RU217290U1 - Унифицированный утилизационный термоэлектрический генератор морского исполнения - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к судостроению, а именно к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, для утилизации теплоты рабочих сред в судовых энергетических установках. Предложенные усовершенствования генератора обеспечивают увеличение полноты использования теплового ресурса. За счет чего обеспечивается повышение производительности генератора, заключающееся в увеличении количества вырабатываемой им электрической и тепловой энергии. Унифицированная конструкция генератора позволяет применять его для утилизации теплоты как газообразных, так и жидких сред. Преобразование теплоты горячей среды в полезную энергию осуществляется в термоэлектрической сборке, состоящей из перекрестно расположенных пластинчато-ребристых охладителей и нагревателей, чередующихся между собой, и слоев термоэлектрических генераторных модулей, располагаемых между аппаратами. Количество теплообменных аппаратов в каждом конкретном агрегате определяется в зависимости от требований, установленных для рабочих сред. Трубная обвязка позволяет подводить охлаждающую воду к генератору и отводить от него за пределами термоэлектрической сборки несколькими параллельными потоками, каждый из которых может протекать последовательно через несколько промежуточных охладителей, а один из потоков дополнительно - параллельно через два крайних охладителя, экранирующих сборку.

Description

Полезная модель относится к судостроению, а именно к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, для утилизации теплоты рабочих сред в судовых энергетических установках (СЭУ).

Известны термоэлектрические генераторы (ТЭГ), конструкция которых предполагает использование в качестве источника теплоты горячей среды в одном определенном агрегатном состоянии - жидком, либо газообразном. Среди агрегатов из предыдущего уровня техники, использующих жидкую горячую среду, одним из наиболее близких по конструкции является термоэлектрический генератор (см. патент на изобретение RU 2160944 C1, 1999 г.), содержащий установленные друг над другом плоские бачки для горячей и холодной сред и термоэлементы, уложенные между бачками, которые, при стягивании соединительными шпильками, образуют единый пакет. ТЭГ применяется в качестве теплового насоса, т.е. для обеспечения некоторой холодопроизводительности за счет реализации эффекта Пельтье, возникающего при подводе электрического тока от внешней цепи к термоэлементам. При работе в генераторном режиме - по прямому термодинамическому циклу - предложенная компоновка не позволяет эффективно реализовать тепловой ресурс газообразных горячих сред, т.к. бачки горячей среды соединены друг с другом гидравлически последовательно, что увеличивает аэродинамическое сопротивление ТЭГ и приводит к необходимости отводить горячую среду недоохлажденной. Дополнительно последовательное соединение всех бачков холодной среды исключает применение многопоточной гидравлической схемы, из-за чего возрастает средняя температура холодной среды в ТЭГ и снижается термический КПД. К тому же компоновкой генератора предполагается расположение в непосредственной близости от термоэлементов гидравлических соединений между бачками, состоящих из гибких шлангов и хомутов, нарушение герметичности которых создает угрозу повреждения термоэлементов.

Одним из наиболее близких по конструкции ТЭГ, использующих газообразную горячую среду, из предыдущего уровня техники является применяемый в составе системы утилизации теплоты для морского сооружения (см. англ. KR Patent No. 101588682, System for recycling waste heat for offshore structure, 2015 г. ). ТЭГ содержит попеременно расположенные теплообменные аппараты (ТА) для горячей и холодной сред, которые протекают в них в перекрестном направлении, и термоэлектрические устройства, установленные между ТА. ТЭГ используется для преобразования теплоты отработавших газов двигателей, находящихся на борту морского сооружения, в электрическую энергию. С одной стороны, в ТЭГ газообразная горячая среда протекает через все ТА параллельно, что, по сравнению с предыдущим прототипом, обеспечивает меньшее аэродинамическое сопротивление в ее тракте, но, с другой стороны, все охладители ТЭГ гидравлически также соединены параллельно, что приводит к неоправданному увеличению расхода холодной среды. К тому же в ТА генератора отсутствуют интенсификаторы теплоотдачи, а за пределами ТА в ТЭГ не предусмотрено дополнительных средств снижения сопротивления протеканию сред.

Заявляемая полезная модель решает задачу повышения полноты использования теплового ресурса газообразных и жидких сред термоэлектрическими генераторами. В предлагаемом решении сохраняется высокая надежность генератора, к которой, при эксплуатации на борту объектов морской техники, предъявляются повышенные требования.

Общее устройство ТЭГ проиллюстрировано:

- гидравлической схемой трактов жидкой холодной среды (фиг.1);

- аэродинамической схемой тракта газообразной горячей среды (фиг.2);

- схемой размещения слоя термоэлектрических генераторных модулей, для которого выполнено адаптивное конфигурирование (фиг.3);

- видом на трехмерную модель ТЭГ с разнесенными частями, утилизирующего теплоту газообразной горячей среды, подводимой и отводимой коллекторами, с размещенными в них обтекателями, охлаждаемого жидкой средой, протекающей по двум параллельным группам охладителей, и для слоев термоэлектрических генераторных модулей которого выполнено адаптивное конфигурирование (фиг.4).

