RU190585U1

RU190585U1 - THERMOELECTRIC GENERATOR MODULE

Info

Publication number: RU190585U1
Application number: RU2019113698U
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Афанасьев; Сергей Анатольевич Варламов; Игорь Геннадьевич Дроздов; Александр Сергеевич Иванов; Алексей Сергеевич Игнатов; Константин Владимирович Кружаев; Игорь Геннадьевич Перевезенцев; Илья Эдуардович Свиридов; Татьяна Сергеевна Тимошинова; Максим Иванович Хромых; Дмитрий Павлович Шматов
Original assignee: Акционерное общество "РИФ" (АО "РИФ")
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2019-07-04

Abstract

Полезная модель относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно к конструкции термоэлектрического генераторного модуля, используемого в качестве автономного источника электрической энергии. Технический результат: увеличение эффективности выработки электроэнергии. Сущность: термоэлектрический генераторный модуль содержит частично заполненный жидким теплоносителем термосифон с теплоприемными трубками, камеру сгорания с устройством нагрева теплоприемных трубок, термоэлектрические батареи, размещенные на наружной поверхности термосифона, второй термосифон, частично заполненный жидким теплоносителем, размещенный на наружной поверхности термоэлектрических батарей и имеющий в своей верхней части радиатор воздушного охлаждения. Камера сгорания с устройством нагрева теплоприемных трубок оснащена трубопроводом сброса продуктов сгорания с расположенными на этом трубопроводе термоэлектрическими батареями кольцевой геометрии. На наружной поверхности термоэлектрических батарей размещен теплообменник с теплоносителем в виде природного газа, подаваемого из магистрального газопровода в устройство нагрева теплоприемных трубок. 1 ил.The invention relates to the field of direct conversion of thermal energy into electrical energy, namely, the design of a thermoelectric generator module used as an autonomous source of electrical energy. EFFECT: increased efficiency of power generation. Essence: thermoelectric generator module contains a thermosiphon partially filled with a heat-transfer fluid, heat-receiving tubes, a combustion chamber with a heat-receiving tubes heating device, thermoelectric batteries placed on the outer surface of a thermosyphon, and a second thermosyphon partially filled with a heat-transfer fluid top of the air cooling radiator. The combustion chamber with a device for heating the heat-receiving tubes is equipped with a discharge pipe of combustion products with ring geometry geometry thermoelectric batteries located on this pipeline. On the outer surface of thermoelectric batteries placed a heat exchanger with a coolant in the form of natural gas supplied from the main gas pipeline to the heating device of heat-receiving tubes. 1 il.

Description

Полезная модель относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно к конструкции термоэлектрического генераторного модуля, используемого в качестве автономного источника электрической энергии.The invention relates to the field of direct conversion of thermal energy into electrical energy, namely, the design of a thermoelectric generator module used as an autonomous source of electrical energy.

Известно устройство для утилизации теплоты отработавших газов в судовых энергетических установках (см. патент №108214, кл. U2, публ. 10.09.2011). Устройство содержит кожух, горячий узел, термогенераторные модули и холодный узел, горячий и холодный узлы, выполненные в виде шестиугольника в поперечном сечении, а между кожухом и холодным узлом образована водяная рубашка.A device is known for utilizing the heat of exhaust gases in ship power plants (see patent No. 108214, class U2, publ. September 10, 2011). The device comprises a housing, a hot unit, thermogenerator modules and a cold unit, hot and cold units made in the form of a hexagon in cross section, and a water jacket is formed between the case and the cold unit.

Горячий и холодный узлы выполнены в виде шестиугольника в поперечном сечении. Между кожухом и холодным узлом образована водяная рубашка. Термогенераторные модули и холодный узел прижаты к горячему узлу и зафиксированы болтовыми соединениями.Hot and cold nodes are made in the form of a hexagon in cross section. A water jacket is formed between the casing and the cold knot. Thermogenerator modules and cold knot are pressed to the hot knot and fixed by bolted joints.

Недостатком указанного устройства является необходимость применения принудительного охлаждения, что требует дополнительной затраты энергии на обеспечение этого охлаждения, также одним из недостатков является использование болтовых соединений для крепления, что может со временем привести к потере прижимного усилия.The disadvantage of this device is the need to use forced cooling, which requires additional energy costs to ensure this cooling, also one of the drawbacks is the use of bolted joints for fastening, which can eventually lead to loss of downforce.

