RU162072U1

RU162072U1 - THERMOELECTRIC GENERATOR

Info

Publication number: RU162072U1
Application number: RU2015146428/06U
Authority: RU
Inventors: Николай Анатольевич Хрипач; Лев Юрьевич Лежнев; Федор Андреевич Шустров; Борис Аркадьевич Папкин; Виктор Сергеевич Коротков; Александр Сергеевич Некрасов; Дмитрий Анатольевич Добродомов; Дмитрий Владимирович Залетов; Роман Алексеевич Подсухин
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2016-05-20

Abstract

Термоэлектрический генератор, преимущественно для системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий составленный из отдельных треугольных секций теплообменный аппарат квадратной в сечении формы с четырьмя теплопроводящими стенками, каждая из которых снабжена рядами продольных разновысоких в поперечном сечении ребер, образующих каналы для прохождения отработавших газов с постоянной вдоль теплообменного аппарата шириной; установленные вдоль каждой теплопроводящей стенки теплообменного аппарата с возможностью подключения к системе охлаждения ДВС охладители, а также размещенные между теплопроводящими стенками теплообменного аппарата и охладителями термоэлектрические модули, соединенные в электрическую цепь, отличающийся тем, что упомянутые продольные ребра теплообменного аппарата в нем по длине имеют переменную высоту, увеличивающуюся по направлению потока отработавших газов от нуля до максимального значения, каналы для прохождения отработавших газов между ними выполнены с шириной, изменяющейся в поперечном сечении секций таким образом, что в направлении от центральной оси секции к ее периферийным концам ширина каждого последующего канала увеличивается по сравнению с предыдущим на определенную постоянную величину, при этом охладители, расположенные оппозитно друг другу, попарно стянуты между собой посредством крепежных элементов с обеспечением плотного контакта компонентов в системе «теплообменный аппарат - термоэлектрические модули-охладители».Thermoelectric generator, mainly for the exhaust system of an internal combustion engine, comprising a square-shaped heat exchanger composed of separate triangular sections with four heat-conducting walls, each of which is equipped with rows of longitudinally different cross-sectional fins that form channels for the passage of exhaust gases with a constant along the width of the heat exchanger; chillers installed along each heat-conducting wall of the heat exchanger with the possibility of connecting coolers to the ICE cooling system, as well as thermoelectric modules placed between the heat-conducting walls of the heat exchanger and coolers, connected to an electric circuit, characterized in that the said longitudinal ribs of the heat exchanger in it have a variable height in length increasing in the direction of the exhaust gas flow from zero to the maximum value, channels for exhaust the call between them is made with a width varying in the cross section of the sections in such a way that in the direction from the central axis of the section to its peripheral ends, the width of each subsequent channel increases compared to the previous one by a certain constant value, while coolers located opposite to each other, in pairs tightened together by means of fasteners to ensure tight contact of the components in the system "heat exchanger - thermoelectric cooler modules".

Description

Полезная модель относится к области энергетики, точнее, к системам преобразования тепловой энергии в электрическую, конкретно к устройствам для выработки электроэнергии с использованием тепловой энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, и предназначена для использования, преимущественно, в транспортном машиностроении.The utility model relates to the field of energy, more specifically, to systems for converting thermal energy into electrical energy, specifically to devices for generating electricity using the thermal energy of the exhaust gases of an internal combustion engine, and is intended for use mainly in transport engineering.

Из уровня техники известны разнообразные системы утилизации тепла с прямым преобразованием энергии для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) посредством термоэлектрических генераторов.The prior art various heat recovery systems with direct energy conversion for internal combustion engines (ICE) through thermoelectric generators.

