RU2329569C1

RU2329569C1 - Thermoelectric power supply unit

Info

Publication number: RU2329569C1
Application number: RU2006143498/28A
Authority: RU
Inventors: Владислав Викторович Пономарев (RU); Владислав Викторович Пономарев; Валерий Иванович Осипков (RU); Валерий Иванович Осипков; Елена Викторовна Сорокина (RU); Елена Викторовна Сорокина; Юли Михайловна Ржевска (RU); Юлия Михайловна Ржевская; Болеслав Викторович Спорышев (RU); Болеслав Викторович Спорышев; Наталь Владимировна Степанова (RU); Наталья Владимировна Степанова
Original assignee: ООО Завод "Саратовгазатоматика"
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2008-07-20

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: thermoelectric power supply unit contains thermoelectric generators installed in container, air duct, control unit and ventilation system. Thermoelectric generator contains burning device, heat absorber, to external surface of which six thermoelectric batteries are pressed, and air radiators. Ventilation system contains heat-sensitive elements that are rigidly fixed in container, flaps of air supply from radiator and flaps of outside air supply, which are installed in the top part of container. Heat-sensitive element represents cylindrical cavity that is filled with oil, with stem that is installed along axis of cylindrical cavity and connected with flaps by means of levers system. System of levers is arranged in the form of brackets and traction. Container has thermally insulated walls.

EFFECT: increase of operation reliability and service life.

3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технологическому термоэлектрогенераторному оборудованию и предназначено для питания постоянным электрическим током комплекса радиоэлектронной аппаратуры и средств автоматики и телемеханики газопроводов в непрерывном режиме функционирования.The invention relates to technological thermoelectric equipment and is intended to supply direct electric current to a complex of electronic equipment and automation and telemechanics of gas pipelines in continuous operation.

Известен блок электропитания, работа которого основана на явлении термоЭДС «Зеебека» (явление, обратное эффекту Пельтье) [Физический энциклопедический словарь, М., Советская энциклопедия, 1983 г., с.756]. Источник питания содержит термоэлементы, соединенные с потребителем электроэнергии. ТермоЭДС возникает в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную температуру.A known power supply unit whose operation is based on the Seebeck thermoelectric power phenomenon (a phenomenon opposite to the Peltier effect) [Physical Encyclopedic Dictionary, Moscow, Soviet Encyclopedia, 1983, p.756]. The power source contains thermocouples connected to the consumer of electricity. ThermoEMF arises in an electrical circuit consisting of several dissimilar conductors, the contacts between which have different temperatures.

Недостатком данного источника питания является низкий ресурс работы и ограниченная мощность.The disadvantage of this power source is its low life and limited power.

Известен также блок электропитания на основе термоэлектрического генератора [а.с. №439252 МКИ H01L 35/02 F28F 9/24], содержащий термоэлектрический модуль, горелочное устройство и систему термосброса в виде радиаторов и рубашки охлаждения, внутри которой установлен турбулизатор в виде проволочной спирали.Also known is a power supply unit based on a thermoelectric generator [a.s. No. 439252 MKI H01L 35/02 F28F 9/24], comprising a thermoelectric module, a burner device and a thermal discharge system in the form of radiators and a cooling jacket, inside which a turbulator in the form of a wire spiral is installed.

Данное устройство имеет более высокий КПД за счет уменьшения потерь температурного напора между холодными спаями термобатарей и охлаждающей жидкостью, однако имеет невысокий ресурс работы.This device has a higher efficiency due to a decrease in the temperature head loss between the cold junctions of the thermal batteries and the coolant, but it has a low service life.

Наиболее близким техническим решением является термоэлектрический блок питания, работающий на природном газе [А.Н.Крошко Автономные энергоустановки на газопроводах, М., «Недра», 1983 г., стр.41-52, 68-74].The closest technical solution is a thermoelectric power supply that runs on natural gas [A.N. Kroshko Autonomous power plants on gas pipelines, M., "Nedra", 1983, pp. 41-52, 68-74].

