RU222545U1

RU222545U1 - Portable collection device for receiving electrical power

Info

Publication number: RU222545U1
Application number: RU2023130831U
Authority: RU
Inventors: Майя Леонидовна Артемьева; Симеон Владимирович Айневтегин
Filing date: 2023-11-27
Publication date: 2024-01-09

Abstract

Полезная модель относится к переносным устройствам для получения электропитания и для использования, преимущественно, в полевых условиях, где нет доступа к системам электроснабжения, например, в жилищах кочевых народов Крайнего Севера. Технический результат: создание компактного устройства простой конструкции для получения электропитания в походных условиях в холодные времена года, характеризующегося мобильностью, надежностью и удобством пользования. Сборное устройство для получения электропитания, содержащее нагреватель, выполненный в виде замкнутого контура, включающего емкость 2 для рабочей жидкости и теплообменник 4, при этом емкость 2 снабжена опорными ножками и верхним съемным паровым клапаном 1, теплообменник 4 выполнен в виде U-образной изогнутой трубы, подключенной к боковой поверхности емкости 2 на разъемное соединение 10, например, посредством фитингов с быстроразъемной накидной гайкой, через два соединительных патрубка, приваренных по вертикальной оси на уровне верхней половины емкости 2, при этом труба теплообменника 4 с нижней стороны оперта на регулируемую по высоте стойку 5, а на верхней поверхности трубы теплообменника 4 установлена площадка 3, контактирующая с нагреваемой поверхностью термоэлектрического преобразователя 7, к выходной разности потенциалов которого электрически подключены потребители, например, контроллер заряда с буферным аккумулятором 8 и USB-разъем 9. 1 ил. The utility model relates to portable devices for obtaining power and for use primarily in field conditions where there is no access to power supply systems, for example, in the dwellings of nomadic peoples of the Far North. Technical result: creation of a compact device of simple design for obtaining power in camping conditions during cold seasons, characterized by mobility, reliability and ease of use. A prefabricated device for receiving power, containing a heater made in the form of a closed circuit, including a container 2 for working fluid and a heat exchanger 4, while the container 2 is equipped with support legs and an upper removable steam valve 1, the heat exchanger 4 is made in the form of a U-shaped curved pipe, connected to the side surface of the container 2 to a detachable connection 10, for example, by means of fittings with a quick-release union nut, through two connecting pipes welded along the vertical axis at the level of the upper half of the container 2, while the heat exchanger pipe 4 is supported from the bottom side on a height-adjustable stand 5, and on the upper surface of the heat exchanger pipe 4 there is a platform 3, which is in contact with the heated surface of the thermoelectric converter 7, to the output potential difference of which consumers are electrically connected, for example, a charge controller with a buffer battery 8 and a USB connector 9. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к переносным устройствам для получения электропитания и для использования, преимущественно, в полевых условиях, где нет доступа к системам электроснабжения, например, в жилищах кочевых народов Крайнего Севера.The utility model relates to portable devices for receiving power and for use primarily in field conditions where there is no access to power supply systems, for example, in the dwellings of nomadic peoples of the Far North.

Известен мобильный автономный теплоэлектрогенератор (см. RU №2762930, кл. F24Н 1/00, Н01L 35/00, Н01L 35/28, F24B 5/06, опубл. 23.12.2021), содержащий теплоэлектрические секции, представляющие собой радиаторы, изготовленные из тавровых балок, выполненные из материала с высокой теплопроводностью, в которые вставлены плоские термоэлектрические преобразователи. Для данного устройства в качестве топлива используют природный газ, для чего, дополнительно потребуются устройства газопроводов, систем газовой безопасности и сигнализации, что в совокупности существенно ограничивает использование агрегата для мобильных сооружений.A mobile autonomous heat and power generator is known (see RU No. 2762930, class F24Н 1/00, Н01L 35/00, Н01L 35/28, F24B 5/06, publ. 12/23/2021), containing thermoelectric sections, which are radiators made of T-beams made of material with high thermal conductivity, into which flat thermoelectric converters are inserted. This device uses natural gas as fuel, which will additionally require gas pipelines, gas safety and alarm systems, which together significantly limits the use of the unit for mobile structures.

