RU2490563C2

RU2490563C2 - Thermal electric generator

Info

Publication number: RU2490563C2
Application number: RU2011143537/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Ежов; Наталья Евгеньевна Семичева; Александр Юрьевич Журавлев; Александр Юрьевич Якушев; Сергей Владимирович Березин
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2013-08-20
Also published as: RU2011143537A

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: thermal electric generator includes a vertical housing consisting of a rectangular box made from dielectric material with low thermal conductivity, inside which rows of thermal electric links are placed, which represent metal tubes, each of which is coated with an insulating layer from dielectric material with high thermal conductivity of coils that are connected as per a parallel and series circuit is arranged above the non-isothermic grid in the extended part of the housing. Condensate in heating and evaporating coils moves in upward direction. Steam in superheating coils moves in downward and/or upward direction. The housing under the non-isothermic head piece provides for a catalyser unloading branch pipe and/or several catalyser unloading branch pipes above the non-isothermic head piece. A catalyser loading branch pipe is provided in the housing above fluidised bed level.

EFFECT: higher reliability and efficiency of a thermal electric generator.

7 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэлектроэнергетике, а именно, для повышения КПД теплогенератора путем одновременного получения тепловой и электрической энергии в одном аппарате.The invention relates to a power system, namely, to increase the efficiency of a heat generator by simultaneously receiving heat and electricity in one device.

Известна термоэмиссионная надстройка к тепловым электростанциям с топкой котла (камерой сгорания) и парогенерирующими (трубами теплоносителя), содержащая термоэмиссионные преобразователи с анодными теплотоковыводами и узлы крепления указанных преобразователей к парогенерирущим трубам (трубами теплоносителя) [А.с. РФ №966791, МПК F24J 45/00, 1982].Known thermionic superstructure to thermal power plants with a boiler furnace (combustion chamber) and steam generating (coolant pipes), containing thermionic converters with anode heat conductors and attachment points of these converters to steam generating pipes (coolant pipes) [A. RF No. 966791, IPC F24J 45/00, 1982].

Основными недостатками известного устройства являются сложная конструкций термоэмиссионного преобразователя (ТЭП), системы теплоотвода и узлов крепления его к трубам теплоносителя, что снижает его надежность и эффективность.The main disadvantages of the known device are the complex designs of the thermionic converter (TEC), the heat removal system and its attachment points to the coolant pipes, which reduces its reliability and efficiency.

Более близким по технической сущности к, предлагаемому изобретению является теплоэлектрический генератор, содержащий вертикальный корпус, состоящий из прямоугольного короба, выполненного из диэлектрического материала с низкой теплопроводностью, соединенный сверху с отводящим газоходом, снизу с камерой сгорания, внутри которого помещены ряды теплоэлектрических звеньев (ТЭЗ), представляющих собой металлические трубы теплоносителя, соединенных между собой калачами, покрытые несколькими кольцевыми изоляционными слоями, выполненные из диэлектрических материалов с высокой и низкой теплопроводностью, покрытых металлическими обечайками, в которых вокруг металлической трубы теплоносителя по ее длине помещены по очередности термоэмиссионные преобразователи (ТЭП) большего и меньшего диаметров, каждый из которых состоит из большого двухслойного горячего кольца, слои которого плотно прижаты друг к другу и выполнены из двух разных металлов M1 и М2, расположенного в зоне нагрева и малого однослойного холодного кольца, выполненного из металла M1, расположенного в зоне охлаждения, соединенные между собой радиальными и продольными перемычками, также выполненными из упомянутых металлов M1 и М2, последние по счету ТЭП каждого ТЭЗ соединены с первыми по счету ТЭП последующего ТЭЗ электропроводкой, свободные концы ТЭП последнего верхнего и первого нижнего ТЭЗ соединены с токовыводами [Патент РФ №2425295, МПК F24H 3/00, 2011].Closer in technical essence to the present invention is a thermoelectric generator comprising a vertical casing consisting of a rectangular duct made of a dielectric material with low thermal conductivity, connected at the top to a flue gas duct, at the bottom to a combustion chamber, inside which rows of thermoelectric units (TEZ) are placed representing metal pipes of the heat carrier, interconnected by cams, covered with several annular insulating layers, made and dielectric materials with high and low thermal conductivity, covered with metal shells, in which thermionic transducers (TEC) of larger and smaller diameters are placed in turn around the metal coolant pipe along its length, each of which consists of a large two-layer hot ring, the layers of which are tightly pressed against each other friend and made of two different metals M1 and M2 located in the heating zone and a small single-layer cold ring made of metal M1 located in the cooled zone interconnected by radial and longitudinal jumpers, also made of the mentioned metals M1 and M2, the last TECs of each TEZ are connected to the first TECs of the subsequent TEZ by electrical wiring, the free ends of the TECs of the last upper and first lower TEZ are connected to current leads [RF Patent No. 2425295, IPC F24H 3/00, 2011].