Известен автономный малогабаритный термоэлектрический источник тока (см. патент №57969, кл. U1, публ. 27.10.2006). Устройство включает установленную в корпусе частично заполненную жидким теплоносителем гравитационную тепловую трубу. Труба имеет нижнюю испарительную часть с теплоприемными оребренными трубками, размещенными в зоне нагрева теплоносителя, а также среднюю транспортную часть с зоной переноса теплоносителя и верхнюю конденсационную часть с зоной охлаждения теплоносителя, с размещенной на ее поверхности термоэлектрической батареей. Термоэлектрическая батарея имеет электрические соединения, подведенные к разъему для подключения потребителя, при этом между внутренней стенкой корпуса и наружной поверхностью термоэлектрической батареи выполнен трубчатый канал для циркуляции охлаждающей жидкости. Устройство также снабжено закрепленной между втулочной соединительной муфтой и конической концевой муфтой центральной полой колонной, установленной под нижним концом средней транспортной части гравитационной тепловой трубы. Конец тепловой трубы жестко соединен со свободной стороной соединительного отверстия соединительной муфтой, на боковой поверхности которой закреплен дополнительно введенный основной режекторный экран, имеющий форму диска с центральным посадочным отверстием, а над ним размещены дополнительные теплорассеивающие режекторные пластинчатые экраны, закрепленные на стержнях, консольно соединенных с дном корпуса, расположенным над упомянутыми экранами. При этом теплоприемные трубки выполнены в виде арок, ротондообразно размещенных вокруг упомянутой центральной колонны и соединенных верхними и нижними концами со сквозными отверстиями в боковых поверхностях соответствующих муфт, причем оребрение на теплоприемных трубках выполнено в виде нанизанных на них шайб.Known autonomous compact thermoelectric current source (see patent No. 57969, class U1, publ. 10/27/2006). The device includes a gravitational heat pipe installed in a housing partially filled with a heat-transfer fluid. The pipe has a lower evaporative part with heat-receiving finned tubes placed in the heating zone of the coolant, as well as an average transport part with the transfer zone of the coolant and the upper condensation part with the coolant cooling zone, with a thermoelectric battery placed on its surface. The thermoelectric battery has electrical connections to the connector for connecting the consumer, while a tubular channel is made between the inner wall of the housing and the outer surface of the thermoelectric battery for circulating coolant. The device is also equipped with a central hollow column fixed between the bushing coupling and the conical end coupling mounted below the lower end of the middle transport part of the gravitational heat pipe. The end of the heat pipe is rigidly connected to the free side of the connecting hole by a connecting sleeve, on the side surface of which an additionally introduced main notch screen is mounted, having a disk shape with a central landing hole, and above it there are additional heat dissipating notch plate screens attached to the rods cantilever connected to the bottom housing located above the mentioned screens. In this case, the heat-receiving tubes are made in the form of arcs, rota-shaped placed around the said central column and connected by upper and lower ends with through holes in the side surfaces of the respective couplings, with the fins on the heat-receiving tubes made in the form of washers strung on them.

Недостатком указанного устройства является необходимость применения принудительного охлаждения, что требует дополнительной затраты энергии на обеспечение этого охлаждения.The disadvantage of this device is the necessity of using forced cooling, which requires additional energy costs to ensure this cooling.

Наиболее близким из известных технических решений является термоэлектрический генераторный модуль (см. патент №186073, кл. U1, публ. 28.12.2018 - прототип), содержащий частично заполненный жидким теплоносителем термосифон, имеющий теплоприемные трубки, размещенные в зоне нагрева теплоносителя, размещенные на поверхности термосифона термоэлектрические батареи, имеющие тепловой контакт своей внутренней поверхностью с термосифоном и имеющие токопередающие шины, второй термосифон, частично заполненный жидким теплоносителем (для отвода тепла от термоэлектрических батарей), размещенный на наружной поверхности термоэлектрических батарей и имеющий тепловой контакт с термоэлектрическими батареями, а также имеющий в своей верхней части радиатор воздушного охлаждения, кроме того термоэлектрические батареи имеют кольцевую геометрию. Продукты сгорания из зоны нагрева теплоносителя отводятся в атмосферу.The closest of the known technical solutions is a thermoelectric generator module (see patent No. 186073, class U1, publ. 12/28/2018 - prototype), containing a thermosyphon partially filled with a liquid heat carrier, having heat-receiving tubes placed in the heat-carrier heating zone thermosyphon thermoelectric batteries having a thermal contact with the internal surface of the thermosyphon and having a current-passing bus, the second thermosyphon partially filled with a heat-transfer fluid (to remove heat from thermoelectric batteries), placed on the outer surface of thermoelectric batteries and having thermal contact with thermoelectric batteries, as well as having an air-cooled radiator in its upper part, in addition, thermoelectric batteries have an annular geometry. Combustion products from the heating zone of the coolant are discharged into the atmosphere.