На фиг. 1-4 приведены следующие позиции: 1 - нагреватель ТЭГ, 2 - промежуточный охладитель ТЭГ, 3 - крайний охладитель ТЭГ, 4 - термоэлектрический слой (ТЭС), 5 - впускной газовый коллектор, 6 - выпускной газовый коллектор, 7 - трубная обвязка, 8 - прокладка ТА, 9 - прокладка газового коллектора, 10 - прокладка водяного коллектора, 11 - стяжной крепеж, 12 - основание ТА, 13 - боковая стенка ТА, 14 - гофрированный лист оребрения, 15 - бобышка под стяжной крепеж (на фиг. 4 видна при «срезанном» угле нагревателя), 16 - бобышка под фланец газового коллектора, 17 - стенка полости ТЭС, 18 - полоса под фланец газового коллектора, 19 - патрубок охладителя прямой, 20 - патрубок охладителя с отводом, 21 - обтекатель, 22 - раздающие коллекторы крайних охладителей, 23 - раздающие коллекторы промежуточных охладителей, 24 - собирающие коллекторы крайних охладителей, 25 - собирающие коллекторы промежуточных охладителей, 26 - собирающие трубы, 27 - подвод воды, 28 - отвод воды, 29 - присоединительный патрубок газового коллектора, 30 - диффузор, 31 - стабилизирующий патрубок диффузора, 32 - конфузорная зона коллектора, 33 - стабилизирующая зона обтекателей, 34 - начало оребрения нагревателей, 35 - термоэлектрический модуль (ТЭМ), 36 - невостребованная ячейка ТЭС, 37 - первый ряд ТЭМ по направлению тока горячей среды, 38 - последний ряд ТЭМ по направлению тока горячей среды.

Технический результат: повышение производительности унифицированного утилизационного термоэлектрического генератора морского исполнения, заключающееся в увеличении количества вырабатываемой им электрической и тепловой энергии.

Достижение технического результата обеспечивается совокупностью конструктивных решений, применяемых к ТЭГ, в котором осуществляется прямое преобразование бросового тепла СЭУ в полезную электрическую энергию с нагревом холодной среды, которая может быть использована для обеспечения тепловой энергией общесудовых потребителей. Унифицированность конструкции ТЭГ подразумевает возможность его применения для утилизации теплоты как газообразных рабочих сред СЭУ (например, отработавших газов и наддувочного воздуха), так и жидких (например, охлаждающей воды и смазывающего масла) и взаимозаменяемость элементов ТЭГ различного назначения. Охлаждение ТЭГ осуществляется жидкой средой (например, пресной или забортной водой). В качестве предпочтительного материала ТА генератора следует использовать медные сплавы с высокой теплопроводностью; прочие элементы, кроме указанных особо, - стальные.

Генерирующая часть ТЭГ представляет собой термоэлектрическую сборку, состоящую из попеременно располагаемых пластинчато-ребристых нагревателей и охладителей, между которыми размещаются ТЭС. Количество ТА и, соответственно, ТЭС определяется параметрами сред, протекающих через генератор. С одной стороны, принятое количество нагревателей должно отводить в ТЭС заданное количество теплоты от горячей среды с определенным расходом. С другой стороны, принятое количество охладителей должно отводить тепловой поток от ТЭС в холодную среду с заданным расходом без ее перегрева. Пластины оснований модулей ТЭС, изготавливаемые из электроизолирующих материалов, сопрягаются с ТА через слой термопасты.

В общем случае в состав одного ТЭГ может входить до трех конструктивно различающихся видов ТА: нагреватель, промежуточный и крайний охладители. Промежуточные охладители располагаются между нагревателями, а крайние - по краям термоэлектрической сборки и работают только на один нагреватель. Таким образом все нагреватели оказываются расположенными между охладителями, с обеспечением минимальной площади поверхности теплообмена нагревателей с окружающей средой. Дополнительно на паразитные теплообменные поверхности ТА, как и на прочие элементы ТЭГ, может быть нанесена тепловая изоляция.

Крайние охладители отличаются от промежуточных меньшей высотой канала и примерно вдвое меньшим расходом холодной среды, что обеспечивает близкие температурные режимы работы ТЭС и исключает существенные различия в электрических режимах работы слоев.

ТА располагаются в термоэлектрической сборке таким образом, чтобы горячая и холодная среды протекали друг относительно друга в перекрестных направлениях. При применении нескольких ТА для каждой из сред перекрестный ток упрощает их подвод к ТЭГ и отвод от него.

