименными зарядами, соединенным с токовыводами. 7 ил.

 

Изобретение относится к теплоэлектроэнергетике, а именно, для повышения КПД теплогенератора путем одновременного получения тепловой и электрической энергии в одном аппарате.

Известна термоэмиссионная надстройка к тепловым электростанциям с топкой котла (камерой сгорания) и парогенерирующими (трубами теплоносителя), содержащая термоэмиссионные преобразователи с анодными теплотоковыводами и узлы крепления указанных преобразователей к парогенерирущим трубам (трубами теплоносителя) [А.с. РФ №966791, МПК F24J 45/00, 1982].

Основными недостатками известного устройства являются сложная конструкций термоэмиссионного преобразователя (ТЭП), системы теплоотвода и узлов крепления его к трубам теплоносителя, что снижает его надежность и эффективность.

Более близким по технической сущности к, предлагаемому изобретению является теплоэлектрический генератор, содержащий вертикальный корпус, состоящий из прямоугольного короба, выполненного из диэлектрического материала с низкой теплопроводностью, соединенный сверху с отводящим газоходом, снизу с камерой сгорания, внутри которого помещены ряды теплоэлектрических звеньев (ТЭЗ), представляющих собой металлические трубы теплоносителя, соединенных между собой калачами, покрытые несколькими кольцевыми изоляционными слоями, выполненные из диэлектрических материалов с высокой и низкой теплопроводностью, покрытых металлическими обечайками, в которых вокруг металлической трубы теплоносителя по ее длине помещены по очередности термоэмиссионные преобразователи (ТЭП) большего и меньшего диаметров, каждый из которых состоит из большого двухслойного горячего кольца, слои которого плотно прижаты друг к другу и выполнены из двух разных металлов M1 и М2, расположенного в зоне нагрева и малого однослойного холодного кольца, выполненного из металла M1, расположенного в зоне охлаждения, соединенные между собой радиальными и продольными перемычками, также выполненными из упомянутых металлов M1 и М2, последние по счету ТЭП каждого ТЭЗ соединены с первыми по счету ТЭП последующего ТЭЗ электропроводкой, свободные концы ТЭП последнего верхнего и первого нижнего ТЭЗ соединены с токовыводами [Патент РФ №2425295, МПК F24H 3/00, 2011].

Основными недостатками известного устройства являются низкая скорость теплопередачи в термоэлектрических звеньях, обусловленная высоким термическим сопротивлением из-за наличия нескольких изоляционных слоев на наружной поверхности металлической трубы теплоносителя, наличие которых также усложняет конструкцию термоэлектрических звеньев и невозможность получения термоэлектричества в ТЭГ в случае отказа одной из них, недостаточная площадь поверхности теплопередачи со стороны горячих газов и низкая эффективность по получаемому току, обусловленная тем, что компоновка ТЭП в термоэлектрических звеньях создает высокое электрическое сопротивление, в связи с чем происходят значительные потери силы тока, что снижает его надежность и эффективность.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности теплоэлектрического генератора.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый теплоэлектрогенератор содержит вертикальный корпус, состоящий из прямоугольного короба, выполненного из диэлектрического материала с низкой теплопроводностью, соединенного сверху с отводящим газоходом (дымовой трубой), снизу - с камерой сгорания (топкой), внутри которого помещены ряды теплоэлектрических звеньев, представляющие собой металлические трубы теплоносителя, торцы которых снаружи соединены между собой по теплоносителю по горизонтали и вертикали калачами, а их верхние и нижние свободные торцы соединены с входным и выходным патрубками, причем каждая металлическая труба теплоносителя, покрыта изоляционным слоем из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, выполненным в форме кольцевого оребрения с кольцевыми ребрами, внутри которого, повторяя очертания его продольного разреза по длине всей трубы теплоносителя помещены парные зигзагообразные ряды теплоэлектрических секций, одиночные ряды которых состоят, из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей, каждый из которых состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов M1 и М2, концы которых сплющены, плотно прижаты друг к другу и расположены в зоне нагрева и охлаждения, вблизи кромки ребер и поверхности трубы теплоносителя, свободные концы одиночных рядов каждого парного ряда, с одного конца теплоэлектрического звена соединены между собой перемычками, а с противоположного - присоединены к шинам с одноименными зарядами, соединенным с токовыводами.

На фиг.1-2 представлены общий вид и разрез теплоэлектрического генератора (ТЭГ), на фиг.3-7 - основной узел - теплоэлектрическое звено (ТЭЗ).

Предлагаемый ТЭГ содержит вертикальный корпус 1, состоящий из прямоугольного короба 2, выполненного из диэлектрического материала с низкой теплопроводностью, соединенного сверху с отводящим газоходом (дымовой трубой) 3, снизу - с камерой сгорания (топкой) 4, внутри которого помещены ряды теплоэлектрических звеньев (ТЭЗ) 5, представляющие собой металлические трубы теплоносителя 6, торцы которых снаружи соединены между собой по теплоносителю по горизонтали и вертикали калачами 7 и 8, соответственно, а их верхние и нижние свободные торцы соединены с входным и выходным патрубками 9 и 10, соответственно. Каждая металлическая труба теплоносителя 6, покрыта изоляционным слоем из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью 12, выполненным в форме кольцевого оребрения с кольцевыми ребрами 13, внутри которого, повторяя очертания его продольного разреза по длине всей трубы 6 помещены парные зигзагообразные ряды теплоэлектрических секций (ТЭС) ПР, одиночные ряды которых I и II состоят, из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 14. Каждый ТЭП 14 состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов M1 и М2, концы которых расплющены и плотно прижаты друг к другу и расположены в зоне нагрева и охлаждения, вблизи кромки ребра 13 и поверхности трубы 6, соответственно, причем свободные концы одиночных рядов I и II каждого парного ряда ПР, с одной стороны ТЭЗ соединены между собой перемычками 15, а с противоположной присоединены к шинам с одноименными зарядами 16 и 17, соединенных с токовыводами 18 и 19, соответственно.