Данное устройство состоит из металлического контейнера с отсеками для установки термоэлектрических генераторов. Термоэлектрический генератор содержит термоэлектрические батареи, соединенные через теплоприемник с газовой горелкой, воздушные радиаторы, воздуховод и блок управления. В боковых стенках контейнера сделаны прямоугольные отверстия, защищенные сеткой и козырьками для притока воздуха, необходимого для работы термоэлектрических генераторов и вентиляции.This device consists of a metal container with compartments for installing thermoelectric generators. A thermoelectric generator contains thermoelectric batteries connected through a heat receiver to a gas burner, air radiators, an air duct, and a control unit. Rectangular openings are made in the side walls of the container, protected by a grid and peaks for the air flow necessary for the operation of thermoelectric generators and ventilation.

Данный блок электропитания обеспечивает мощность 150-1000 Вт в зависимости от числа установленных термоэлектрических генераторов. Однако при работе в широком диапазоне температур от -50°С до +50°С надежность работы снижается за счет нестабильности температурного режима.This power supply unit provides power of 150-1000 W, depending on the number of installed thermoelectric generators. However, when operating in a wide temperature range from -50 ° С to + 50 ° С, the reliability decreases due to the instability of the temperature regime.

Задачей создания изобретения является повышение надежности работы и срока службы блока питания за счет оптимизации температурного режима, особенно в условиях низких температур.The objective of the invention is to increase the reliability and service life of the power supply by optimizing the temperature regime, especially at low temperatures.

Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что термоэлектрический блок питания содержит расположенные в отсеках контейнера термоэлектрические генераторы, которые состоят из термоэлектрических батарей, соединенных с воздушными радиаторами и через теплоприемник с горелочным устройством, а также воздуховод, блок управления и систему вентиляции, которая выполнена по системе термостатирования. Система термостатирования состоит из термочувствительных элементов, жестко закрепленных на перегородках отсеков контейнера, а также заслонок подачи теплого воздуха от радиаторов и заслонок притока наружного воздуха, расположенных в верхней части контейнера. Термочувствительные элементы соединены системой рычагов с заслонками и представляют собой цилиндрическую полость, заполненную маслом, со штоком, расположенным по оси цилиндрической полости. Кроме того, система рычагов, соединяющая шток термочувствительного элемента с заслонками, выполнена в виде кронштейнов и тяги, соединенных между собой с возможностью перемещения. Контейнер имеет термоизолированные стенки.The solution to this problem was achieved due to the fact that the thermoelectric power unit contains thermoelectric generators located in the compartments of the container, which consist of thermoelectric batteries connected to air radiators and through a heat receiver with a burner device, as well as an air duct, a control unit, and a ventilation system, which is designed to temperature control system. The temperature control system consists of temperature-sensitive elements, rigidly fixed to the partitions of the container compartments, as well as the warm air supply dampers from the radiators and external air intake dampers located in the upper part of the container. The heat-sensitive elements are connected by a system of levers with shutters and are a cylindrical cavity filled with oil, with a rod located along the axis of the cylindrical cavity. In addition, the system of levers connecting the stem of the heat-sensitive element with shutters is made in the form of brackets and traction, interconnected with the possibility of movement. The container has thermally insulated walls.

Изобретение поясняется чертежами фиг.1, 2, 3, где на фиг.1 представлен общий вид термоэлектрического блока питания, на фиг.2 представлен общий вид термоэлектрического генератора, на фиг.3 представлена система термостатирования.The invention is illustrated by the drawings of figures 1, 2, 3, where figure 1 shows a General view of a thermoelectric power supply, figure 2 shows a General view of a thermoelectric generator, figure 3 shows a temperature control system.