Известно устройство (см. RU №2382479, кл. Н02N 10/00, опубл. 20.02.2010), содержащее генератор электрической энергии и нагреваемые элементы, выполненные из магнитно-мягкого материала с пониженной точкой Кюри и являющиеся составной частью Ф-образной магнитной цепи, состоящей из двух боковых и среднего стержня с воздушными промежутками, снабженными теплопроводом, подводящим тепло от нагревателя.A device is known (see RU No. 2382479, class N02N 10/00, published 02.20.2010) containing an electrical energy generator and heated elements made of soft magnetic material with a low Curie point and being an integral part of an F-shaped magnetic circuit , consisting of two side and middle rods with air gaps equipped with a heat conductor that supplies heat from the heater.

Известное устройство характерно сложностью конструкции и не предназначено для использования в походных условиях.The known device is characterized by a complex design and is not intended for use in field conditions.

Устройство с термоэлектрическим генератором по патенту RU №192304 (кл. H01L 35/28, опубл. 12.09.2019) содержит батарею термоэлектрических генераторов, горячая сторона которой соединена с нагревательным элементом, а холодная сторона - с радиатором. Нагревательный элемент представляет собой горелку с системой электрического зажигания, которая соединена с емкостью для хранения топлива, на которой установлен электрический регулировочный клапан. На нагревательном элементе и на радиаторе установлены датчики температуры. Система управления реализована в виде электрической схемы, собранной на плате управления, к которой присоединяются электрические выводы от батареи термоэлектрических генераторов, от аккумуляторной батареи, и на которой установлены: коммутирующее устройство, преобразователь напряжения, контроллер управления, панель индикации и управления, разъем для присоединения заряжаемого устройства.A device with a thermoelectric generator according to RU patent No. 192304 (cl. H01L 35/28, published September 12, 2019) contains a battery of thermoelectric generators, the hot side of which is connected to a heating element, and the cold side to a radiator. The heating element is a burner with an electric ignition system, which is connected to a fuel storage tank on which an electric control valve is installed. Temperature sensors are installed on the heating element and on the radiator. The control system is implemented in the form of an electrical circuit assembled on a control board, to which electrical leads are connected from a battery of thermoelectric generators, from a rechargeable battery, and on which are installed: a switching device, a voltage converter, a control controller, an indication and control panel, a connector for connecting a chargeable devices.

Недостаток устройства заключается в небезопасности использования в полевых условиях, обусловленной необходимостью снабжения жидким или газообразным горючим топливом, кроме того, подобная эксплуатация не является экономически выгодным.The disadvantage of the device is that it is unsafe to use in field conditions due to the need to supply liquid or gaseous combustible fuel; in addition, such operation is not economically profitable.

Известно устройство автономного энергообеспечения (см. RU №176615, кл. F24B 7/00, F24B 9/00, H01L 35/00, опубл. 24.01.2018), содержащее источник тепла, нагреватель, термоэлектрический генератор и жидкостный охладитель, причем нагреватель выполнен в виде замкнутого контура, включающего бак для воды и конденсатор пара, соединенные между собой верхним и нижним трубопроводами, причем в верхнем трубопроводе установлен на выходе из бака паровой клапан, конденсатор пара контактирует с нагреваемой поверхностью термоэлектрогенератора, а к выходной разности потенциалов термоэлектрогенератора электрически подключен контроллер заряда, буферный аккумулятор и USB-разъем.A device for autonomous power supply is known (see RU No. 176615, class F24B 7/00, F24B 9/00, H01L 35/00, published on January 24, 2018), containing a heat source, a heater, a thermoelectric generator and a liquid cooler, wherein the heater is made in the form of a closed loop, including a water tank and a steam condenser, connected to each other by upper and lower pipelines, and in the upper pipeline a steam valve is installed at the outlet of the tank, the steam condenser is in contact with the heated surface of the thermoelectric generator, and a controller is electrically connected to the output potential difference of the thermoelectric generator charge, buffer battery and USB connector.

Недостатком аналога является малокомпактность и неудобство в использовании в походных условиях Крайнего Севера, обусловленные, прежде всего, наличием жидкостного охладителя, заполняемого при использовании холодной водой.The disadvantage of the analogue is its small compactness and inconvenience in use in camping conditions in the Far North, due, first of all, to the presence of a liquid cooler, which is filled with cold water during use.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка компактной конструкции устройства для получения электропитания, обеспечивающего его автономную и безопасную эксплуатацию в полевых условиях.The problem to be solved by the proposed technical solution is the development of a compact design of a device for obtaining power supply, ensuring its autonomous and safe operation in field conditions.

Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в устройстве для получения электропитания, позволяющего существенно повысить мобильность и удобство в пользовании, надежность и компактность конструкции и упростить обслуживание аппарата.The technical effect obtained by solving the problem is expressed in a device for obtaining power supply, which can significantly increase mobility and ease of use, reliability and compactness of the design and simplify the maintenance of the device.

Для решения поставленной задачи устройство для получения электропитания, содержащее нагреватель, выполненный в виде замкнутого контура, включающего емкость для рабочей жидкости и теплообменник, отличается тем, что емкость снабжена опорными ножками и верхним съемным паровым клапаном, теплообменник выполнен в виде U-образной изогнутой трубы, подключенной к боковой поверхности емкости на разъемном соединении, например, через соединительные патрубки и посредством фитингов с быстроразъемной накидной гайкой, причем, патрубки приварены к емкости по вертикальной оси на уровне верхней половины емкости, при этом труба теплообменника с нижней стороны оперта на регулируемую по высоте стойку, а на верхней поверхности трубы установлена площадка, контактирующая с нагреваемой поверхностью термоэлектрического преобразователя, к выходной разности потенциалов которого электрически подключены потребители, например, контроллер заряда, буферный аккумулятор и USB-разъем. Кроме того, U-образная изогнутая труба теплообменника подключена к емкости на разъемном соединении, для чего, емкость дополнительно оборудована соединительными патрубками, а труба - фитингами с быстроразъемной накидной гайкой.To solve this problem, a device for obtaining power supply containing a heater made in the form of a closed circuit, including a container for working fluid and a heat exchanger, is characterized in that the container is equipped with support legs and an upper removable steam valve, the heat exchanger is made in the form of a U-shaped curved pipe, connected to the side surface of the container at a detachable connection, for example, through connecting pipes and by means of fittings with a quick-release union nut, moreover, the pipes are welded to the container along the vertical axis at the level of the upper half of the container, while the heat exchanger pipe is supported on a height-adjustable stand on the lower side , and on the upper surface of the pipe there is a platform in contact with the heated surface of the thermoelectric converter, to the output potential difference of which consumers are electrically connected, for example, a charge controller, a buffer battery and a USB connector. In addition, the U-shaped curved pipe of the heat exchanger is connected to the container with a detachable connection, for which the container is additionally equipped with connecting pipes, and the pipe is equipped with fittings with a quick-release union nut.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».A comparative analysis of the features of the claimed solution with the features of analogues indicates that the claimed solution meets the “novelty” criterion.

Совокупность признаков полезной модели обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, повышение надежности конструкции устройства для получения электропитания, например, для зарядки электрооборудования и питания освещения в полевых бытовых условиях, как правило, в холодные времена года, где нет доступа к системам электроснабжения. Заявленное устройство может быть востребовано для условий Крайнего Севера и позволит в походных условиях простым способом получать электропитание для оборудования малой энергоемкости.The combination of features of the utility model provides a solution to the stated technical problem, namely, increasing the reliability of the device design for receiving power, for example, for charging electrical equipment and powering lighting in field living conditions, usually in cold seasons, where there is no access to power supply systems. The claimed device may be in demand for the conditions of the Far North and will allow, in field conditions, a simple way to obtain power for low-energy-intensive equipment.

Устройство для получения электропитания иллюстрируется чертежами, где на фигуре показан общий вид.The device for obtaining power supply is illustrated in the drawings, where the figure shows a general view.