Например, из описания к патенту DE №102009058550, 2011 г. известен термоэлектрический генератор, в котором круглый теплообменный аппарат, выполненный из двух частей, имеющих продольные ребра, образующие каналы для прохождения отработавших газов, с термоэлектрическими модулями на нем расположен внутри трубы системы выпуска отработавших газов ДВС. При этом обе части теплообменного аппарата соединены через упругие элементы, обеспечивающие необходимое усилие сжатия для фиксации термоэлектрических элементов. Охладители в таком генераторе находятся внутри теплообменного аппарата (фиг. 7 и 8), в результате чего к средствам обеспечения герметичности систем охлаждения и выпуска отработавших газов в точках подвода и отвода охлаждающей жидкости предъявляются повышенные требования, реализация которых зачастую конструктивно усложнена.For example, from the description of DE patent No. 102009058550, 2011, a thermoelectric generator is known in which a circular heat exchanger made of two parts having longitudinal ribs forming channels for the passage of exhaust gases, with thermoelectric modules on it, is located inside the pipe of the exhaust system ICE gases. In this case, both parts of the heat exchanger are connected through elastic elements providing the necessary compression force for fixing the thermoelectric elements. Coolers in such a generator are located inside the heat exchanger (Figs. 7 and 8), as a result of which increased requirements are imposed on the means for ensuring the tightness of the cooling and exhaust systems at the points of supply and removal of coolant, the implementation of which is often structurally complicated.

Упрощается система подвода и отвода охлаждающей жидкости, выполняющей роль холодного теплоносителя в термоэлектрических генераторах, при размещении термоэлектрических модулей и охладителей вне канала подачи отработавших газов.The system for supplying and discharging coolant, which plays the role of a coolant in thermoelectric generators, is simplified when placing thermoelectric modules and coolers outside the exhaust gas supply channel.

Например, в термоэлектрическом генераторе по заявке WO №2015004486, 2015 г., шестигранный теплообменный аппарат, оснащенный поперечными ребрами переменной высоты, подсоединен к трубе выпуска отработавших газов ДВС, а термоэлектрические модули и шесть охладителей с каналами для охлаждающей жидкости расположены вокруг теплообменного аппарата, что упрощает систему ее подвода и отвода. Однако, значительная часть потока отработавших газов в этом аналоге не контактирует с поперечными ребрами - это снижает теплоотдачу теплообменному аппарату, и, как следствие, снижается эффективность рекуперации таким генератором тепловой энергии отработавших газов.For example, in a thermoelectric generator according to the application WO No. 20155004486, 2015, a six-sided heat exchanger equipped with transverse ribs of variable height is connected to an exhaust gas exhaust pipe of the internal combustion engine, and thermoelectric modules and six coolers with coolant channels are located around the heat exchanger, which simplifies the system of its supply and removal. However, a significant part of the exhaust gas flow in this analog does not come into contact with the transverse ribs - this reduces the heat transfer to the heat exchanger, and, as a result, the efficiency of recovery of the exhaust gas thermal energy by such a generator decreases.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа предлагаемой полезной модели, является встроенный в систему управления выбросом выхлопных газов термоэлектрический генератор по патенту US №7467513, 2008 г., (фиг. 2), содержащий каркас с размещенным внутри него теплообменным аппаратом, термоэлектрические модули и охладители, в котором теплообменный аппарат имеет квадратную в сечении форму и составлен из четырех отдельных треугольных секций. Каждая секция теплообменного аппарата генератора состоит из теплопроводящей стенки и ряда продольных разновысоких ребер, образующих каналы для прохождения отработавших газов. Охладители (емкости с охлаждающей жидкостью) установлены на каркасе, а термоэлектрические модули помещены между теплопроводящими стенками теплообменного аппарата и охладителями с возможностью относительного перемещения.The closest analogue selected as a prototype of the proposed utility model is a thermoelectric generator integrated in the exhaust gas emission control system according to US patent No. 7467513, 2008, (Fig. 2), comprising a frame with a heat exchanger placed inside it, thermoelectric modules and coolers, in which the heat exchanger has a square cross-sectional shape and is composed of four separate triangular sections. Each section of the heat exchanger apparatus of the generator consists of a heat-conducting wall and a number of longitudinal ribs of different heights, forming channels for the passage of exhaust gases. Coolers (tanks with coolant) are mounted on the frame, and thermoelectric modules are placed between the heat-conducting walls of the heat exchanger and coolers with the possibility of relative movement.

