RU150186U1

RU150186U1 - THERMOELECTRIC GENERATOR

Info

Publication number: RU150186U1
Application number: RU2013141672/28U
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Плеханов; Анатолий Яковлевич Тереков; Виктор Энгельсович Новиков; Иван Юрьевич Попов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие Квант"
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2015-02-10

Abstract

1. Термоэлектрический генератор, содержащий плоские термоэлектрические модули (ТЭМ), установленные тепловоспринимающей стороной на металлической дымовой трубе бытового отопительного устройства, а на противоположной, теплосбрасывающей стороне модуля ТЭМ укреплены воздушные радиаторы, отличающийся тем, что в зазор между дымовой трубой и модулями ТЭМ введен тепловыравнивающий армирующий конструктивный элемент, выполненный в виде отрезка швеллерообразной конструкции, который неподвижно закреплен на металлической дымовой трубе при помощи сварки или пайки, причем его длина и ширина на 10-15% больше соответствующих размеров ТЭМ.2. Термоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что тепловыравнивающий элемент выполнен из теплопроводного материала, например меди, никеля, чугуна, железа, алюминия и сплавов на их основе.3. Термоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что тепловыравнивающий элемент укреплен на поверхности дымовой трубы с помощью сварки или пайки.1. A thermoelectric generator containing flat thermoelectric modules (TEM) installed by the heat-receiving side on the metal chimney of a household heating device, and air radiators are mounted on the opposite, heat-saving side of the TEM module, characterized in that a heat-leveling is introduced into the gap between the chimney and TEM modules a reinforcing structural element, made in the form of a segment of a channel-shaped structure, which is fixedly mounted on a metal chimney with welding or soldering, and its length and width is 10-15% more than the corresponding sizes of TEM. 2. Thermoelectric generator according to claim 1, characterized in that the heat-leveling element is made of heat-conducting material, for example copper, nickel, cast iron, iron, aluminum and alloys based on them. The thermoelectric generator according to claim 1, characterized in that the heat-leveling element is mounted on the surface of the chimney by welding or soldering.

Description

Полезная модель относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно, к конструкции электрогенерирующего термоэлектрического генератора преимущественно утилизационного типа (УТЭГ), устанавливаемого на магистрали с движущимся теплоносителем, например, на металлической дымовой трубе бытового отопительного устройства.The utility model relates to the field of direct conversion of thermal energy into electrical energy, namely, to the design of an electrically generating thermoelectric generator of predominantly utilization type (UTEG) installed on the main with a moving heat carrier, for example, on a metal chimney of a household heating device.

Известен термоэлектрический генератор, содержащий термоэлектрические модули, установленные тепловоспринимающей стороной на боковой стороне корпуса отопительной бытовой печи, на противоположной стороне модулей установлены радиаторы с принудительным охлаждением. Однако, температура боковой стенки печи сильно зависит от вида топлива (дрова, торф, брикеты, каменный уголь), его тепловодной способности и температуры горящего топлива. Колебания по температуре боковой стенки печи и, следовательно, тепловоспринимающей (горячей) стороны модуля могут составлять десятки и сотни градусов, что ведет к снижению срока службы модуля и, следовательно, термоэлектрического генератора. Кроме того, установленный на пути теплового потока от стенки печи к отапливаемому помещению термоэлектрические модули представляют собой дополнительные термические сопротивления, что ведет к снижению тепловой эффективности отопительной печи (УДК 621.47: 621.36, В.П. Кориненко, Ю.Н. Лобунец. Сборник докладов, «К выбору тепловой схемы ТЭГ утилизационного типа» с.105, рис.1).A thermoelectric generator is known, comprising thermoelectric modules installed by a heat-receiving side on the side of the housing of a heating household furnace, radiators with forced cooling are installed on the opposite side of the modules. However, the temperature of the side wall of the furnace is highly dependent on the type of fuel (firewood, peat, briquettes, coal), its warm-water ability and the temperature of the burning fuel. Fluctuations in the temperature of the side wall of the furnace and, therefore, the heat-absorbing (hot) side of the module can be tens or hundreds of degrees, which leads to a decrease in the service life of the module and, therefore, of the thermoelectric generator. In addition, thermoelectric modules installed on the path of the heat flux from the furnace wall to the heated room represent additional thermal resistance, which leads to a decrease in the thermal efficiency of the heating furnace (UDC 621.47: 621.36, V. P. Korinenko, Yu. N. Lobunets. Collection of reports , “On the selection of a thermal scheme for a TEG of utilization type” p.105, Fig. 1).