Заявляемое устройство представляет собой нагреватель для воды с замкнутым контуром и включает полую металлическую емкость 2 на опорных ножках, снабженную съемным паровым клапаном 1, и теплообменник 4, выполненный в виде изогнутой трубы U-образной формы, присоединенной к боковой поверхности емкости 2 на разъемное соединение 10 через два сквозных отверстия, выбранные по вертикальной оси на уровне верхней половины емкости 2. Снизу труба теплоообменника 4 оперта на регулируемую по высоте стойку 5, при этом с верхней стороны, на месте сгиба трубы приварена горизонтальная площадка 3 для размещения и последующего контактирования с нагреваемой поверхностью термоэлектрического преобразователя 7, к выходной разности потенциалов которого электрически подключены потребители, например, контроллер заряда с буферным аккумулятором 8 и USB-разъем 9 (см. фигуру). Причем площадь площадки 3 может быть увеличена в зависимости от требуемых показателей вырабатываемой электроэнергии и количества размещаемых термоэлементов преобразователя 7, например, удлинена вдоль верхней трубы теплообменника 4.The inventive device is a closed-loop water heater and includes a hollow metal container 2 on support legs, equipped with a removable steam valve 1, and a heat exchanger 4, made in the form of a U-shaped curved pipe attached to the side surface of the container 2 at a detachable connection 10 through two through holes selected along the vertical axis at the level of the upper half of the tank 2. From below, the heat exchanger pipe 4 is supported on a height-adjustable stand 5, while on the upper side, at the bend of the pipe, a horizontal platform 3 is welded for placement and subsequent contact with the heated surface thermoelectric converter 7, to the output potential difference of which consumers are electrically connected, for example, a charge controller with a buffer battery 8 and a USB connector 9 (see figure). Moreover, the area of the platform 3 can be increased depending on the required indicators of generated electricity and the number of placed thermoelements of the converter 7, for example, it can be extended along the upper pipe of the heat exchanger 4.

Заявленное устройство для получения электропитания работает следующим образом.The claimed device for obtaining power operates as follows.

Перед эксплуатацией выполняют сборку оборудования, для чего, трубу теплообменника 4 надежно прикрепляют к соединительным патрубкам емкости 2 на разъемное соединение, выполненное, например, посредством фитинга с быстроразъемной накидной гайкой, изготовленной на трубе. Собранное устройство устанавливают на ровной площадке внутри мобильного помещения или снаружи в зависимости от места использования, для чего, положение трубы теплообменника 4 настраивают посредством регулируемой стойки 5. Под емкостью 2 устраивают место для очага огня, например, для костра или переносной горелки на газовом или жидком топливе. Отвинчивая съемный клапан 1, в емкость 2 помещают рабочую жидкость, например, чистую воду, в количестве 1/5-1/4 ее объема. В зимних условиях воду традиционно можно также получать путем расплавления снега. Далее, емкость 2 с водой вновь закрывают клапаном 1, после чего, на площадке 3 трубы теплообменника 4 размещают термоэлектрический преобразователь 7 известной конструкции, например, на основе элементов Пельтье, к его выходам электрически подключают потребители. Таким образом, устройство подготовлено для работы.Before operation, the equipment is assembled, for which the heat exchanger pipe 4 is securely attached to the connecting pipes of the container 2 using a detachable connection made, for example, by means of a fitting with a quick-release union nut made on the pipe. The assembled device is installed on a flat area inside a mobile room or outside, depending on the place of use, for which the position of the heat exchanger pipe 4 is adjusted using an adjustable stand 5. Under the container 2, a place is arranged for a fire, for example, for a fire or a portable burner on gas or liquid fuel. By unscrewing the removable valve 1, a working fluid, for example, clean water, in an amount of 1/5-1/4 of its volume is placed in container 2. In winter conditions, water can traditionally also be obtained by melting snow. Next, the container 2 with water is again closed with valve 1, after which, on the platform 3 of the pipe of the heat exchanger 4, a thermoelectric converter 7 of a known design, for example, based on Peltier elements, is placed, and consumers are electrically connected to its outputs. Thus, the device is prepared for operation.

Опытный образец заявленного устройства имеет емкость 2 с объемом 5 л, трубу теплообменника 4 длиной около 1,5 м (см. фиг. 2). Разъемное исполнение трубы теплообменника 4 позволяет улучшить компактность и удобство при транспортировке и хранении оборудования.A prototype of the claimed device has a container 2 with a volume of 5 liters, a heat exchanger pipe 4 about 1.5 m long (see Fig. 2). The detachable design of the heat exchanger pipe 4 allows for improved compactness and ease of transportation and storage of equipment.

При установке внутри мобильного помещения труба теплообменника 4 может быть выведена к наружу от сооружения, для чего, в материале укрытия предварительно изготавливают сквозной безопасный проход.When installed inside a mobile room, the heat exchanger pipe 4 can be led to the outside of the structure, for which purpose a through safe passage is first made in the shelter material.