ТА генератора имеют пластинчато-ребристое исполнение. Они состоят из плоских листов оснований (фиг.3, поз.12), боковых стенок (фиг.4, поз.13) и гофрированных листов оребрения (поз.14). Плоские, прямоугольные листы оснований ТА позволяют равномерно разместить на них необходимое количество прямоугольных ТЭМ, а оребрение из гофрированных листов существенно интенсифицирует теплоотдачу. Форма гофров определяется в зависимости от используемых сред. Например, для воды достаточно сплошного прямоугольного оребрения, для наддувочного воздуха может применяться рассечное оребрение сложной формы, для отработавших газов минимизация сажеобразования должна быть обеспечена увеличенным шагом оребрения и т.д. В оребрении должны быть образованы цилиндрические полости, в которых размещаются бобышки с осевым отверстием под стяжной крепеж (поз.15). Соосно ему высверливаются отверстия в листах оснований ТА. Диаметр цилиндрических полостей должен исключать образование глухих каналов в оребрении. Для облегчения конструкции в ТЭГ на фиг. 4 применены двойные боковые стенки.

ТЭС представляют собой совокупность генераторных ТЭМ (поз.35), размещаемых в полостях ТЭГ в соответствии с фиг. 3. Основным критерием выбора типоразмера ТЭМ служит достижение максимальной термоэлектрической добротности его материалом, преобразующим тепловую энергию в электрическую, при обеспечении определенной разности температур между горячими и холодными спаями ветвей термоэлектриков. В ТЭГ на фиг. 4 ТЭС отделяется от окружающей среды и газообразной горячей среды стенкой (поз.17), расположенной на поверхности листа основания охладителя, обращенной к нагревателю, и прокладкой поз.8.

ТЭС имеет прямоугольный контур. В нем условно выделяются ряды ячеек, в которых находятся ТЭМ. В случае использования горячей среды с малой теплоемкостью - газообразной - количество ТЭМ в рядах ТЭС (по направлению тока горячей среды) может быть переменным и определяется с помощью адаптивного конфигурирования. Адаптивное конфигурирование ТЭС заключается в проектировании расположений ТЭМ, которые предполагают наличие в составе слоя невостребованных ячеек (поз.36), выполняемом на основании проектного расчета генератора. Минимальное количество ТЭМ (максимальное количество невостребованных ячеек) соответствует первому ряду (поз.37); в последнем ряду (поз.38) невостребованные ячейки должны отсутствовать. В примере на фиг. 4 невостребованные ячейки имеются в первых пяти рядах, а их количество изменяется от шести в первом ряду до двух в пятом ряду. Адаптивное конфигурирование ТЭС позволяет обеспечить работу ТЭМ в средних рядах слоя на больших перепадах температуры, что увеличивает их производительность. Одновременно возрастает производительность ТЭМ, используемых в первых рядах, поскольку возрастают площади поверхностей теплообмена, приходящиеся на один модуль. В результате удается обеспечить примерно ту же производительность ТЭГ, что и у генератора без невостребованных ячеек, но с использованием меньшего количества ТЭМ. Когда адаптивное конфигурирование ТЭС приводит к снижению интенсивности охлаждения горячей среды, достаточному для увеличения количества рядов ТЭМ, обеспечивается существенное повышение электрической мощности генератора.

В электрической цепи отдельные ТЭМ могут быть соединены друг с другом как последовательно, так и параллельно - в зависимости от параметров электрического тока, требуемых во внешней электроэнергетической цепи. Наибольшая простота конструкции ТЭС достигается последовательным соединением всех ТЭМ в одном слое, однако, наибольшая производительность ТЭГ будет обеспечена, если последовательно соединены ряды ТЭМ из различных слоев ТЭГ, работающие в примерно одинаковых температурных условиях.

В ТЭС обеспечиваются зазоры между соседними ТЭМ и между ТЭМ и стенками полости ТЭС (поз.17), необходимые для электрического соединения и для прохода стяжного крепежа (поз.11) сквозь слой. Подвод кабелей к ТЭС и отвод от него выполняется через отверстия, образуемые в стенках полости ТЭС и, при необходимости, герметизируемые, с любой из сторон охладителя при использовании жидкой горячей среды и со сторон, в которые обращены патрубки охладителей, при использовании газообразной горячей среды. Невостребованный объем полостей ТЭС заполняется теплоизолирующим материалом.

Стяжной крепеж, прижимающий друг к другу ТА и ТЭС (фиг.4, поз.11), обеспечивает:

1) фиксацию элементов термоэлектрической сборки друг относительно друга;

2) давление теплообменных поверхностей ТА на наружные поверхности ТЭМ, необходимое для минимизации контактных тепловых сопротивлений;

3) герметизацию ТЭС при использовании газообразных теплоносителей. Стяжной крепеж представляет собой электроизолированное резьбовое соединение, проходящее насквозь через все ТЭС и ТА (в бобышках поз.15). Момент затяжки при монтаже крепежа должен устанавливаться с учетом прижимного усилия, направляемого на ТЭС при тепловом расширении ТА. Дополнительно, для компенсации тепловых расширений, в крепеже могут применяться гибкие элементы. Возможный разброс по вертикальному габариту ТЭМ компенсируется пластичностью прокладок поз.8. Количество точек крепления и диаметр резьбы крепежа определяются из условия эффективного выполнения им всех вышеперечисленных функций.