Основными недостатками известного устройства являются низкая скорость теплопередачи в термоэлектрических звеньях, обусловленная высоким термическим сопротивлением из-за наличия нескольких изоляционных слоев на наружной поверхности металлической трубы теплоносителя, наличие которых также усложняет конструкцию термоэлектрических звеньев и невозможность получения термоэлектричества в ТЭГ в случае отказа одной из них, недостаточная площадь поверхности теплопередачи со стороны горячих газов и низкая эффективность по получаемому току, обусловленная тем, что компоновка ТЭП в термоэлектрических звеньях создает высокое электрическое сопротивление, в связи с чем происходят значительные потери силы тока, что снижает его надежность и эффективность.The main disadvantages of the known device are the low heat transfer rate in thermoelectric links due to the high thermal resistance due to the presence of several insulating layers on the outer surface of the metal coolant pipe, the presence of which also complicates the design of thermoelectric links and the inability to obtain thermoelectricity in a TEG in case of failure of one of them, insufficient heat transfer surface area from the side of hot gases and low efficiency as obtained due to the fact that the layout of the TEC in thermoelectric links creates a high electrical resistance, and therefore significant losses of current occur, which reduces its reliability and efficiency.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности теплоэлектрического генератора.The technical result of the invention is to increase the reliability and efficiency of the thermoelectric generator.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый теплоэлектрогенератор содержит вертикальный корпус, состоящий из прямоугольного короба, выполненного из диэлектрического материала с низкой теплопроводностью, соединенного сверху с отводящим газоходом (дымовой трубой), снизу - с камерой сгорания (топкой), внутри которого помещены ряды теплоэлектрических звеньев, представляющие собой металлические трубы теплоносителя, торцы которых снаружи соединены между собой по теплоносителю по горизонтали и вертикали калачами, а их верхние и нижние свободные торцы соединены с входным и выходным патрубками, причем каждая металлическая труба теплоносителя, покрыта изоляционным слоем из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, выполненным в форме кольцевого оребрения с кольцевыми ребрами, внутри которого, повторяя очертания его продольного разреза по длине всей трубы теплоносителя помещены парные зигзагообразные ряды теплоэлектрических секций, одиночные ряды которых состоят, из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей, каждый из которых состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов M1 и М2, концы которых сплющены, плотно прижаты друг к другу и расположены в зоне нагрева и охлаждения, вблизи кромки ребер и поверхности трубы теплоносителя, свободные концы одиночных рядов каждого парного ряда, с одного конца теплоэлектрического звена соединены между собой перемычками, а с противоположного - присоединены к шинам с одноименными зарядами, соединенным с токовыводами.The technical result is achieved by the fact that the proposed heat generator contains a vertical casing, consisting of a rectangular duct made of a dielectric material with low heat conductivity, connected from above to a flue gas duct (chimney), from below to a combustion chamber (firebox), inside which rows of thermoelectric links are placed , which are metal coolant pipes, the ends of which are externally connected to each other along the coolant horizontally and vertically by kalach, and their upper the lower free ends are connected to the inlet and outlet nozzles, and each metal coolant pipe is covered with an insulating layer of a dielectric material with high thermal conductivity, made in the form of an annular fin with annular ribs, inside which, repeating the outlines of its longitudinal section along the entire length of the coolant pipe, are placed zigzag rows of thermoelectric sections, the single rows of which consist of thermionic transformers arranged in order and interconnected holders, each of which consists of a pair of segments made of different metals M1 and M2, the ends of which are flattened, tightly pressed against each other and are located in the heating and cooling zone, near the edge of the ribs and the surface of the coolant pipe, free ends of single rows of each pair of rows , from one end of the thermoelectric link are connected by jumpers, and from the opposite end are connected to buses with the same charges, connected to current leads.