Термоэлектрический блок питания (фиг.1) состоит из цельнометаллического термостатированного контейнера 1, в отсеках которого расположены термоэлектрические генераторы 2. Термостатированный контейнер предназначен для защиты всего оборудования от атмосферных явлений и оснащен системой запоров и замков. Стенки контейнера изготовлены из стальных листов, между которыми проложен термоизолирующий материал. Термоэлектрические генераторы 2 (ТЭГ) размещены в специальных шкафах 3, стенки которых образуют вытяжные трубы с дефлекторами 4 для отвода воздуха. Основными элементами ТЭГ являются (фиг.2) горелочное устройство 5, теплоприемник 6, к наружной поверхности которого прижаты шесть термоэлектрических батарей 7, и мощные воздушные радиаторы 8, обеспечивающие необходимый перепад температуры на термоэлектрических батареях. Корпус горелочного устройства 5 соединен с теплоприемником 6. Теплоприемник 6 имеет форму полой шестигранной призмы, внутри которой установлен цилиндрический излучатель 9, изготовленный из жаропрочной стали. Внутренняя полость излучателя 9 образует топочное пространство. К наружной поверхности призмы теплоприемника 6 прижаты термоэлектрические батареи 7, состоящие из ряда последовательно соединенных групп полупроводниковых термоэлементов, заключенных в герметичный кожух, заполненный инертным газом. Воздушные радиаторы 8, предназначенные для отвода тепла от спаев термоэлектрических батарей 7, прижаты к ним плоскими пружинами. К горелочному устройству 5 подсоединен воздуховод 10, по которому поступает наружный воздух для горения. Каждый термоэлектрический генератор 2 размещен на каркасе-раме 11, состоящей из верхнего и нижнего кольца, соединенных вертикальными стойками. Теплоприемник 6, термоэлектрические батареи 7 и радиаторы 8, соединенные пружинами, удерживаются в фиксированном положении относительно рамы 11. В состав термоэлектрических генераторов 2 входят шесть термоэлектрических батарей, соединенных последовательно в электрическую цепь, которая подключена к блоку управления 12, закрепленному на каркасе-раме 11. На крыше контейнера 1 расположен дефлектор 4 для отвода нагретого в радиаторах воздуха.The thermoelectric power supply (Fig. 1) consists of an all-metal thermostatically controlled container 1, in the compartments of which thermoelectric generators 2 are located. The thermostated container is designed to protect all equipment from atmospheric phenomena and is equipped with a system of locks and locks. The walls of the container are made of steel sheets, between which a thermally insulating material is laid. Thermoelectric generators 2 (TEG) are placed in special cabinets 3, the walls of which form exhaust pipes with deflectors 4 for air exhaust. The main elements of the TEG are (Fig. 2) a burner 5, a heat sink 6, six thermoelectric batteries 7 are pressed against the outer surface of the thermoelectric device, and powerful air radiators 8, which provide the necessary temperature difference on thermoelectric batteries. The body of the burner device 5 is connected to the heat receiver 6. The heat receiver 6 has the shape of a hollow hexagonal prism, inside which a cylindrical emitter 9 made of heat resistant steel is installed. The internal cavity of the emitter 9 forms a furnace space. Thermoelectric batteries 7 are pressed against the outer surface of the prism of the heat sink 6, consisting of a series of series-connected groups of semiconductor thermoelements enclosed in a sealed casing filled with an inert gas. Air radiators 8, designed to remove heat from the junctions of thermoelectric batteries 7, are pressed against them by flat springs. An air duct 10 is connected to the burner device 5, through which external combustion air is supplied. Each thermoelectric generator 2 is placed on the frame-frame 11, consisting of an upper and lower ring connected by vertical struts. The heat sink 6, thermoelectric batteries 7 and radiators 8 connected by springs are held in a fixed position relative to the frame 11. The thermoelectric generators 2 include six thermoelectric batteries connected in series to an electrical circuit that is connected to a control unit 12 mounted on the frame 11 A deflector 4 is located on the roof of the container 1 for the removal of air heated in radiators.

В верхней части контейнера 1 расположена система вентиляции, выполненная по системе термостатирования, которая поддерживает в контейнере определенную плюсовую температуру t_к при изменении температуры наружного воздуха t_н от -50°С до +50°С.In the upper part of the container 1, there is a ventilation system made according to the thermostating system, which maintains a certain positive temperature t _k in the container when the temperature of the outdoor air t _n changes from -50 ° С to + 50 ° С.