Недостатком указанного устройства является то, что не предусмотрено использование полезной теплоты продуктов сгорания, которая отводится в атмосферу из зоны нагрева.The disadvantage of this device is that it does not provide for the use of the useful heat of combustion products, which is discharged into the atmosphere from the heating zone.

Технический эффект, достигаемый предложенным термоэлектрическим генераторным модулем, заключается в увеличении эффективности выработки электроэнергии за счет дополнительной электрической мощности, полученной от термоэлектрических батарей, расположенных на трубопроводе сброса продуктов сгорания, охлаждение которых осуществлено за счет прохождения газа, идущего из магистрального трубопровода в устройство нагрева теплоприемных трубок термосифона, через теплообменник, расположенный на наружной поверхности термоэлектрических батарей. Дополнительная электрическая энергия может идти на собственные нужды в процессе эксплуатации или увеличивать общую электрическую мощность термоэлектрического генераторного модуля.The technical effect achieved by the proposed thermoelectric generator module, is to increase the efficiency of power generation due to the additional electric power received from thermoelectric batteries located on the pipeline of discharge of combustion products, which are cooled due to the passage of gas coming from the main pipeline to the device for heating heat pipes thermosyphon through a heat exchanger located on the outer surface of thermoelectric batteries ray. Additional electric energy can go on its own needs during operation or increase the total electric power of a thermoelectric generator module.

Данный технический эффект достигается в термоэлектрическом генераторном модуле, содержащем частично заполненный жидким теплоносителем термосифон с теплоприемными трубками, камеру сгорания с устройством нагрева теплоприемных трубок, термоэлектрические батареи, размещенные на наружной поверхности термосифона, второй термосифон частично заполненный жидким теплоносителем, размещенный на наружной поверхности термоэлектрических батарей и имеющий в своей верхней части радиатор воздушного охлаждения, согласно полезной модели, камера сгорания с устройством нагрева теплоприемных трубок оснащена трубопроводом сброса продуктов сгорания с расположенными на этом трубопроводе термоэлектрическими батареями кольцевой геометрии, на наружной поверхности которых размещен теплообменник с теплоносителем в виде природного газа, подаваемого из магистрального газопровода в устройство нагрева теплоприемных трубок.This technical effect is achieved in a thermoelectric generator module containing a thermosyphon partially filled with heat-transfer fluid with heat-receiving tubes, a combustion chamber with a heat-receiving tubes heating device, thermoelectric batteries placed on the outer surface of a thermosyphon, a second thermosyphon partially filled with a heat-transfer fluid placed on the outer surface of thermoelectric batteries and having in its upper part an air-cooled radiator, according to the utility model, a chamber with The Gorany with a device for heating heat-receiving tubes is equipped with a discharge pipe of combustion products with ring-shaped thermoelectric batteries located on this pipeline, on the outer surface of which a heat exchanger with heat carrier is placed in the form of natural gas supplied from the main gas pipeline to the heat-receiving tubes heating device.

Суть полезной модели поясняется фиг. 1, где показано, что в состав термоэлектрического генераторного модуля входят:The essence of the utility model is illustrated in FIG. 1, where it is shown that the composition of a thermoelectric generator module includes:

1 - частично заполненный жидким теплоносителем термосифон;1 - thermosyphon partially filled with a liquid heat carrier;

2 - теплоприемные трубки термосифона;2 - heat-receiving tubes of thermosyphon;

3 - камера сгорания;3 - combustion chamber;

4 - устройство нагрева теплоприемных трубок термосифона;4 - device for heating the heat-receiving tubes of thermosyphon;

5 - конденсационная часть термосифона;5 - condensation part of thermosyphon;

6 - термоэлектрические батареи;6 - thermoelectric batteries;

7 - второй термосифон, частично заполненный жидким теплоносителем;7 - the second thermosyphon, partially filled with a heat-transfer fluid;

8 - зона нагрева второго термосифона;8 - heating zone of the second thermosyphon;

9 - конденсационная часть второго термосифона;9 - condensation part of the second thermosyphon;

10 - радиатор воздушного охлаждения;10 - air cooling radiator;

11 - токопередающие шины;11 - power transmission bus;

12 - трубопровод сброса продуктов сгорания;12 - the pipeline of dumping of products of combustion;

13 - термоэлектрические батареи;13 - thermoelectric batteries;

14 - теплообменник;14 - heat exchanger;

15 - токопередающие шины;15 - power transmission bus;

16 - магистральный трубопровод для подачи газа через теплообменник;16 - main pipeline for supplying gas through the heat exchanger;

17 - дроссельное устройство.17 - throttle device.