На фиг.1-2 представлены общий вид и разрез теплоэлектрического генератора (ТЭГ), на фиг.3-7 - основной узел - теплоэлектрическое звено (ТЭЗ).Figure 1-2 presents a General view and section of a thermoelectric generator (TEG), Fig.3-7 - the main node is a thermoelectric link (TEZ).

Предлагаемый ТЭГ содержит вертикальный корпус 1, состоящий из прямоугольного короба 2, выполненного из диэлектрического материала с низкой теплопроводностью, соединенного сверху с отводящим газоходом (дымовой трубой) 3, снизу - с камерой сгорания (топкой) 4, внутри которого помещены ряды теплоэлектрических звеньев (ТЭЗ) 5, представляющие собой металлические трубы теплоносителя 6, торцы которых снаружи соединены между собой по теплоносителю по горизонтали и вертикали калачами 7 и 8, соответственно, а их верхние и нижние свободные торцы соединены с входным и выходным патрубками 9 и 10, соответственно. Каждая металлическая труба теплоносителя 6, покрыта изоляционным слоем из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью 12, выполненным в форме кольцевого оребрения с кольцевыми ребрами 13, внутри которого, повторяя очертания его продольного разреза по длине всей трубы 6 помещены парные зигзагообразные ряды теплоэлектрических секций (ТЭС) ПР, одиночные ряды которых I и II состоят, из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 14. Каждый ТЭП 14 состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов M1 и М2, концы которых расплющены и плотно прижаты друг к другу и расположены в зоне нагрева и охлаждения, вблизи кромки ребра 13 и поверхности трубы 6, соответственно, причем свободные концы одиночных рядов I и II каждого парного ряда ПР, с одной стороны ТЭЗ соединены между собой перемычками 15, а с противоположной присоединены к шинам с одноименными зарядами 16 и 17, соединенных с токовыводами 18 и 19, соответственно.The proposed TEG contains a vertical casing 1, consisting of a rectangular box 2 made of a dielectric material with low thermal conductivity, connected from above to a flue gas duct (chimney) 3, from below to a combustion chamber (furnace) 4, inside which rows of thermoelectric links (TEZ) are placed ) 5, which are metal pipes of coolant 6, the ends of which are externally connected to each other along the coolant horizontally and vertically by cams 7 and 8, respectively, and their upper and lower free ends are connected us with inlet and outlet connectors 9 and 10, respectively. Each metal coolant pipe 6 is coated with an insulating layer of a dielectric material with high thermal conductivity 12, made in the form of an annular fin with annular ribs 13, inside of which, repeating the outlines of its longitudinal section along the entire length of the pipe 6, paired zigzag rows of thermoelectric sections (TES) PR single rows of which I and II consist of thermionic converters (TECs) arranged in order and interconnected. Each TEP 14 consists of a pair of segments made of of azimuth metals M1 and M2, the ends of which are flattened and tightly pressed against each other and located in the heating and cooling zone, near the edge of the rib 13 and the surface of the pipe 6, respectively, with the free ends of the single rows I and II of each pair of PRs, on the one hand TEZ are interconnected by jumpers 15, and from the opposite are connected to buses with the same charges 16 and 17, connected to current outputs 18 and 19, respectively.

Предлагаемый ТЭГ, представленный на фиг.1-7, работает следующим образом.The proposed TEG presented in figures 1-7, works as follows.