В прототипе продольные ребра секций теплообменного аппарата имеют постоянную по направлению потока отработавших газов высоту, а образованные ими каналы для прохождения отработавших газов постоянную в поперечном сечении секции ширину, что следует отнести к его недостаткам, поскольку это приводит к неравномерности температуры на горячей стороне термоэлектрических модулей, и, следовательно, изменению градиента температур на горячей и холодной сторонах модулей, что снижает эффективность работы термоэлектрического генератора в целом.In the prototype, the longitudinal ribs of the sections of the heat exchanger have a constant height in the direction of the exhaust gas flow, and the channels formed by them for the passage of exhaust gases have a constant width in the cross section of the section, which should be attributed to its shortcomings, since this leads to temperature unevenness on the hot side of the thermoelectric modules, and, consequently, a change in the temperature gradient on the hot and cold sides of the modules, which reduces the overall efficiency of the thermoelectric generator.

Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, направлена на повышение эффективности термоэлектрического генератора.The problem solved by the proposed utility model is aimed at increasing the efficiency of the thermoelectric generator.

Технический результат, получаемый при реализации полезной модели, состоит в повышении коэффициента полезного действия термоэлектрического генератора путем выравнивания температуры на горячей стороне термоэлектрических модулей, как в продольном, так и в поперечном сечении.The technical result obtained by implementing the utility model consists in increasing the efficiency of the thermoelectric generator by equalizing the temperature on the hot side of the thermoelectric modules, both in longitudinal and in cross section.

Технический результат достигается тем, что в термоэлектрическом генераторе, преимущественно для системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащем составленный из отдельных треугольных секций теплообменный аппарат квадратной в сечении формы с четырьмя теплопроводящими стенками, каждая из которых снабжена рядами продольных разновысоких в поперечном сечении ребер, образующих каналы для прохождения отработавших газов с постоянной вдоль теплообменного аппарата шириной; охладители, установленные вдоль каждой теплопроводящей стенки теплообменного аппарата с возможностью подключения к системе охлаждения ДВС, а также размещенные между теплопроводящими стенками теплообменного аппарата и охладителями термоэлектрические модули, соединенные в электрическую цепь, в отличие от известных аналогов, продольные ребра теплообменного аппарата по длине имеют переменную высоту, увеличивающуюся по направлению потока отработавших газов от нуля до максимального значения, каналы для прохождения отработавших газов между ними выполнены с шириной, изменяющейся в поперечном сечении секций таким образом, что в направлениях от центральной оси секции к ее периферийным концам ширина каждого последующего канала увеличивается по сравнению с предыдущим на определенную постоянную величину, при этом охладители, расположенные оппозитно друг другу, попарно стянуты между собой посредством крепежных элементов с обеспечением плотного контакта компонентов в системе «теплообменный аппарат - термоэлектрические модули-охладители».The technical result is achieved in that in a thermoelectric generator, mainly for the exhaust system of an internal combustion engine, comprising a square-shaped heat exchanger composed of separate triangular sections with four heat-conducting walls, each of which is equipped with rows of longitudinally different in cross-section fins forming channels for the passage of exhaust gases with a constant width along the heat exchanger; coolers installed along each heat-conducting wall of the heat exchanger with the possibility of connecting to the ICE cooling system, as well as thermoelectric modules placed between the heat-conducting walls of the heat exchanger and the coolers, connected to an electric circuit, unlike the known analogues, the longitudinal fins of the heat exchanger are variable in length increasing in the direction of the flow of exhaust gases from zero to the maximum value, channels for the passage of exhaust gases m Between them, they are made with a width that varies in the cross section of the sections so that in the directions from the central axis of the section to its peripheral ends the width of each subsequent channel increases compared to the previous one by a certain constant value, while the coolers located opposite each other are pulled together in pairs between each other through fasteners with a tight contact of the components in the system "heat exchanger - thermoelectric cooler modules".