Конструктивно термоэлектрический генераторный модуль содержит частично заполненный жидким теплоносителем термосифон 1, имеющий теплоприемные трубки 2, расположенные в камере сгорания 3, где также расположено устройства нагрева 4. На конденсационной части 5 термосифона 1 расположены три термоэлектрические батареи 6, на которые с обратной стороны установлен второй термосифон 7, частично заполненный жидким теплоносителем. Второй термосифон 7 имеет зону нагрева 8, расположенную на наружной поверхности термоэлектрических батарей 6, и имеет конденсационную часть 9. Конденсационная часть 9 имеет радиатор воздушного охлаждения 10. Термоэлектрические батареи 6 имеют токопередающие шины 11. Камера сгорания 3 оснащена трубопроводом сброса продуктов сгорания 12, с расположенными на нем термоэлектрическими батареями кольцевой геометрии 13, на наружной поверхности которых размещен теплообменник 14. Термоэлектрические батареи 13 имеют токопередающие шины 15. Газ для охлаждения термоэлектрических батарей 13 посредствам теплообменника 14 подается из магистрального трубопровода 16, в котором расположено дроссельное устройство 17 для понижения температуры газа перед теплообменником 14.Structurally, the thermoelectric generator module contains a thermosiphon 1 partially filled with a heat-transfer fluid, having heat-receiving tubes 2 located in the combustion chamber 3, where the heating devices 4 are also located. On the condensation part 5 of the thermosyphon 1 there are three thermoelectric batteries 6 7, partially filled with a heat transfer fluid. The second thermosyphon 7 has a heating zone 8 located on the outer surface of thermoelectric batteries 6 and has a condensation part 9. The condensation part 9 has an air-cooled radiator 10. Thermoelectric batteries 6 have busbars 11. The combustion chamber 3 is equipped with a discharge pipe for combustion products 12, s thermoelectric batteries of ring geometry 13 located on it, on the outer surface of which a heat exchanger is placed 14. Thermoelectric batteries 13 have current-carrying buses 15. Cooling gas Thermoelectric batteries 13 are supplied via heat exchanger 14 from main pipeline 16, in which throttle device 17 is located to lower gas temperature in front of heat exchanger 14.

Работа термоэлектрического генераторного модуля осуществляется следующим образом, теплоприемные трубки 2 в камере сгорания 3 нагреваются с помощью устройства нагрева 4, которое работает на природном газе. Жидкий теплоноситель нагревается в теплоприемных трубках 2, переходит в газообразную фазу, поднимается вверх и конденсируется в конденсационной части 5 термосифона 1, отдавая тепло термоэлектрическим батареям 6. Термоэлектрические батареи 6 охлаждаются с помощью второго термосифона 7, который прилегает к наружной поверхности термоэлектрических батарей 6 и имеет зону нагрева теплоносителя 8. Теплоноситель, нагреваясь в зоне нагрева 8 второго термосифона 7, переходит в газообразную фазу и перемещается в конденсационную часть 9 второго термосифона 7. В конденсационной части 9 теплоноситель второго термосифона 7 охлаждается и переходит в жидкую фазу, под действием силы тяжести возвращается в зону нагрева 8 второго термосифона 7. Конденсационная часть 9 для более эффективного теплообмена имеет радиатор воздушного охлаждения 10. Тепловой поток проходит через термоэлектрические батареи 6, создает на термоэлементах перепад температуры, за счет эффекта Зеебека генерируется термоЭДС и по токопередающим шинам 11 поступает полезная электрическая энергия. При этом продукты сгорания из камеры сгорания 3 по трубопроводу 12 сброса продуктов сгорания направляются в атмосферу. На трубопроводе 12 сброса продуктов сгорания установлены термоэлектрические батареи 13. Тепловой поток от продуктов сгорания проходит через термоэлектрические батареи 13, расположенные трубопроводе 12, создает на термоэлементах перепад температуры, за счет эффекта Зеебека генерируется термоЭДС и по токопередающим шинам 15 поступает полезная электрическая энергия.The operation of the thermoelectric generator module is carried out as follows, the heat-receiving tubes 2 in the combustion chamber 3 are heated using a heating device 4, which runs on natural gas. The heat transfer fluid is heated in the heat-receiving tubes 2, enters the gaseous phase, rises up and condenses in the condensation part 5 of the thermosyphon 1, giving off heat to thermoelectric batteries 6. Thermoelectric batteries 6 are cooled using the second thermosyphon 7, which is adjacent to the outer surface of thermoelectric batteries 6 and has heating zone of the heat carrier 8. The heat carrier, heating in the heating zone 8 of the second thermosyphon 7, passes into the gaseous phase and moves to the condensation part 9 of the second thermo siphon 7. In the condensation part 9, the coolant of the second thermo siphon 7 is cooled and goes into the liquid phase, returns to the heating zone 8 of the second thermosyphon 7 under the influence of gravity. The condensation part 9 has a radiator of air cooling for more efficient heat exchange 10. The heat flow passes through thermoelectric batteries 6, creates thermoelements temperature differential, due to the Seebeck effect, thermoEMF is generated and useful electrical energy is supplied through the current transmission buses 11. The products of combustion from the combustion chamber 3 through the pipeline 12 discharge of products of combustion are sent to the atmosphere. Thermoelectric batteries 13 are installed on the discharge pipe 12 of the combustion products. The heat flow from the combustion products passes through the thermoelectric batteries 13 located on the pipeline 12, creates temperature differences on the thermoelements, the Thermoelectric Power is generated by the Seebeck effect and useful electrical energy is supplied through the busbars 15.