Для жидких рабочих сред в ТЭГ применяется многопоточная последовательно-параллельная гидравлическая схема. Пример данной схемы приведен на фиг. 1 для холодной среды. В гидравлической схеме жидкой горячей среды отсутствуют поз.3, 22, 24 и 26. Гидравлическая схема подразумевает разделение подводимой к ТЭГ среды на несколько потоков, каждый из которых протекает через отдельную группу последовательно соединенных ТА. Последовательное соединение нескольких ТА позволяет обеспечить высокую полноту использования теплового ресурса теплоемкой жидкой горячей среды и сократить расход холодной среды через ТЭГ. Оба крайних охладителя ТЭГ относятся к одной группе ТА, соединяются друг с другом параллельно и последовательно с остальными ТА своей группы. Применение нескольких параллельных групп ТА позволяет обеспечить соответствие требованиям по гидравлическому сопротивлению для каждой из сред и исключить перегрев холодной среды. ТА, работающие на жидкой среде, для соединения на удалении от ТЭС друг с другом и с трубной обвязкой (поз.7) имеют патрубки: прямые (поз.19) и с отводом (поз.20). На фиг. 4 данные соединения выполнены фланцевыми, через прокладки поз.10. Патрубки, располагаемые на торцевых поверхностях ТА, обеспечивают минимизацию гидравлических сопротивлений при продольном подводе среды к их оребренным областям и отводе от них, а также при развороте среды между ТА, каналы которых соединены друг с другом. Для обеспечения удобства обслуживания ТЭГ, по меньшей мере, один из патрубков должен быть прямым, а трубная обвязка должна иметь промежуточные путевые соединения (не показаны). Необходимость оснащения отводом патрубка крайнего охладителя и его угол определяются из условия обеспечения взаимного расположения элементов трубной обвязки. Трубная обвязка обеспечивает подвод и отвод среды и, при необходимости, ее разделение на несколько потоков. Для этого в ее состав входят:

1) трубы подвода к ТЭГ жидкой среды (поз.27), разделенной на потоки;

2) раздающие коллекторы (поз.22, 23), которые распределяют среду по проходному сечению первого ТА группы, либо - дополнительно для охладителей - следующего за крайними ТА;

3) собирающие коллекторы (поз.24, 25), которые отводят среду от последнего ТА группы, либо - дополнительно для охладителей - от крайних охладителей ТЭГ;

4) собирающие трубы (поз.26), подводящие в раздающий коллектор холодную среду, прошедшую параллельно через два крайних охладителя;

5) трубы отвода жидкой среды от ТЭГ (поз.28).

Данная конструкция обвязки позволяет обеспечить соединение ТЭГ с внешними трактами жидких сред за пределами термоэлектрической сборки и исключить повреждения ТЭС при нарушении герметичности этих соединений. Подвод сред к коллекторам и отвод от них может осуществляться как одной трубой, так и несколькими трубами параллельно. В случае разделения среды на несколько потоков гидравлические сопротивления соответствующих групп ТА могут различаться. Поэтому, для равномерного распределения расхода среды по группам ТА, в обвязке должны применяться средства дросселирования избыточных напоров (не показаны).

В тракте газообразной горячей среды все нагреватели располагаются параллельно, т.к. газы требуется прокачивать через ТЭГ с существенно меньшими потерями давления. Перераспределение аэродинамических сопротивлений между проточной частью термоэлектрической сборки и прочими местными сопротивлениями в пользу первой позволяет увеличить генерируемую электрическую мощность либо за счет удлинения нагревателей и увеличения полезной площади ТЭС, либо за счет повышения скорости газа и интенсификации теплообмена. Сам же поток газообразной среды, благодаря меньшей теплоемкости, может быть охлажден до предельной температуры при прохождении лишь через один ТА. Протекание газообразной среды через ТЭГ происходит в соответствии со схемой на фиг. 2. Схемой предполагается подвод горячей среды впускным газовым коллектором из тракта СЭУ к термоэлектрической сборке и отвод от нее выпускным газовым коллектором. В ТЭГ на фиг. 4 применено фланцевое соединение газовых коллекторов с термоэлектрической сборкой. Для присоединения фланцев газовых коллекторов к термоэлектрической сборке все ТА оснащены бобышками с глухими резьбовыми отверстиями (поз.16), а на крайних охладителях ТЭГ дополнительно установлены полосы со сквозными отверстиями (поз.18). Впускной и выпускной газовые коллекторы обеспечивают минимизацию аэродинамических сопротивлений при поступлении газов из тракта СЭУ в термоэлектрическую сборку и при возвращении газов в тракт.Впускной и выпускной коллекторы имеют одинаковую конструкцию. Впускной коллектор в направлении «по потоку» представляет собой следующую последовательность зон:

1) присоединительный патрубок (поз.29), представляющий из себя трубу с проходным сечением, аналогичным сечению в тракте СЭУ;

2) пирамидальный диффузор (поз.30), обеспечивающий плавный переход проходного сечения присоединительного патрубка в прямоугольное с шириной, соответствующей ширине канала нагревателя на входе, и высотой, равной расстоянию между основаниями нагревателей, прилегающих к крайним охладителям, либо несколько превышающей его (при наличии конфузорной зоны поз.32);

3) стабилизирующий патрубок диффузора (поз.31), спрямляющий поток за диффузором;

4) область резкого изменения проходного сечения в месте начала оребрения нагревателей (поз.34).

