RU2509266C1

RU2509266C1 - Thermoelectric link for pipe

Info

Publication number: RU2509266C1
Application number: RU2012141196/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Ежов
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2014-03-10

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: thermoelectric link comprises a coolant pipe, coated with a layer of a dielectric material with high heat conductivity, made of separate circular toothed ribs with teeth that are tightly pressed to each other, inside of each one there are circular zigzag-shaped rows of thermoelectric sections, made of alternating and joined thermoemission converters, each comprising a pair of sections made of different metals M1 and M2, ends of which are flattened and tightly pressed to each other and arranged in zones of heating and cooling, near the edge of the rib tooth and the external surface of the coolant pipe, accordingly, besides, free ends of zigzag-shaped circular rows of each thermoelectric section are connected to each other by links, and free ends of circular rows of extreme thermoelectric sections, in their turn, are connected by electric wires with collectors and current leads.

EFFECT: increased reliability and efficiency of a thermoelectric link for a pipe.

5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к теплоэлектроэнергетике и может быть использовано для получения электрической энергии в процессе теплопередачи в трубчатых аппаратах (теплогенераторах, теплообменниках, отопительных приборах), трубах теплоносителей и т.п. путем непосредственной трансформации части тепловой энергии в электрическую.The present invention relates to a power system and can be used to produce electrical energy in the process of heat transfer in tubular devices (heat generators, heat exchangers, heating appliances), heat transfer pipes, etc. by directly transforming part of the thermal energy into electrical energy.

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 (трубам 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 сложность 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 complexity of the 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 теплоэлектрическое (термоэлектрическое) звено теплоэлектрического генератора, представляющее собой металлическую трубу теплоносителя, соединенную с другими звеньями калачами, покрытую несколькими кольцевыми изоляционными слоями, выполненными из диэлектрических материалов с высокой и низкой теплопроводностью, и металлической обечайкой, в которой вокруг металлической трубы теплоносителя по ее длине помещены по очередности термоэмиссионные преобразователи, каждый из которых состоит из большого двухслойного горячего кольца, слои которого плотно прижаты друг к другу, и малого однослойного холодного кольца, выполненных из двух разных металлов M1 и М2, расположенных в зоне нагрева и охлаждения, соединенных между собой перемычками, также выполненными из упомянутых металлов M1 и М2, причем свободные концы термоэмиссионных преобразователей последнего и первого теплоэлектрического звена соединены с токовыводами [Патент РФ №2425295, МПК F24Н 3/00, 2011].Closer in technical essence to the present invention is a thermoelectric (thermoelectric) element of a thermoelectric generator, which is a metal coolant pipe connected to other parts of the heat pipes, covered with several ring insulating layers made of dielectric materials with high and low thermal conductivity, and a metal shell, in which around the metal pipe of the coolant along its length are placed in turn thermionic converters , each of which consists of a large two-layer hot ring, the layers of which are tightly pressed against each other, and a small single-layer cold ring made of two different metals M1 and M2 located in the heating and cooling zone, interconnected by jumpers, also made of the above metals M1 and M2, and the free ends of the thermionic converters of the last and first thermoelectric link are connected to current leads [RF Patent No. 2425295, IPC F24N 3/00, 2011].

Основными недостатками известного устройства являются сложность и недостаточная надежность конструкции термоэлектрического звена, низкая скорость теплопередачи со стороны среды, обусловленная недостаточной величиной поверхности теплообмена со средой, низкая эффективность по получаемому току, обусловленная тем, что компоновка термоэмиссионных преобразователей в термоэлектрических звеньях создает высокое электрическое сопротивление, в связи с чем происходят значительные потери силы тока, невозможность использования устройства для генерации термоэлектричества в различной трубчатой теплообменной аппаратуре (теплообменниках, отопительных приборах и пр.), в трубопроводах, что уменьшает его надежность и эффективность.The main disadvantages of the known device are the complexity and lack of reliability of the design of the thermoelectric unit, the low heat transfer rate from the medium, due to the insufficient surface of the heat exchange with the medium, the low efficiency of the received current, due to the fact that the layout of the thermionic converters in thermoelectric links creates a high electrical resistance, in connection with which there are significant losses of current, the inability to use the device for For the generation of thermoelectricity in various tubular heat exchange equipment (heat exchangers, heating devices, etc.), in pipelines, which reduces its reliability and efficiency.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности термоэлектрического звена для трубы.The technical result of the invention is to increase the reliability and efficiency of the thermoelectric link for the pipe.