Температурный перепад обеспечивается за счет отвода тепла с обратной стороны термоэлектрических батарей 13 с помощью теплообменника 14, размещенного на наружной поверхности термоэлектрических батарей 13. В качестве теплоносителя для охлаждения термоэлектрических батарей 13 в теплообменнике 14 используется газ, который идет из магистрального трубопровода 16 в устройство нагрева 4. В магистральном трубопроводе 16 перед входом в теплообменник 14 для регулирования расхода газа и предварительного охлаждения газа установлено дросселирующее устройство 17.The temperature difference is provided due to heat removal from the back side of thermoelectric batteries 13 by means of a heat exchanger 14 placed on the outer surface of thermoelectric batteries 13. As a coolant for cooling thermoelectric batteries 13, heat exchanger 14 uses gas that goes from the main pipeline 16 to the heating device 4 In the main pipeline 16 before entering the heat exchanger 14 for controlling the gas flow and pre-cooling the gas installed throttling mouth oystvo 17.

Преимуществом приведенного термоэлектрического генераторного модуля является увеличение эффективности выработки электроэнергии за счет дополнительной электрической мощности, полученной от термоэлектрических батарей, расположенных на трубопроводе сброса продуктов сгорания, охлаждение которых осуществлено за счет прохождения газа, идущего из магистрального трубопровода в устройство нагрева теплоприемных трубок термосифона, через теплообменник, расположенный на наружной поверхности термоэлектрических батарей. Дополнительная электрическая энергия может идти на собственные нужды в процессе эксплуатации или увеличивать общую электрическую мощность термоэлектрического генераторного модуля.The advantage of the above thermoelectric generator module is an increase in the efficiency of power generation due to the additional electric power received from thermoelectric batteries located on the flue exhaust pipe, cooled by the passage of gas coming from the main pipeline to the heating device of the heat siphon tubes, located on the outer surface of thermoelectric batteries. Additional electric energy can go on its own needs during operation or increase the total electric power of a thermoelectric generator module.

Таким образом, реализация данной полезной модели приводит к повышению эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую энергию.Thus, the implementation of this utility model leads to an increase in the efficiency of conversion of thermal energy into electrical energy.

Claims

Thermoelectric generator module containing a thermosiphon partially filled with a heat-transfer fluid, heat-receiving tubes, a combustion chamber with a heat-receiving tubes heating device, thermoelectric batteries placed on the outer surface of a thermosyphon, a second thermosyphon partially filled with a heat-transfer fluid and located on its outer surface parts air cooler, characterized in that the combustion chamber with a heating device The tubes are equipped with a discharge pipe for combustion products with ring geometry located on this pipeline with thermoelectric batteries, on the outer surface of which there is a heat exchanger with coolant in the form of natural gas supplied from the main gas pipeline to the heating device for heat-receiving tubes.