Наиболее близким по технической сущности к данному предложению является термоэлектрический генератор, содержащий термоэлектрические модули неподвижного закрепления тепловоспринимающей стороной на металлической дымовой трубе отопительной печи, а на теплосбрасывающей стороне модулей установлены воздушные радиаторы с естественным охлаждением. В такой конструкции, как показали экспериментальные исследования, температура горячей стороны модуля значительно меньше зависит от вида топлива и при самом эффективном его горении температура дымовых газов составляет 820-880°С, то с учетом отводимого через модуль теплового потока (8÷10 Вт/см²) и коэффициента теплоотдачи от газового (дымового) потока на стенке трубы температура тепловоспринимающей поверхности конструкции модуля колеблется в пределах 20÷30°С и составляет 260-290°С в начале встречи теплового газового потока с конструкцией модуля, что позволяет оптимизировать модуль по составу термоэлектрических материалов в его термоэлементах (см. В.П. Кориненко, Ю.Н. Лобунец. Сборник докладов, «К выбору тепловой схемы ТЭГ утилизационного типа» с.105, рис.2).The closest in technical essence to this proposal is a thermoelectric generator containing thermoelectric modules of fixed mounting with the heat-receiving side on the metal chimney of the heating furnace, and air-cooled radiators with natural cooling are installed on the heat-saving side of the modules. In this design, experimental studies have shown that the temperature of the hot side of the module is much less dependent on the type of fuel, and with its most efficient combustion, the temperature of the flue gases is 820-880 ° C, then taking into account the heat flux removed through the module (8 ÷ 10 W / cm ² ) and the heat transfer coefficient from the gas (smoke) stream on the pipe wall, the temperature of the heat-absorbing surface of the module structure ranges from 20 ÷ 30 ° C and is 260-290 ° C at the beginning of the meeting of the heat gas stream with the module design , which allows us to optimize the module according to the composition of thermoelectric materials in its thermoelements (see V.P. Korinenko, Yu.N. Lobunets. Collection of reports, “Towards the selection of a thermal scheme for a TEG of utilization type” p.105, Fig. 2).

Недостатком такой конструкции является большое термическое сопротивление между модулем и поверхностью трубы, обусловленное недостаточной механической прочностью дымовой трубы, выполненной из листового стального материала толщиной 0,4-0,8 мм, что ведет в процессе эксплуатации термогенератора к росту термического сопротивления между модулем и трубой и, как следствие к временной деградации генерируемой модулем электрической мощности. Кроме того, получается существенный градиент температуры модуля с горячей стороны по его длине, так как тонкостенная дымовая труба не может выровнять столь значительный тепловой поток отбираемый модулем от дымового газового потока, что так же ведет к снижению мощности генерируемой термоэлектрическим генератором.The disadvantage of this design is the large thermal resistance between the module and the pipe surface, due to the insufficient mechanical strength of the chimney made of sheet steel material with a thickness of 0.4-0.8 mm, which leads to an increase in thermal resistance between the module and the pipe during operation of the heat generator as a consequence of temporary degradation of the electric power generated by the module. In addition, a substantial temperature gradient of the module from the hot side is obtained along its length, since a thin-walled chimney cannot equalize such a significant heat flow taken from the flue gas stream by the module, which also leads to a decrease in the power generated by the thermoelectric generator.

Задачей полезной модели является повышение энергетических характеристик ТЭГ и обеспечение их стабильности в процессе длительной эксплуатации, составляющей 20-25 лет.The objective of the utility model is to increase the energy characteristics of TEGs and ensure their stability during long-term operation, comprising 20-25 years.

Задачей полезной модели является увеличение срока службы термогенератора при одновременном повышении его энергетических характеристик.The objective of the utility model is to increase the life of the thermogenerator while increasing its energy characteristics.

Достигаемый технический результат обеспечение более совершенной в термотехническом отношении конструкции ТЭГ.Achievable technical result providing a more advanced thermo-technical design of TEG.

Поставленная задача решается изменением конструкции самого термоэлектрического генератора.The problem is solved by changing the design of the thermoelectric generator itself.