Технический результат достигается тем, что предлагаемое термоэлектрическое звено содержит трубу теплоносителя, покрытую слоем диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, выполненным из отдельных кольцевых зубчатых ребер с зубцами, плотно прижатых друг к другу, внутри каждого из которых помещены кольцевые зигзагообразные ряды термоэлектрических секций, состоящие 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 расплющены и плотно прижаты друг к другу и расположены в зонах нагрева и охлаждения, вблизи кромки зубца ребра и наружной поверхности трубы теплоносителя, соответственно, причем свободные концы зигзагообразных кольцевых рядов каждой термоэлектрической секции соединены между собой перемычками, а свободные концы кольцевых рядов крайних термоэлектрических секций, в свою очередь, соединены электропроводами с коллекторами и токовыводами.The technical result is achieved by the fact that the proposed thermoelectric link contains a heat-carrier pipe coated with a layer of dielectric material with high thermal conductivity made of separate ring gear ribs with teeth tightly pressed against each other, inside of each of which ring-shaped zigzag rows of thermoelectric sections consisting of placed in order and interconnected thermionic converters, each of which consists of a pair of segments made of different tall M1 and M2, the ends of which are flattened and tightly pressed against each other and located in the heating and cooling zones, near the edge of the tooth of the rib and the outer surface of the coolant pipe, respectively, with the free ends of the zigzag ring rows of each thermoelectric section connected by jumpers, and free the ends of the annular rows of the extreme thermoelectric sections, in turn, are connected by electric wires to collectors and current leads.

На фиг.1 представлен общий вид, на фиг.2-5 разрезы термоэлектрического звена для трубы (ТЭЗТ).Figure 1 presents a General view, figure 2-5 sections of a thermoelectric link for a pipe (TEZT).

Предлагаемый ТЭЗТ содержит трубу теплоносителя 1, покрытую слоем 2 диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, выполненным из отдельных кольцевых зубчатых ребер 3 с зубцами 4, плотно прижатых друг к другу, внутри каждого из которых помещены кольцевые зигзагообразные ряды термоэлектрических секций (ТЭС) 5, состоящие из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 6. Каждый ТЭП 6 состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов M1 и М2, концы которых расплющены и плотно прижаты друг к другу и расположены в зонах нагрева и охлаждения, вблизи кромки зубца 4 ребра 3 и поверхности трубы 1, соответственно, причем свободные концы зигзагообразных кольцевых рядов каждой ТЭС 5 соединены между собой перемычками 7 и 8, а свободные концы кольцевых рядов крайних ТЭС 5, в свою очередь, соединены электропроводами 9 и 10 с коллекторами 11 и 12, токовыводами и накопительным блоком (на фиг.1-5) не показаны.The proposed TEZT contains a heat carrier pipe 1, coated with a layer 2 of a dielectric material with high thermal conductivity, made of separate annular gear ribs 3 with teeth 4 tightly pressed against each other, inside each of which annular zigzag rows of thermoelectric sections (TPPs) 5 consisting of placed in order and interconnected thermionic converters (TEC) 6. Each TEP 6 consists of a pair of segments made of different metals M1 and M2, the ends of which are flattened and tightly pressed to each other and are located in the heating and cooling zones, near the edge of the tooth 4 of the rib 3 and the surface of the pipe 1, respectively, the free ends of the zigzag ring rows of each TPP 5 being connected by jumpers 7 and 8, and the free ends of the ring rows of the extreme TPP 5, in turn, they are connected by electric wires 9 and 10 to collectors 11 and 12, current outputs and a storage unit (Figs. 1-5) are not shown.