После заполнения труб теплоносителя 6 водой, создания в них ее циркуляции и начала горения топлива из камеры сгорания 4 ТЭГ дымовые газы поступают в межтрубное пространство короба 2 с начальной температурой t_ГН» двигаясь снизу вверх, омывают наружную поверхность ТЭЗ 5, отдавая им свое тепло, охлаждаются до заданной температуры t_ГК и выбрасываются из дымовой трубы 3 в атмосферу. При этом, в результате теплообмена между дымовыми газами через поверхность ограждений ТЭЗ 5 и водой, поступающей через патрубок 9 и движущейся сверху вниз, по трубам теплоносителя 6 ТЭЗ 5, калачами 7 и 8, вода нагревается от температуры t_ВН до температуры t_ВК и через патрубок 10 подается потребителю (на фиг.1-7 не показан). Одновременно, в результате процесса конвективной теплопередачи от дымовых газов нагревается зона нагрева, состоящая из ребер 13 диэлектрического материала с высокой теплопроводностью 12, от которого основной поток тепла передается за. счет теплопроводности двухслойным расплющенным концам ТЭП 14, выполненным из металлов M1 и М2 конструкция которых позволяет увеличить количество воспринимаемого тепла за счет повышенной площади их контакта с зоной нагрева и высокой площади контакта слоев металлов M1 и М2, соединенных между собой (например, спайкой), которые нагреваются при этом. Кроме того, процесс теплообмена от материала 12 к спаям металлов M1 и М2 ТЭП 14 интенсифицируется за счет передачи его теплопроводностью, скорость которой при высоком значении коэффициента теплопроводности значительно выше,. чем скорость передачи тепла за счет конвекции [И.Н. Сушкин. Теплотехника. - М.: «Металлургия», 1973, с.195-198]. Одновременно осуществляется охлаждение двухслойных расплющенных концам ТЭП 14, выполненных из металлов M1 и М2, расположенных параллельно поверхности трубы теплоносителя 6 в холодной зоне в промежутке между смежными ребрами 13 за счет передачи тепла теплопроводностью через слой материала 12, обладающего высокой теплопроводностью к стенкам труб теплоносителя 6, откуда тепло передается конвекцией к нагревамой воде. Нагрев двухслойных спаев, состоящих из плотно соединенных между собой слоев металлов M1 и М2, расположенных в зоне нагрева и охлаждение двухслойных, выполненных также из металлов M1 и М2, расположенных в зоне охлаждения каждой ТЭП 14, соединенных между собой, создает эмиссию электронов во всех ТЭП 14 и, соответственно, возникновение в парных зигзагообразных рядах ПР всех ТЭЗ 5 термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. - М: «Наука», 1970, с.502-506], которое суммируется на шинах 16 и 17 и через тоководы 18 и 19 поступает на трансформаторы, где создается требуемое напряжение и сила тока (на фиг.1-7 не показаны) и подается потребителю.After filling the heat carrier pipes 6 with water, creating its circulation in them and starting the combustion of fuel from the TEG 4 combustion chamber, the flue gases enter the annulus of the duct 2 with the initial temperature t _GN "moving from the bottom up, wash the outer surface of the TEZ 5, giving off its heat, cooled to a given temperature t _GK and emitted from the chimney 3 into the atmosphere. At the same time, as a result of heat exchange between flue gases through the surface of the TEZ 5 enclosures and water flowing through the pipe 9 and moving from top to bottom, through the coolant pipes 6 of the TEZ 5, cams 7 and 8, the water is heated from the temperature t _VN to the temperature t _VK and through the pipe 10 is supplied to the consumer (not shown in FIGS. 1-7). At the same time, as a result of the process of convective heat transfer from flue gases, a heating zone is heated consisting of ribs 13 of a dielectric material with high thermal conductivity 12, from which the main heat flux is transmitted. due to the thermal conductivity of the two-layer flattened ends of the TEC 14 made of metals M1 and M2, the design of which allows to increase the amount of perceived heat due to the increased area of their contact with the heating zone and the high contact area of metal layers M1 and M2, interconnected (for example, by soldering), which are heated at the same time. In addition, the process of heat transfer from material 12 to the junctions of metals M1 and M2 of TEC 14 is intensified due to its transfer of thermal conductivity, the rate of which at a high value of the coefficient of thermal conductivity is much higher. than the rate of heat transfer due to convection [I.N. Sushkin. Heat engineering. - M.: "Metallurgy", 1973, S. 195-198]. At the same time, cooling of the two-layer flattened ends of the TEC 14 made of metals M1 and M2 located parallel to the surface of the coolant pipe 6 in the cold zone in the interval between adjacent ribs 13 is carried out due to heat transfer by heat conductivity through a layer of material 12 having high thermal conductivity to the walls of the coolant pipes 6, from where heat is transferred by convection to heated water. The heating of two-layer junctions, consisting of layers of metals M1 and M2 tightly interconnected, located in the heating zone and the cooling of two-layer junctions, also made of metals M1 and M2, located in the cooling zone of each TEC 14, interconnected, creates electron emission in all TEC 14 and, accordingly, the appearance in the paired zigzag PR rows of all thermoelectric thermoelectric power lines 5 [S.G. Kalashnikov. Electricity. - M: Nauka, 1970, pp. 502-506], which is summed up on buses 16 and 17 and fed through transformers 18 and 19 to the transformers, where the required voltage and current are generated (not shown in FIGS. 1-7) and served to the consumer.