Повышение энергетических характеристик ТЭМ достигается за счет создания в конструкции полезной модели на горячей стороне однородного температурного поля (при неоднородном тепловом потоке топочных газов), что достигается введением в конструкцию тепловыравнивающего элемента, выполненного из термостойких и обладающих повышенной теплопроводностью материалов, и имеющего оптимальную конструкцию для отбора тепла от трубного дымохода, тем самым обеспечивая передачу тепла от криволинейной поверхности к плоской, с высокой степенью однородности температурного поля в зоне контакта с ТЭМ. Это позволяет получить минимальный разброс по температуре по горячей стороне на термобатареях внутри герметизированного термоэлектрического модуля. Данное конструктивное решение позволяет оптимизировать конструкцию термобатарей и термоэлементов, например, выбрать необходимые в термоэлементах антидиффузионные барьеры как по составу, так и по толщине (высоте), что позволяет снизить в термоэлементах тепловые и электрические потери и повысить их энергетические характеристики и в целом электрическую мощность герметизированных термоэлектрических модулей. Кроме того, тепловыравнивающий элемент обеспечивает концентрацию теплового потока доведя его до 8÷10 Вт/см², что также способствует увеличению перепада температуры на термобатареях и повышению их электрической мощности и, следовательно, всей модели в целом. Отсутствие локальных перепадов за счет создания однородного температурного поля по горячей стороне ТЭМ позволяет повысить их срок службы до 20-25 лет, т.к. способствует сохранению вакуумно плотной тонкостенной защитной оболочки ТЭМ, за счет снижения термических напряжений в конструкции оболочки. Диффузионные процессы в термоэлементах, ограничивающие их длительность эксплуатации, экспоненциально зависят от температуры, при прочих равных условиях. Основываясь на уравнениях диффузии, полученных на стендовых испытаниях в ходе многолетних исследований, можно прогнозировать срок службы на десятки лет.Improving the energy characteristics of TEMs is achieved by creating a uniform temperature field in the design of the utility model (with an inhomogeneous heat flow of the flue gases), which is achieved by introducing a heat-leveling element made of heat-resistant and highly heat-conductive materials into the structure and having an optimal design for selection heat from the chimney, thereby ensuring the transfer of heat from a curved surface to a flat, highly homogeneous spine of the temperature field in the contact zone with TEM. This allows you to get the minimum temperature dispersion on the hot side of the thermopile inside the sealed thermoelectric module. This constructive solution allows optimizing the design of thermopiles and thermocouples, for example, choosing the antidiffusion barriers necessary in thermocouples both in composition and thickness (height), which allows to reduce thermal and electric losses in thermocouples and to increase their energy characteristics and, in general, electric power of sealed thermoelectric modules. In addition, the heat-leveling element provides the concentration of the heat flux bringing it up to 8 ÷ 10 W / cm ² , which also contributes to an increase in the temperature drop across the thermopiles and to an increase in their electric power and, consequently, the whole model. The absence of local differences due to the creation of a uniform temperature field along the hot side of the TEM allows to increase their service life to 20-25 years, because helps to maintain a vacuum-tight thin-walled protective shell TEM, by reducing thermal stresses in the design of the shell. Diffusion processes in thermocouples, limiting their duration of operation, exponentially depend on temperature, ceteris paribus. Based on the diffusion equations obtained from bench tests in the course of many years of research, it is possible to predict a service life of tens of years.