Перед поступлением в пространство, расположенное непосредственно под первым рядом ТЭМ, потоки газа успевают стабилизироваться, проходя под стенкой полости ТЭС (поз.17) и зазором между стенкой и первым рядом ТЭМ. Покидая термоэлектрическую сборку, газы проходят перечисленные зоны в обратном порядке.

Конфузорные зоны обеспечивают равномерное плавное распределение горячей среды по нагревателям и отвод от них, за счет чего достигается дополнительное снижение аэродинамического сопротивления и создается возможность увеличить мощность ТЭГ вышеприведенными способами. Конфузорная зона образуется стенками коллектора и обтекателями (поз.21). В конфузорной зоне расстояние между боковыми стенками коллектора по высоте плавно изменяется от значения в прямоугольном основании пирамидального диффузора, превышающего расстояние между основаниями нагревателей, прилегающих к крайним охладителям, до соответствующего этому расстоянию. Головка обтекателя имеет треугольный профиль с вершиной, расположенной в начале конфузорной зоны, и основанием - в ее конце. Между боковыми сторонами головок соседних обтекателей и между стороной головки обтекателя и стенкой конфузорной зоны коллектора образуются равные углы. Основание обтекателя устанавливается на боковой стенке промежуточного охладителя заподлицо с поверхностями оснований соседних нагревателей, образующими их проточные части, и прикрывает собой прокладки ТА (поз.8), дополнительно герметизируя полости ТЭС со стороны потока газа. На входе в ТЭС параметры разделенного на потоки газа выравниваются в стабилизирующей зоне поз.33. На выходе из ТЭС эта зона используется для стабилизации параметров после внезапного расширения потока у окончания оребрения нагревателя (поз.34 со стороны поз.6).

Если нагретая в ТЭГ холодная среда затем используется для нужд теплофикации, то полная производительность ТЭГ существенно возрастает, поскольку отводимая от него с холодной средой теплота используется полезно. Необходимая для потребителей тепловой энергии температура холодной среды на выходе из генератора обеспечивается последовательным гидравлическим соединением в одну группу определенного количества промежуточных охладителей.

Предложенный унифицированный термоэлектрический генератор морского исполнения, утилизирующий теплоту газообразной горячей среды, подводимой и отводимой коллекторами, с размещенными в них обтекателями, охлаждаемый жидкой средой, протекающей по двум параллельным группам охладителей, и для слоев термоэлектрических генераторных модулей которого выполнено адаптивное конфигурирование, работает следующим образом.

Газ из тракта СЭУ подводится к присоединительному патрубку газового коллектора (поз.29), из которого он, не изменяя своих параметров, поступает в диффузор (поз.30). В диффузоре газ расширяется до проходного сечения, примерно соответствующего поперечным габаритам термоэлектрической сборки. После чего происходит выравнивание параметров газа в стабилизирующем патрубке диффузора (поз.31). Из стабилизирующего патрубка газ поступает в конфузорную зону коллектора (поз.32), в которой он разделяется на параллельные потоки с равными расходами и, плавно сжимаясь, поступает в стабилизирующую зону обтекателей (поз.33). В стабилизирующей зоне обтекателей потоки газа спрямляются и подводятся к нагревателям ТЭГ (поз.1). При этом происходит некоторая дополнительная потеря давления потоками газа из-за резкого изменение проходного сечения у торцевых поверхностей оребрения нагревателей (поз.34). При протекании параллельных потоков газа через пластинчато-ребристые нагреватели ТЭГ происходит интенсивный отвод теплоты от них в основания аппаратов, сопровождающийся снижением температуры горячей среды. В поперечных сечениях проточной части нагревателя, соответствующих первому ряду ТЭС (поз.37) и четырем последующим рядам, имеющим невостребованные ячейки (поз.36), происходит неравномерное охлаждение среды. Наиболее интенсивно теплота отводится от областей, под которыми расположены ТЭМ, выступающие в качестве тепловых мостов, а от областей, под которыми находятся невостребованные ячейки (заполненные теплоизолирующим материалом) тепловой поток может отводиться основаниями ТА лишь к соседним ТЭМ с существенно меньшим снижением температуры газа. Газ из различных областей одного поперечного сечения, турбулентно протекающий от ряда к ряду ТЭМ, перемешивается благодаря наличию зазоров между гофрированными листами (поз.14) - особенно при применении рассечного оребрения - и цилиндрических полостей вокруг бобышек стяжного крепежа (поз.15). Таким образом, при взаимодействии с рядом ТЭМ, имеющим невостребованные ячейки, происходит уменьшение спада средней температуры газа на участке нагревателя относительно максимально достижимого для данного ряда, и к ТЭМ следующего ряда теплота подводится с повышенной температурой. Из нагревателей потоки газа поступают в выпускной газовый коллектор (поз.6). В нем процессы для газа происходят в последовательности, обратной описанной для впускного коллектора. В результате чего потоки перемешиваются, объединяются в единый поток, который сжимается и отводится от ТЭГ.