Величина начальной температуры дымовых газов t_ГН определяется видом топлива и конструкцией камеры сгорания (топки), их конечная температура t_ГК - составом дымовых газов и требуемым температурным напором. Значения начальной и конечной температур нагреваемой воды t_ВН и t_ВК определяются технологическим регламентом и требованиями потребителя тепла. Величина разности электрического потенциала и силы тока на токовыводах 18 и 19 одной ТЭЗ зависит от характеристик пары металлов M1 и М2, из которых изготовлены ТЭП 14, их количества в парных рядах ПР, числа ПР в каждой ТЭЗ 5. Требуемые напряжение U и силу тока I ТЭГ получают путем установки соответствующего числа ТЭЗ 5, суммирования и трансформации получаемого ими тока.The value of the initial temperature of the flue gases t _GN is determined by the type of fuel and the design of the combustion chamber (furnace), their final temperature t _GK is determined by the composition of the flue gases and the required temperature head. The values of the initial and final temperatures of the heated water t _BH and t _{BK are} determined by the technological regulations and the requirements of the heat consumer. The magnitude of the difference between the electric potential and the current strength at the current leads 18 and 19 of one TEZ depends on the characteristics of the metal pair M1 and M2 from which the TEC 14 is made, their number in the pair rows of the PR, the number of PR in each TEZ 5. The required voltage U and current I TEGs are obtained by setting the appropriate number of TEZs 5, summing and transforming the current they receive.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет упростить конструкцию ТЭЗ и автономизировать выработку термоэлектричества каждой их них, интенсифицировать процесс теплопередачи от дымовых газов к нагреваемой воде и увеличить количество и параметры получаемой в каждом ТЭЗ электрической энергии, что повышает надежность и эффективность теплоэлектрогенератора.Thus, the present invention allows to simplify the design of TEZ and autonomize the production of thermoelectricity of each of them, to intensify the process of heat transfer from flue gases to heated water and to increase the number and parameters of electric energy received in each TEZ, which increases the reliability and efficiency of the heat generator.

Claims

A heat generator comprising a vertical rectangular casing, consisting of a rectangular duct made of a dielectric material with low heat conductivity, connected at the top to a flue gas duct, at the bottom to a combustion chamber, heat conduits, inside which are placed rows of thermoelectric links representing metal pipes interconnected by cams and coated with an insulating layer with high thermal conductivity, in which thermionic converters made of different meta M1 and M2, characterized in that the insulating layer of each metal coolant pipe is made in the form of an annular fin with ring ribs, inside of which, repeating the outlines of its longitudinal section along the entire length of the coolant pipe, paired zigzag rows of thermoelectric sections are placed, single rows of which consist of placed in order and interconnected thermionic converters, each of which consists of a pair of segments made of different metals M1 and M2, the ends of which are flattened are tightly pressed against each other and located in the heating and cooling zone, near the edge of the ribs and the surface of the coolant pipe, the free ends of the single rows of each pair of rows are connected by jumpers from one end of the thermoelectric link, and from the opposite are connected to buses with the same charges connected with current outputs.