Система термостатирования (фиг.1, 3) выполнена в виде термочувствительного элемента 13, жестко закрепленного на перегородке отсека контейнера 1, а также заслонок подачи воздуха из радиатора 14 и заслонок притока наружного воздуха 15, расположенных в верхней части контейнера 1. Термочувствительный элемент 13 представляет собой герметично закрытую цилиндрическую полость, заполненную маслом. В качестве термочувствительного элемента используют, например, термодатчик РТ-1, внутренняя полость которого заполнена маслом И-5А в объеме 0,4 л с удельным весом 0,865 г/см³ без воздушной пробки. Перед заливкой масло обезвоживают и вакуумируют для удаления воздушных пузырьков. По оси термодатчика расположен шток 16 с пружиной, образующие пружинный механизм возврата. Свободный конец штока 16 соединен системой рычагов с заслонками 14, 15. Система рычагов состоит из кронштейнов 17, имеющих шарнирно-рычажное соединение с тягой 18, штоком 16 и заслонками 14, 15.The temperature control system (Figs. 1, 3) is made in the form of a heat-sensitive element 13, rigidly fixed to the partition wall of the container 1, as well as air supply flaps from the radiator 14 and external air flow flaps 15 located in the upper part of the container 1. The heat-sensitive element 13 represents a hermetically sealed cylindrical cavity filled with oil. As a temperature-sensitive element, for example, a RT-1 temperature sensor is used, the internal cavity of which is filled with I-5A oil in a volume of 0.4 l with a specific gravity of 0.865 g / cm ³ without an air plug. Before filling, the oil is dehydrated and vacuum to remove air bubbles. On the axis of the temperature sensor is a rod 16 with a spring, forming a spring return mechanism. The free end of the rod 16 is connected by a system of levers with shutters 14, 15. The system of levers consists of brackets 17 having a pivot-lever connection with a rod 18, a rod 16 and shutters 14, 15.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Термоэлектрические генераторы 2 преобразуют тепловую энергию в электрическую в полупроводниковых термоэлементах, входящих в состав термоэлектрических батарей 7. Газ, смешанный с воздухом из воздуховода 10, подают в горелочное устройство 5. Запуск термоэлектрического генератора 2 осуществляют поджогом газо-воздушной смеси. Горение газо-воздушной смеси происходит внутри излучателя 9 до полного сгорания газа. Излучатель 9 разогревают до температуры t~1000°С, а продукты сгорания через отверстия в излучателе поступают в теплоприемник 6, который нагревается до температуры t=500-520°С и нагревает одну из сторон термоэлектрической батареи 7. С другой стороны термоэлектрической батареи 7 тепло сбрасывается воздушным радиатором 8, в щелях которого циркулирует воздух за счет естественной конвекции, обеспечивая на этой стороне батареи t=100°С. При прохождении теплового потока через термоэлементы, обладающие тепловым сопротивлением, образуется необходимый перепад температур и разность потенциалов в последовательно соединенных термоэлементах термоэлектрических батарей 7. При подключении к этой цепи внешней нагрузки возникает электрический ток.Thermoelectric generators 2 convert thermal energy into electrical energy in semiconductor thermoelements that are part of thermoelectric batteries 7. Gas mixed with air from the duct 10 is fed to the burner 5. The thermoelectric generator 2 is started by igniting the gas-air mixture. The combustion of the gas-air mixture occurs inside the emitter 9 to complete combustion of the gas. The emitter 9 is heated to a temperature of t ~ 1000 ° C, and the combustion products through the holes in the emitter enter the heat sink 6, which is heated to a temperature of t = 500-520 ° C and heats one of the sides of the thermoelectric battery 7. On the other hand, the thermoelectric battery 7 is warm is discharged by an air radiator 8, in the slots of which air circulates due to natural convection, providing t = 100 ° C on this side of the battery. When the heat flux passes through thermocouples with thermal resistance, the necessary temperature difference and potential difference are formed in the thermocouples of thermoelectric batteries connected in series 7. When an external load is connected to this circuit, an electric current arises.

Нагретый в радиаторах 8 воздух частично отводится наружу через дефлектор 4, расположенный на крыше контейнера 1. Температура в контейнере t_к может меняться за счет работы термоэлектрических генераторов 7 и изменения температуры наружного воздуха t_н. При изменении температуры наружного воздуха t_н термочувствительные элементы 13 в виде термодатчиков изменяют положение заслонок подачи воздуха из радиаторов 14 и заслонок притока наружного воздуха 15. Заслонки регулируют приток наружного воздуха, поступающего в контейнер 1, и удаляемого воздуха, подогретого в радиаторах 8.The air heated in the radiators 8 is partially diverted out through the deflector 4 located on the roof of the container 1. The temperature in the container t _k can change due to the operation of thermoelectric generators 7 and a change in the outdoor temperature t _n . When changing the temperature of the outside air t _{n, the} thermosensitive elements 13 in the form of temperature sensors change the position of the air supply flaps from the radiators 14 and the external air flow flaps 15. The flaps control the flow of external air entering the container 1 and the removed air heated in the radiators 8.