Холодная среда из тракта СЭУ разделяется на два параллельных потока. Один из потоков подводится к раздающему коллектору промежуточного охладителя ТЭГ (поз.23 на фиг. 1 и 4 справа) первой группы, а другой - параллельно к двум раздающим коллекторам крайних охладителей (поз.22) второй группы. Раздающими коллекторами холодная среда распределяется через соединительные патрубки (поз.19, 20) по каналам охладителей ТЭГ (поз.2, 3). Протекая в пластинчато-ребристых охладителях, она отводит теплоту от оснований аппаратов и интенсивно нагревается до предельной температуры, требуемой для подвода к потребителям тепловой энергии. Между промежуточными охладителями одной группы, соединенными последовательно, холодная среда протекает по патрубкам поз.19, 20. В них она стабилизируется после выхода из оребренной области одного ТА, изменяет свое направление на противоположное и спрямляется перед поступлением в следующий ТА. Из последнего промежуточного охладителя каждой группы холодная среда поступает в свой собирающий коллектор поз.25. Из крайних охладителей холодная среда поступает в собирающие коллекторы поз.24 и, для подвода в общий промежуточный охладитель, отводится собирающими трубами (поз.26) в его раздающий коллектор (поз.23 на фиг. 1 и 4 слева). При примерно равных скоростях сред и удельных площадях поверхностей теплообмена промежуточного и крайнего охладителей от их рабочих оснований отводятся примерно равные тепловые потоки, что соответствует равным изменениям температуры холодной среды при протекании через аппараты. Из собирающих коллекторов промежуточных охладителей нагретая холодная среда возвращается в тракт СЭУ.

Когда через нагреватели ТЭГ протекает горячая среда, а через охладители - холодная, между поверхностями ТЭМ, соприкасающимися с основаниями ТА, возникает разность температур, и тепловой поток проходит параллельно через все ТЭМ одного ТЭС.Наличие конструктивных тепловых сопротивлений с горячей и холодной сторон ТЭГ приводит к получению несколько меньшей разности температур непосредственно между горячими и холодными спаями термоэлектрических ветвей ТЭМ. В соответствии с эффектом Зеебека разность температур между спаями приводит к возникновению термоЭДС, величина которой прямо пропорциональна значению этой разности. ТермоЭДС суммируются для ТЭМ генератора, соединенных электрически последовательно. Благодаря наличию невостребованных ячеек в рядах ТЭС, первых по потоку горячей среды, спад суммарной термоЭДС для них в каждом последующем ряду происходит плавно. Получаемая термоЭДС, в зависимости от электрического сопротивления ТЭГ и внешней цепи, обеспечивает определенную силу электрического тока, протекающего через нагрузку с падением напряжения на ней, т.е. ТЭГ развивает определенную электрическую мощность. На нагрев холодной среды затрачивается часть тепловой энергии, не преобразованная в электрическую. Таким образом ТЭГ вырабатывает электрическую и тепловую энергию.

Claims (10)

1. Унифицированный утилизационный термоэлектрический генератор морского исполнения, содержащий два крайних охладителя и один нагреватель между ними, расположенные с обеспечением перекрестного направления каналов крайних охладителей и нагревателя, и по одному слою термоэлектрических генераторных модулей, расположенному между ними, совместно образующие термоэлектрическую сборку, отличающийся тем, что нагреватель и крайние охладители с входным и выходным патрубками на торцевых поверхностях крайних охладителей, по меньшей мере, один из которых является прямым, имеют пластинчато-ребристое исполнение, и применена трубная обвязка для жидкой холодной среды с двумя раздающими коллекторами крайних охладителей, соединенными за пределами термоэлектрической сборки с входными патрубками крайних охладителей, двумя собирающими коллекторами крайних охладителей, соединенными за пределами термоэлектрической сборки с выходными патрубками крайних охладителей, и трубами параллельного подвода жидкой холодной среды к раздающим коллекторам крайних охладителей и параллельного отвода от собирающих коллекторов крайних охладителей.