Сущность полезной модели проиллюстрирована чертежами, где: на фиг. 1 дан общий вид термоэлектрического генератора (в изометрии); на фиг. 2 - то же в поперечном разрезе; на фиг. 3 - вид секции теплообменного аппарата в продольном сечении; на фиг. 4 - то же в поперечном сечении.The essence of the utility model is illustrated by drawings, where: in FIG. 1 shows a general view of a thermoelectric generator (in isometry); in FIG. 2 - the same in cross section; in FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a section of a heat exchanger; in FIG. 4 is the same in cross section.

Для установки термоэлектрического генератора в системе выпуска отработавших газов ДВС в нем предусмотрены два фланца 1, закрепленных на торцах теплообменного аппарата 2, имеющего в сечении квадратную форму, образованную четырьмя жестко скрепленными между собой треугольными секциями 3 (фиг. 2). Каждая из этих секций в поперечном сечении имеет вид гребенки и содержит теплопроводную стенку 4 и продольные разновысокие ребра 5, образующие каналы 6 для прохождения отработавших газов ДВС (фиг. 4). При этом высота ребер 5 по направлению потока отработавших газов тоже переменная - увеличивается от нуля до максимального значения.To install a thermoelectric generator in the exhaust system of the internal combustion engine, it has two flanges 1, mounted on the ends of the heat exchanger 2, having a cross-section in square shape, formed by four triangular sections 3 rigidly fastened together (Fig. 2). Each of these sections in cross section has the form of a comb and contains a heat-conducting wall 4 and longitudinal uneven ribs 5 forming channels 6 for the passage of exhaust gases of the internal combustion engine (Fig. 4). In this case, the height of the ribs 5 in the direction of the exhaust gas flow is also variable - it increases from zero to the maximum value.

Каналы 6 имеют постоянную по длине секции ширину, причем в поперечном сечении секции в направлениях от центральной оси к ее периферийным концам ширина каждого последующего канала увеличивается на определенную величину по сравнению с предыдущим.Channels 6 have a constant width along the length of the section, and in the cross section of the section in directions from the central axis to its peripheral ends, the width of each subsequent channel increases by a certain amount compared to the previous one.

Вдоль каждой стороны теплообменного аппарата 1 расположены термоэлектрические модули 7, которые горячей стороной контактируют с теплопроводными стенками 4, а холодной стороной - с охладителями 8.Along each side of the heat exchanger 1 there are thermoelectric modules 7, which are on the hot side in contact with the heat-conducting walls 4, and on the cold side, with coolers 8.

Охладители 8 представляют собой емкости с циркулирующей в них охлаждающей жидкостью. Подача и отбор охлаждающей жидкости, а также ее распределение по охладителям 8 осуществляется с помощью впускного 9 и выпускного 10 коллекторов через отводы 11 и 12 соответственно.Coolers 8 are containers with coolant circulating in them. The supply and selection of coolant, as well as its distribution among the coolers 8, is carried out using the inlet 9 and outlet 10 collectors through taps 11 and 12, respectively.

Расположенные оппозитно друг другу охладители 8 попарно стягиваются между собой посредством крепежных элементов 13 - это обеспечивает надежный контакт термоэлектрических модулей 7 как с теплообменным аппаратом 1, так и с охладителями 8, попутно создавая жесткий каркас системы «теплообменный аппарат - термоэлектрические модули-охладители», что снимает необходимость в использовании для генератора корпуса или каркаса.The coolers 8 located opposite each other are pulled together in pairs by means of fasteners 13 - this ensures reliable contact of thermoelectric modules 7 with both heat exchanger 1 and coolers 8, simultaneously creating a rigid frame of the system “heat exchanger - thermoelectric cooler modules”, which eliminates the need to use a housing or frame for the generator.

Для предотвращения чрезмерного сжатия термоэлектрических модулей 7 и компенсации теплового расширения составляющих генератора крепежные элементы 13 содержат пружинные шайбы 14 (фиг. 2).To prevent excessive compression of the thermoelectric modules 7 and compensate for the thermal expansion of the generator components, the fasteners 13 contain spring washers 14 (Fig. 2).