При повышении температуры в контейнере t_к масло в цилиндре термодатчика 13 расширяется и поднимает шток 16 вверх. За счет этого тяга 18, присоединенная к штоку 16 через кронштейны 17, перемещает заслонки 14, 15. Заслонка подачи воздуха от радиатора 14 закрывается, а заслонка притока наружного воздуха 15 открывается. При понижении температуры в контейнере t_к шток 16 опускается вниз за счет сжатия масла в термодатчике 13 и изменяет положение заслонок. Существует два крайних положения заслонок.With increasing temperature in the container t _{to the} oil in the cylinder of the temperature sensor 13 expands and raises the rod 16 up. Due to this, the rod 18, connected to the rod 16 through the brackets 17, moves the shutters 14, 15. The air supply damper from the radiator 14 is closed, and the outside air intake shutter 15 is opened. When the temperature is lowered to t _to the stock container 16 is lowered due to the oil compression in the thermal sensor 13 and changes the position of the dampers. There are two extreme positions of the dampers.

При t_н=-50°С заслонки притока воздуха 15 закрыты, а заслонки подачи воздуха от радиаторов 14 в контейнер открыты полностью. В этом случае весь нагретый в радиаторах 8 воздух поступает в контейнер 1 и, охлаждаясь, вновь поступает в щели радиаторов 8. При этом после выхода термоэлектрического генератора 2 в нормальный режим работы в районе расположения термодатчиков 13 обеспечивается t_к=20°С.At t _n = -50 ° C, the air intake flaps 15 are closed, and the air supply flaps from the radiators 14 to the container are fully open. In this case all the heated air in the radiator 8 flows into the container 1 and, cooling, re-enters the slot radiator 8. In this case, after the thermoelectric generator 2 in the normal operation in the vicinity of the location of temperature sensors 13 is provided _to t = 20 ° C.

При повышении общего уровня температуры воздуха в контейнере t_к заслонки притока наружного воздуха 15 начинают открываться, а заслонки притока воздуха от радиаторов 14 закрываться. При t_к=25-30°С заслонки притока наружного воздуха 15 полностью открыты, а заслонки подачи воздуха от радиаторов 14 закрыты, и весь подогретый воздух поступает через дефлектор 4 наружу.With an increase in the overall level of air temperature in the container t _{to the} outside air intake flaps 15 begin to open, and the air intake flaps from the radiators 14 are closed. When t _to = 25-30 ° C, the external air intake flaps 15 are fully open, and the air supply flaps from the radiators 14 are closed, and all the heated air flows out through the deflector 4.

Для промежуточных значений температуры наружного воздуха термодатчик 13 обеспечивает такое положение заслонок, чтобы температура в контейнере поддерживалась t_к≈20°С. За счет этого повышается надежность работы термоэлектрического генератора и увеличивается срок службы термоэлектрического блока питания.For intermediate values of the outdoor temperature, the temperature sensor 13 provides such a position of the dampers that the temperature in the container is maintained t _to ≈20 ° С. Due to this, the reliability of the thermoelectric generator increases and the service life of the thermoelectric power supply increases.

Claims

1. A thermoelectric power supply unit containing thermoelectric generators located in the container, which consist of thermoelectric batteries connected to air radiators and through a heat receiver with a burner device, as well as an air duct, a control unit and a ventilation system, characterized in that the ventilation system is made in the form of heat-sensitive elements rigidly fixed to the container, air supply flaps from radiators and external air flow flaps located in the upper part of the container, When this temperature-sensitive elements are cylindrical cavity filled with oil, to a rod located along the cylindrical axis of the cavity, and a system of levers connected with shutters.

2. The device according to claim 1, characterized in that the system of levers connecting the stem of the heat-sensitive element with shutters is made in the form of brackets and rods, interconnected with the possibility of movement.

3. The device according to claim 1, characterized in that the container is made with thermally insulated walls.