Для использования устройства поджигают очаг огня, который нагревает емкость 2 с водой до закипания и перехода в газообразное состояние. В целях безопасной работы при увеличении давления внутри замкнутого контура устройства излишки пара удаляются через клапан 1. Насыщенный пар заполняет собой оставшийся объем в емкости 2 и следует по трубам теплообменника 4, где, конденсируясь, отдает свою тепловую энергию нагреваемой поверхности термоэлектрического преобразователя 7, установленной на площадке 3. В результате термоэлементы преобразователя 7 с одной стороны нагреваются от температуры трубы теплообменника 4, с другой стороны охлаждаются за счет отрицательной температуры окружающей среды. Таким образом, термоэлементы преобразователя 7, находясь в разнотемпературной среде, преобразуют часть тепловой энергии в электрическую. Появляется постоянное напряжение на выходе термоэлектрического преобразователя 7, которое подается на потребление. Сконденсированная же жидкость попадает обратно в емкость 2 через нижний трубопровод теплообменника 4, где вновь испаряется от нагрева.To use the device, a fire is lit, which heats container 2 with water until it boils and turns into a gaseous state. For safe operation, when the pressure inside the closed circuit of the device increases, excess steam is removed through valve 1. Saturated steam fills the remaining volume in tank 2 and follows through the pipes of the heat exchanger 4, where, condensing, it gives off its thermal energy to the heated surface of the thermoelectric converter 7, installed on site 3. As a result, the thermoelements of the converter 7, on the one hand, are heated by the temperature of the heat exchanger pipe 4, on the other hand, they are cooled due to the negative ambient temperature. Thus, the thermoelements of the converter 7, being in a different temperature environment, convert part of the thermal energy into electrical energy. A constant voltage appears at the output of the thermoelectric converter 7, which is supplied for consumption. The condensed liquid enters back into container 2 through the lower pipeline of heat exchanger 4, where it again evaporates due to heating.

Для опытного образца был использован преобразователь с элементами Пельтье типа SP 184827145. При этом испытания проходили при температуре внешней среды до минус 30-35°С. При генерации электрического тока при разнице температур в 100°С с одного элемента Пельтье получали напряжение 4,8 В и силу тока 669 мА. Имея девять элементов Пельте и располагая их в последовательно-параллельном соединении таким образом, чтобы было три ветви по три элемента Пельтье в каждой, получали уже следующие характеристики: напряжение 14,4 В и сила тока 2007 мА, которых достаточно для подзарядки внешнего аккумулятора и различных электронных устройств малой мощности.For the prototype, a converter with Peltier elements of type SP 184827145 was used. The tests were carried out at ambient temperatures down to minus 30-35°C. When generating an electric current at a temperature difference of 100°C from one Peltier element, a voltage of 4.8 V and a current of 669 mA were obtained. Having nine Peltier elements and arranging them in a series-parallel connection so that there were three branches of three Peltier elements in each, the following characteristics were obtained: voltage 14.4 V and current 2007 mA, which are enough to recharge an external battery and various low power electronic devices.

Таким образом, заявленное устройство для получения электропитания может быть использовано в походных условиях в холодные времена года, а устройство нагревателя в виде замкнутого контура позволяет поддерживать стабильно высокий уровень и наибольшую эффективность нагрева термоэлектрического преобразователя, что способствует в целом увеличению КПД.Thus, the claimed device for obtaining power can be used in camping conditions during cold seasons, and the heater device in the form of a closed loop allows you to maintain a consistently high level and the highest heating efficiency of the thermoelectric converter, which generally contributes to an increase in efficiency.

Claims

A prefabricated device for obtaining power, containing a heater made in the form of a closed circuit, including a container for working fluid and a heat exchanger, characterized in that the container is equipped with an upper removable steam valve, the heat exchanger is made in the form of a U-shaped curved pipe connected to the side surface of the container on detachable connection through two connecting pipes welded along a vertical axis at the level of the upper half of the container, while the heat exchanger pipe on the lower side is supported on a height-adjustable stand, and on the upper surface of the pipe a platform is welded for placing a contacted thermoelectric converter.