2. Унифицированный утилизационный термоэлектрический генератор морского исполнения по п.1, отличающийся наличием в составе термоэлектрической сборки двух нагревателей с параллельными каналами, расположенного между ними промежуточного охладителя пластинчато-ребристого исполнения с входным и выходным патрубками на торцевых поверхностях, по меньшей мере, один из которых является прямым, имеющего в два раза большее проходное сечение, чем у крайних охладителей, с каналом, параллельным их каналам, и слоев термоэлектрических генераторных модулей, расположенных по одному на основаниях промежуточного охладителя, и наличием в составе трубной обвязки для жидкой холодной среды одного раздающего коллектора промежуточного охладителя, соединенного за пределами термоэлектрической сборки с входным патрубком промежуточного охладителя, одного собирающего коллектора промежуточного охладителя, соединенного за пределами термоэлектрической сборки с выходным патрубком промежуточного охладителя, с трубами, по которым жидкая холодная среда отводится от него, и соединений труб отвода жидкой холодной среды от собирающих коллекторов крайних охладителей с раздающим коллектором промежуточного охладителя.

3. Унифицированный утилизационный термоэлектрический генератор морского исполнения по п.1, отличающийся наличием в составе термоэлектрической сборки, по меньшей мере, трех нагревателей с параллельными каналами, расположенными между ними промежуточными охладителями пластинчато-ребристого исполнения с входным и выходным патрубками на торцевых поверхностях, по меньшей мере, один из которых является прямым, имеющими в два раза большее проходное сечение, чем у крайних охладителей, с каналами, параллельными их каналам, и образующими одну группу гидравлически последовательно соединенных промежуточных охладителей, к которой относятся оба крайних охладителя и в которой патрубок с отводом каждого промежуточного охладителя группы присоединяется к прямому патрубку следующего промежуточного охладителя группы, и слоев термоэлектрических генераторных модулей, расположенных по одному на основаниях каждого промежуточного охладителя, и наличием в составе трубной обвязки для жидкой холодной среды одного раздающего коллектора промежуточного охладителя, соединенного за пределами термоэлектрической сборки с входным патрубком промежуточного охладителя, расположенного по току жидкой холодной среды следующим за крайними охладителями, одного собирающего коллектора промежуточного охладителя, соединенного за пределами термоэлектрической сборки с выходным патрубком последнего по току жидкой холодной среды промежуточного охладителя, с трубами, по которым жидкая холодная среда отводится от него, и соединений труб отвода жидкой холодной среды от собирающих коллекторов крайних охладителей с раздающим коллектором промежуточного охладителя.

4. Унифицированный утилизационный термоэлектрический генератор морского исполнения по п.1, отличающийся наличием в составе термоэлектрической сборки двух нагревателей с параллельными каналами, расположенного между ними промежуточного охладителя пластинчато-ребристого исполнения с входным и выходным патрубками на торцевых поверхностях, по меньшей мере, один из которых является прямым, имеющего в два раза большее проходное сечение, чем у крайних охладителей, с каналом, параллельным их каналам, и слоев термоэлектрических генераторных модулей, расположенных по одному на основаниях промежуточного охладителя, и наличием в составе трубной обвязки для жидкой холодной среды одного раздающего коллектора промежуточного охладителя, соединенного за пределами термоэлектрической сборки с входным патрубком промежуточного охладителя, с трубами, по которым жидкая холодная среда, вместе с трубами ее параллельного подвода к раздающим коллекторам крайних охладителей, подводится параллельными потоками, и одного собирающего коллектора промежуточного охладителя, соединенного за пределами термоэлектрической сборки с выходным патрубком промежуточного охладителя, с трубами, по которым жидкая холодная среда, вместе с трубами ее отвода от собирающих коллекторов крайних охладителей, отводится параллельными потоками.

5. Унифицированный утилизационный термоэлектрический генератор морского исполнения по п.1, отличающийся наличием в составе термоэлектрической сборки, по меньшей мере, трех нагревателей с параллельными каналами, расположенными между ними промежуточными охладителями пластинчато-ребристого исполнения с входным и выходным патрубками на торцевых поверхностях, по меньшей мере, один из которых является прямым, имеющими в два раза большее проходное сечение, чем у крайних охладителей, с каналами, параллельными их каналам, и образующими, по меньшей мере, одну группу гидравлически последовательно соединенных промежуточных охладителей, соединенную с крайними охладителями гидравлически параллельно, в которой патрубок с отводом каждого промежуточного охладителя группы присоединяется к прямому патрубку следующего промежуточного охладителя группы, и слоев термоэлектрических генераторных модулей, расположенных по одному на основаниях каждого промежуточного охладителя, и наличием в составе трубной обвязки для жидкой холодной среды, по меньшей мере, одного раздающего коллектора промежуточного охладителя, соединенного за пределами термоэлектрической сборки с входным патрубком промежуточного охладителя, расположенного первым по току жидкой холодной среды в своей группе, с трубами, по которым жидкая холодная среда, вместе с трубами ее параллельного подвода к раздающим коллекторам крайних охладителей, подводится параллельными потоками, и, по меньшей мере, одного собирающего коллектора промежуточного охладителя, соединенного за пределами термоэлектрической сборки с выходным патрубком промежуточного охладителя, расположенного последним по току жидкой холодной среды в той же группе, с трубами, по которым жидкая холодная среда, вместе с трубами ее отвода от собирающих коллекторов крайних охладителей, отводится параллельными потоками.