Термоэлектрический генератор работает следующим образом. Фиг.1 - Схема установки ТЭГ на дымовой трубе камина. Плоские герметизированные термоэлетрические модули (ТЭМ)-5,6, установленные тепловоспринимающей стороной на поверхности теплосборника - 1, а на противоположной теплосбрасывающей стороне ТЭМ укрепляется радиаторы-4,7 с естественным охлаждением. От прототипа заявленный модуль отличается тем, что в зазор между дымовой трубой - 3 и модулями ТЭМ-5,6 введен тепловыравнивающий армирующий конструктивный элемент-теплосборник - 1, выполненный в виде отрезка швеллерообразной конструкции, который неподвижно закреплен на металлической дымовой трубе при помощи сварки (пайки) - 2. Причем его длина и ширина на 10-15% больше соответствующих размеров ТЭМ-5,6. Тепловыравнивающий швеллерообразный конструктивный элемент выполнен из теплопроводного материала, например, меди, никеля, чугуна, железа, алюминия и сплавов на их основе.Thermoelectric generator operates as follows. Figure 1 - Scheme of installation of TEG on the chimney of the fireplace. Flat sealed thermoelectric modules (TEM) -5.6 installed by the heat-receiving side on the surface of the heat collector - 1, and on the opposite heat-saving side of the TEM-mounted radiators-4.7 with natural cooling. The claimed module differs from the prototype in that a heat-leveling reinforcing structural element-heat collector-1 is introduced into the gap between the chimney-3 and the TEM-5.6 modules, made in the form of a channel-shaped section that is fixedly mounted on a metal chimney by welding ( rations) - 2. Moreover, its length and width are 10-15% more than the corresponding sizes of TEM-5,6. The heat-leveling channel-shaped structural element is made of a heat-conducting material, for example, copper, nickel, cast iron, iron, aluminum and alloys based on them.

Практическая реализация полезной модели поясняется двумя чертежами. Фиг.1 - Схема установки ТЭГ на дымовой трубе камина. Где, А - емкость для хранения пеллет, Б - отверстие для подачи пеллет в камеру сгорания, В - элеваторный шнек, подающий пеллеты в камеру сгорания, Г - очаг из огнеупорного материала, Д - съемная горелка, Е - вентиляторы для подачи нагретого воздуха и отвода дымовых газов, Ж - дымоход, З, И, М - каналы для выхода нагретого воздуха, Н - крышка емкости для пеллет, 1 - тепловыравнивающий элемент, швеллерообразный конструктивный элемент выполненный из теплопроводного материала, меди, никеля, чугуна, железа, алюминия и сплавов на их основе. 2 - сварка(пайка), для крепления теплосборника к трубе, 3 - дымоход камина (труба), 4,7-радиаторы с естественным охлаждением, 5,6-термоэлектрические модули (ТЭМ).The practical implementation of the utility model is illustrated by two drawings. Figure 1 - Scheme of installation of TEG on the chimney of the fireplace. Where, A is the pellet storage tank, B is the hole for feeding pellets to the combustion chamber, C is the elevator auger feeding pellets to the combustion chamber, G is the hearth of refractory material, D is a removable burner, E is the fan for supplying heated air and flue gas exhaust, Ж - chimney, З, И, М - channels for the outlet of heated air, Н - lid of the pellet tank, 1 - heat-leveling element, channel-shaped structural element made of heat-conducting material, copper, nickel, cast iron, iron, aluminum and alloys based on them. 2 - welding (soldering), for attaching the heat sink to the pipe, 3 - fireplace chimney (pipe), 4,7-radiators with natural cooling, 5,6-thermoelectric modules (TEM).

Фиг.2. Изображение конструкции ТЭГ в сечении Х-Х (вид сверху). Где 1 - теплосборник, 2 - сварка(пайка), 4,7-радиаторы с естественным охлаждением, 5,6 - герметизированные термоэлектрические модули (ТЭМ). Тепловыравнивающий элемент - 1, неподвижно укреплен на дымовой трубе любым известным способом, например с помощь сварки, пайки - 2.Figure 2. Image of TEG construction in section XX (top view). Where 1 is a heat sink, 2 is welding (soldering), 4.7 are radiators with natural cooling, 5.6 are sealed thermoelectric modules (TEM). The heat-leveling element - 1, is fixedly mounted on the chimney in any known manner, for example by welding, soldering - 2.

Claims

1. A thermoelectric generator containing flat thermoelectric modules (TEM) installed by the heat-receiving side on the metal chimney of a household heating device, and air radiators are mounted on the opposite, heat-saving side of the TEM module, characterized in that a heat-leveling is introduced into the gap between the chimney and TEM modules a reinforcing structural element, made in the form of a segment of a channel-shaped structure, which is fixedly mounted on a metal chimney with welding or soldering, and its length and width is 10-15% more than the corresponding sizes of TEM.

2. The thermoelectric generator according to claim 1, characterized in that the heat-leveling element is made of heat-conducting material, for example copper, nickel, cast iron, iron, aluminum and alloys based on them.

3. The thermoelectric generator according to claim 1, characterized in that the heat-leveling element is mounted on the surface of the chimney by welding or soldering.