Предложенные конструктивные параметры ребер 5 и каналов 6 между ними обеспечивают выравнивание температуры на горячей стороне термоэлектрических модулей 7, как в продольном, так и в поперечном сечении.The proposed design parameters of the ribs 5 and channels 6 between them provide temperature equalization on the hot side of thermoelectric modules 7, both in longitudinal and in cross section.

Поскольку температура отработавших газов ДВС по мере прохождения по теплообменному аппарату уменьшается, то для обеспечения неизменной интенсивности теплообмена, а, следовательно, и температуры на горячей стороне термоэлектрических модулей, непосредственно контактирующих с теплопроводной стенкой теплообменного аппарата, требуется увеличение площади теплообмена, что и достигается увеличением высоты ребер в продольном сечении по направлению потока отработавших газов от нуля до максимального значения.Since the temperature of the exhaust gases of the internal combustion engine decreases as it passes through the heat exchanger, in order to ensure a constant heat transfer intensity, and, consequently, the temperature on the hot side of the thermoelectric modules directly in contact with the heat-conducting wall of the heat exchanger, an increase in the heat transfer area is required, which is achieved by increasing the height ribs in a longitudinal section in the direction of the exhaust gas flow from zero to the maximum value.

Выравнивание температуры на горячей стороне термоэлектрических модулей в поперечном сечении достигается увеличением ширины каналов для отработавших газов от центра секции теплообменного аппарата к ее периферии. Скорость движения отработавших газов ДВС в поперечном сечении теплообменного аппарата термоэлектрического генератора уменьшается от центральной части потока к его периферии, поэтому для обеспечения неизменной интенсивности теплообмена, а, следовательно, и температуры на горячей стороне термоэлектрических модулей, требуется увеличение проходного сечения на периферии, что и достигается увеличением ширины каналов.The temperature equalization on the hot side of thermoelectric modules in cross section is achieved by increasing the width of the channels for exhaust gases from the center of the section of the heat exchanger to its periphery. The velocity of the internal combustion engine exhaust gases in the cross section of the heat exchanger of the thermoelectric generator decreases from the central part of the flow to its periphery, therefore, to ensure a constant heat transfer intensity, and, consequently, the temperature on the hot side of thermoelectric modules, an increase in the flow area at the periphery is required, which is achieved increasing the width of the channels.

Известно, что выравнивание температуры на горячей стороне термоэлектрических модулей является не только важным фактором, влияющим на производительность термоэлектрического генератора, но и способствует увеличению срока службы термоэлектрических модулей, а термоэлектрический модуль работает с максимальным коэффициентом полезного действия при выполнении условия равенства внутреннего сопротивления и сопротивления активной нагрузки. Следовательно, достигнутое выравнивание величин температурных градиентов в предлагаемом решении позволяет выбрать оптимальную нагрузку для каждого отдельного типоразмера предлагаемого термоэлектрического генератора и, как следствие, увеличить коэффициент полезного действия термоэлектрического генератора в целом.It is known that temperature equalization on the hot side of thermoelectric modules is not only an important factor affecting the performance of a thermoelectric generator, but also contributes to an increase in the life of thermoelectric modules, and a thermoelectric module works with a maximum efficiency when the condition of equal internal resistance and active load resistance is fulfilled . Therefore, the achieved alignment of the temperature gradients in the proposed solution allows you to choose the optimal load for each individual size of the proposed thermoelectric generator and, as a result, increase the efficiency of the thermoelectric generator as a whole.

Работа генератора осуществляется следующим образом.The operation of the generator is as follows.