6. Унифицированный утилизационный термоэлектрический генератор морского исполнения по п.1, отличающийся наличием в составе термоэлектрической сборки, по меньшей мере, трех нагревателей с параллельными каналами, расположенными между ними промежуточными охладителями пластинчато-ребристого исполнения с входным и выходным патрубками на торцевых поверхностях, по меньшей мере, один из которых является прямым, имеющими в два раза большее проходное сечение, чем у крайних охладителей, с каналами, параллельными их каналам, и образующими, по меньшей мере, две группы гидравлически последовательно соединенных промежуточных охладителей, к одной из которых относятся оба крайних охладителя, в каждой из которых патрубок с отводом каждого промежуточного охладителя группы присоединяется к прямому патрубку следующего промежуточного охладителя группы, и слоев термоэлектрических генераторных модулей, расположенных по одному на основаниях каждого промежуточного охладителя, и наличием в составе трубной обвязки для жидкой холодной среды, по меньшей мере, двух раздающих коллекторов промежуточных охладителей, один из которых соединен за пределами термоэлектрической сборки с входным патрубком промежуточного охладителя, расположенного по току жидкой холодной среды следующим за крайними охладителями своей группы, а другой соединен за пределами термоэлектрической сборки с входным патрубком промежуточного охладителя, расположенного первым по току жидкой холодной среды в своей группе, с трубами для последнего, по которым жидкая холодная среда, вместе с трубами ее параллельного подвода к раздающим коллекторам крайних охладителей, подводится к каждому из них параллельными потоками, по меньшей мере, двух собирающих коллекторов промежуточных охладителей, соединенных за пределами термоэлектрической сборки с выходными патрубками промежуточных охладителей, расположенных последними по току жидкой холодной среды в своих группах, с трубами, по которым жидкая холодная среда отводится от каждого из них параллельными потоками, и соединений труб отвода жидкой холодной среды от собирающих коллекторов крайних охладителей с раздающим коллектором промежуточного охладителя, соединенного с промежуточным охладителем их группы.

7. Унифицированный утилизационный термоэлектрический генератор морского исполнения по любому из пп.1-6, отличающийся наличием впускного и выпускного коллекторов газообразной горячей среды, каждый из которых одним концом присоединяется к термоэлектрической сборке с одной из сторон, в которую обращены каналы нагревателей, а на другом конце имеет присоединительный патрубок, с проходным сечением, по ширине плавно увеличивающимся от проходного сечения присоединительного патрубка до соответствующего каналу нагревателя на входе и по высоте ограниченным каналами нагревателей, прилегающих к крайним охладителям.

8. Унифицированный утилизационный термоэлектрический генератор морского исполнения по любому из пп.2-6, отличающийся наличием впускного и выпускного коллекторов газообразной горячей среды, каждый из которых одним концом присоединяется к термоэлектрической сборке с одной из сторон, в которую обращены каналы нагревателей, а на другом конце имеет присоединительный патрубок, с внутренним поперечным сечением, по ширине плавно увеличивающимся от проходного сечения присоединительного патрубка до соответствующего каналу нагревателя на входе и по высоте сначала плавно увеличивающимся от проходного сечения присоединительного патрубка за пределы каналов нагревателей, прилегающих к крайним охладителям, а затем уменьшающимся до этих каналов, и обтекателей с вершинами, расположенными вблизи проходных сечений коллекторов, соответствующих началу сужения их стенок перед термоэлектрической сборкой, устанавливаемых на боковых стенках всех промежуточных охладителей.

9. Унифицированный утилизационный термоэлектрический генератор морского исполнения по п.7 или 8, отличающийся тем, что выполнено адаптивное конфигурирование слоев термоэлектрических генераторных модулей.

10. Унифицированный утилизационный термоэлектрический генератор морского исполнения по любому из пп.1-6, отличающийся наличием на торцевых поверхностях нагревателей входного и выходного патрубков для жидкой горячей среды, по меньшей мере, один из которых является прямым, с образованием, по меньшей мере, одной группы нагревателей, соединенных гидравлически последовательно, присоединением патрубка с отводом каждого нагревателя группы к прямому патрубку следующего нагревателя группы, трубной обвязки для жидкой горячей среды с, по меньшей мере, одним раздающим коллектором нагревателя, соединенным за пределами термоэлектрической сборки с входным патрубком нагревателя, расположенного первым по току жидкой горячей среды в своей группе, одним собирающим коллектором нагревателя, соединенным за пределами термоэлектрической сборки с выходным патрубком нагревателя, расположенного последним по току жидкой горячей среды в своей группе, и трубами параллельного подвода жидкой горячей среды к раздающим коллекторам нагревателей и параллельного отвода от собирающих коллекторов нагревателей.

Images