Предлагаемый ТЭГ, представленный на фиг.1-7, работает следующим образом.

После заполнения труб теплоносителя 6 водой, создания в них ее циркуляции и начала горения топлива из камеры сгорания 4 ТЭГ дымовые газы поступают в межтрубное пространство короба 2 с начальной температурой t_ГН» двигаясь снизу вверх, омывают наружную поверхность ТЭЗ 5, отдавая им свое тепло, охлаждаются до заданной температуры t_ГК и выбрасываются из дымовой трубы 3 в атмосферу. При этом, в результате теплообмена между дымовыми газами через поверхность ограждений ТЭЗ 5 и водой, поступающей через патрубок 9 и движущейся сверху вниз, по трубам теплоносителя 6 ТЭЗ 5, калачами 7 и 8, вода нагревается от температуры t_ВН до температуры t_ВК и через патрубок 10 подается потребителю (на фиг.1-7 не показан). Одновременно, в результате процесса конвективной теплопередачи от дымовых газов нагревается зона нагрева, состоящая из ребер 13 диэлектрического материала с высокой теплопроводностью 12, от которого основной поток тепла передается за. счет теплопроводности двухслойным расплющенным концам ТЭП 14, выполненным из металлов M1 и М2 конструкция которых позволяет увеличить количество воспринимаемого тепла за счет повышенной площади их контакта с зоной нагрева и высокой площади контакта слоев металлов M1 и М2, соединенных между собой (например, спайкой), которые нагреваются при этом. Кроме того, процесс теплообмена от материала 12 к спаям металлов M1 и М2 ТЭП 14 интенсифицируется за счет передачи его теплопроводностью, скорость которой при высоком значении коэффициента теплопроводности значительно выше,. чем скорость передачи тепла за счет конвекции [И.Н. Сушкин. Теплотехника. - М.: «Металлургия», 1973, с.195-198]. Одновременно осуществляется охлаждение двухслойных расплющенных концам ТЭП 14, выполненных из металлов M1 и М2, расположенных параллельно поверхности трубы теплоносителя 6 в холодной зоне в промежутке между смежными ребрами 13 за счет передачи тепла теплопроводностью через слой материала 12, обладающего высокой теплопроводностью к стенкам труб теплоносителя 6, откуда тепло передается конвекцией к нагревамой воде. Нагрев двухслойных спаев, состоящих из плотно соединенных между собой слоев металлов M1 и М2, расположенных в зоне нагрева и охлаждение двухслойных, выполненных также из металлов M1 и М2, расположенных в зоне охлаждения каждой ТЭП 14, соединенных между собой, создает эмиссию электронов во всех ТЭП 14 и, соответственно, возникновение в парных зигзагообразных рядах ПР всех ТЭЗ 5 термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. - М: «Наука», 1970, с.502-506], которое суммируется на шинах 16 и 17 и через тоководы 18 и 19 поступает на трансформаторы, где создается требуемое напряжение и сила тока (на фиг.1-7 не показаны) и подается потребителю.

Величина начальной температуры дымовых газов t_ГН определяется видом топлива и конструкцией камеры сгорания (топки), их конечная температура t_ГК - составом дымовых газов и требуемым температурным напором. Значения начальной и конечной температур нагреваемой воды t_ВН и t_ВК определяются технологическим регламентом и требованиями потребителя тепла. Величина разности электрического потенциала и силы тока на токовыводах 18 и 19 одной ТЭЗ зависит от характеристик пары металлов M1 и М2, из которых изготовлены ТЭП 14, их количества в парных рядах ПР, числа ПР в каждой ТЭЗ 5. Требуемые напряжение U и силу тока I ТЭГ получают путем установки соответствующего числа ТЭЗ 5, суммирования и трансформации получаемого ими тока.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет упростить конструкцию ТЭЗ и автономизировать выработку термоэлектричества каждой их них, интенсифицировать процесс теплопередачи от дымовых газов к нагреваемой воде и увеличить количество и параметры получаемой в каждом ТЭЗ электрической энергии, что повышает надежность и эффективность теплоэлектрогенератора.

Теплоэлектрогенератор, содержащий вертикальный прямоугольный корпус, состоящий из прямоугольного короба, выполненного из диэлектрического материала с низкой теплопроводностью, соединенного сверху с отводящим газоходом, снизу - с камерой сгорания, теплотоковыводы, внутри которого помещены ряды теплоэлектрических звеньев, представляющие собой металлические трубы, соединенные между собой калачами и покрытые изоляционным слоем с высокой теплопроводностью, в котором помещены термоэмиссионые преобразователи, выполненные из разных металлов M1 и М2, отличающийся тем, что изоляционный слой каждой металлической трубы теплоносителя выполнен в форме кольцевого оребрения с кольцевыми ребрами, внутри которого, повторяя очертания его продольного разреза по длине всей трубы теплоносителя, помещены парные зигзагообразные ряды теплоэлектрических секций, одиночные ряды которых состоят из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей, каждый из которых состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов M1 и М2, концы которых сплющены, плотно прижаты друг к другу и расположены в зоне нагрева и охлаждения, вблизи кромки ребер и поверхности трубы теплоносителя, свободные концы одиночных рядов каждого парного ряда с одного конца теплоэлектрического звена соединены между собой перемычками, а с противоположного присоединены к шинам с одноименными зарядами, соединенными с токовыводами.