Отработавшие газы от ДВС проходят внутри теплообменного аппарата 2 и далее в систему выпуска отработавших газов. По мере прохождения внутри теплообменного аппарата по каналам 6 температура отработавших газов падает, а температура теплопроводных стенок 4 аппарата 2 растет. Одновременно с этим охлаждающая жидкость из системы охлаждения ДВС (не показана) подается во впускной коллектор 9, откуда она попадает в охладители 8. Таким образом, при постоянной подаче отработавших газов от ДВС и циркуляции охлаждающей жидкости между горячими и холодными сторонами термоэлектрических модулей 7, поддерживается градиент температуры, вызывающий эффект Зеебека, заключающийся в возникновении электродвижущей силы при наличии разницы температур в контактах замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных проводников. На этом основании в термоэлектрических модулях 7 происходит преобразование тепловой энергии отработавших газов в электрическую энергию с определенным коэффициентом полезного действия, который зависит от разницы температур холодной и горячей стороны:The exhaust gases from the internal combustion engine pass inside the heat exchanger 2 and further into the exhaust system. As it passes through the channels 6 inside the heat exchanger, the temperature of the exhaust gases drops, and the temperature of the heat-conducting walls 4 of the apparatus 2 increases. At the same time, coolant from the internal combustion engine cooling system (not shown) is supplied to the intake manifold 9, from where it enters the coolers 8. Thus, with a constant supply of exhaust gases from the internal combustion engine and coolant circulation between the hot and cold sides of the thermoelectric modules 7, it is supported temperature gradient, causing the Seebeck effect, which consists in the occurrence of an electromotive force in the presence of a temperature difference in the contacts of a closed electric circuit consisting of dissimilar conductors . On this basis, in the thermoelectric modules 7, the thermal energy of the exhaust gases is converted into electrical energy with a certain efficiency, which depends on the temperature difference between the cold and hot sides:

Q₂=Q₁-N_TGM=Q₁·(1-η_TGM), где:Q ₂ = Q ₁ -N _TGM = Q ₁ · (1-η _TGM ), where:

Q₂ - мощность теплового потока от отработавших газов к термоэлектрическим модулям, Вт;Q ₂ - power of the heat flow from exhaust gases to thermoelectric modules, W;

Q₁ - мощность теплового потока от термоэлектрических модулей к охлаждающей жидкости, Вт;Q ₁ is the heat flux power from thermoelectric modules to the coolant, W;

N_TGM - выходная электрическая мощность термоэлектрического генератора, Вт;N _TGM - output electric power of a thermoelectric generator, W;

η_TGM - коэффициент термоэлектрического преобразования.η _TGM - coefficient of thermoelectric conversion.

Полученная в результате работы термоэлектрического генератора электрическая энергия может быть использована как непосредственно для питания потребителей бортовой сети транспортного средства, так и для заряда аккумуляторной батареи.The electrical energy obtained as a result of the operation of the thermoelectric generator can be used both directly to power consumers of the vehicle's on-board network and to charge the battery.

Реализация полезной модели не требует вложения значительных капитальных вложений, может быть изготовлена в условиях действующего производства с использованием широкодоступных материалов и комплектующих и позволяет достигнуть следующих результатов:The implementation of the utility model does not require significant capital investments; it can be made in the conditions of the current production using widely available materials and components and allows to achieve the following results:

- увеличение коэффициента полезного действия термоэлектрического генератора;- increase the efficiency of the thermoelectric generator;

- величины электрической мощности термоэлектрического генератора, не менее 1 кВт.- electric power of thermoelectric generator, not less than 1 kW.

Claims

Thermoelectric generator, mainly for the exhaust system of an internal combustion engine, comprising a square-shaped heat exchanger composed of separate triangular sections with four heat-conducting walls, each of which is equipped with rows of longitudinally different cross-sectional fins that form channels for the passage of exhaust gases with a constant along the width of the heat exchanger; chillers installed along each heat-conducting wall of the heat exchanger with the possibility of connecting coolers to the ICE cooling system, as well as thermoelectric modules placed between the heat-conducting walls of the heat exchanger and coolers, connected to an electric circuit, characterized in that the said longitudinal ribs of the heat exchanger in it have a variable height in length increasing in the direction of the exhaust gas flow from zero to the maximum value, channels for exhaust the call between them is made with a width varying in the cross section of the sections in such a way that in the direction from the central axis of the section to its peripheral ends, the width of each subsequent channel increases compared to the previous one by a certain constant value, while coolers located opposite to each other, in pairs tightened together by means of fasteners to ensure tight contact of the components in the system "heat exchanger - thermoelectric cooler modules".