Предлагаемое ТЭЗТ, представленное на фиг.1-5, работает следующим образом. При движении через трубу 1 теплоносителя (воды, водяного пара, хладагента и пр.) с температурой t₁ и смывании наружной поверхности ТЭЗТ газообразной окружающей средой (сбросными газами, вентиляционными выбросами, наружным воздухом и пр.) с температурой t₂ (t₁<t₂) в результате теплообмена между окружающей средой через слой 2 и теплоносителем, движущимся внутри трубы 1 ТЭЗТ, теплоноситель нагревается от температуры Т_СН до температуры Тск и подается потребителю (на фиг.1-5 не показан). Одновременно в результате процесса конвективной теплопередачи от окружающей среды охлаждаются зубцы 4 ребер 3, зубчатая конструкция которых увеличивает площадь теплообмена слоя 2, от которых основной поток тепла передается за счет теплопроводности двухслойным расплющенным, плотно прижатым друг к другу концам ТЭП 5, 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 самих металлов M1 и М2, соединенных между собой (например, спайкой), которые нагреваются при этом. Кроме того, процесс теплообмена от материала 2 к спаям металлов M1 и М2 ТЭП 5 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 концов ТЭП 5, выполненных из металлов M1 и М2, расположенных параллельно поверхности трубы теплоносителя 1 и находящихся вблизи ее наружной поверхности, за счет передачи тепла теплопроводностью через слой материала 2, обладающего высокой теплопроводностью к стенкам металлических труб теплоносителя 1, откуда тепло передается конвекцией к нагреваемому теплоносителю. В результате этих процессов происходит нагрев двухслойных спаев, состоящих из плотно соединенных между собой слоев металлов M1 и М2, расположенных в зоне нагрева, и охлаждение двухслойных спаев, выполненных также из металлов M1 и М2, расположенных в зоне охлаждения каждой ТЭП 6, соединенных между собой, что создает эмиссию электронов во всех ТЭП 6 и, соответственно, возникновение в кольцевых зигзагообразных рядах всех ТЭС 5 термоэлектричества [С.Г.Калашников. Электричество. - М.: Наука, 1970, с.502-506], которое суммируется на коллекторах 11 и 12 и через тоководы поступает в накопительный блок (на фиг.1-5 не показаны), откуда подается потребителю. В случае t₁>t₂ процесс теплопередачи и генерации термоэлектричества происходит аналогично вышеописанному, но в противоположном направлении, при этом также меняются знаки зарядов на токовыводах.The proposed TEZT presented in figure 1-5, works as follows. When moving through the pipe 1 coolant (water, water vapor, refrigerant, etc.) with a temperature t ₁ and flushing the outer surface of the TEZT with a gaseous environment (waste gases, ventilation emissions, outside air, etc.) with a temperature t ₂ (t ₁ < t ₂ ) as a result of heat exchange between the environment through layer 2 and the coolant moving inside the TEZT pipe 1, the coolant is heated from temperature T _CH to temperature Tsk and supplied to the consumer (not shown in Figs. 1-5). At the same time, as a result of convective heat transfer from the environment, the teeth of 4 ribs 3 are cooled, the tooth structure of which increases the heat exchange area of layer 2, from which the main heat flux is transmitted due to thermal conductivity to the two-layer flattened, tightly pressed to each other ends of TEC 5 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 the layers of the metals M1 and M2 themselves, connected x together (e.g., brazed) that produce heat it. In addition, the heat transfer process from material 2 to the junctions of metals M1 and M2 of TEC 5 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, p. 195-198]. At the same time, the two-layer flattened ends of TEC 5 made of metals M1 and M2, parallel to the surface of the coolant pipe 1 and located near its outer surface, are cooled due to heat transfer through the layer of material 2 having high thermal conductivity to the walls of the metal pipes of the coolant 1, whence heat is transferred by convection to the heated coolant. As a result of these processes, heating of two-layer junctions consisting of tightly interconnected layers of metals M1 and M2 located in the heating zone occurs and cooling of two-layer junctions made also of metals M1 and M2 located in the cooling zone of each TEC 6, interconnected , which creates the emission of electrons in all TEC 6 and, accordingly, the appearance of thermoelectricity in the ring zigzag rows of all TES 5 [S. G. Kalashnikov. Electricity. - M .: Nauka, 1970, p. 502-506], which is summed up on the collectors 11 and 12 and through current leads enters the storage unit (not shown in Figs. 1-5), from where it is supplied to the consumer. In the case t ₁ > t _{2, the} process of heat transfer and generation of thermoelectricity occurs similarly to the above, but in the opposite direction, while the signs of charges on the current leads also change.

Величина разности электрического потенциала и силы тока на токовыводах одной ТЭЗТ зависит от разности температур, создаваемых теплоносителем, движущимся в трубе 1, и средой, омывающей ТЭЗТ, значения коэффициента теплопроводности слоя 2 и его толщины, характеристик пары металлов M1 и М2, из которых изготовлены ТЭП 6, их количества в каждой ТЭС 5 и количества самих ТЭС 5. Требуемые напряжение U и силу тока I ТЭЗТ получают путем установки соответствующего числа ТЭЗТ, суммирования и трансформации получаемого ими тока.The magnitude of the difference in electric potential and current strength at the current outputs of one TEZT depends on the temperature difference created by the heat carrier moving in the pipe 1 and the medium washing the TEZT, the values of the thermal conductivity of layer 2 and its thickness, the characteristics of the metal pair M1 and M2 from which the TEC is made 6, their numbers in each TPP 5 and the number of TPPs themselves 5. The required voltage U and current strength I of the TEZT are obtained by setting the corresponding number of TEZT, summing and transforming the current they receive.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет упростить конструкцию ТЭЗТ и генерировать термоэлектричество не только в специальных теплоэлектрогенераторах, но и в различной трубчатой теплообменной аппаратуре (теплообменниках, отопительных приборах и пр.), в трубопроводах, интенсифицировать процесс теплопередачи от среды к теплоносителю и увеличить количество и параметры получаемой электрической энергии, что повышает надежность и эффективность термоэлектрического звена для трубы.Thus, the present invention allows to simplify the design of TEZT and generate thermoelectricity not only in special heat generators, but also in various tubular heat exchangers (heat exchangers, heating devices, etc.), in pipelines, to intensify the process of heat transfer from the medium to the coolant and increase the number and parameters received electric energy, which increases the reliability and efficiency of the thermoelectric link for the pipe.

Claims

A thermoelectric link for a pipe, including a coolant pipe, coated with a layer of dielectric material with high thermal conductivity, in which thermionic transducers made of two different metals M1 and M2 are arranged alternately connected by jumpers and located in heating and cooling zones, the free ends of which are connected to current leads, characterized in that the dielectric material layer is made of separate annular gear ribs with teeth tightly pressed against each other, inside each of which placed circular zigzag rows of thermoelectric sections, consisting of thermionic transducers arranged in sequence and interconnected, consisting of a pair of segments made of different metals M1 and M2, the ends of which are flattened and pressed tightly to each other and located in the heating and cooling zones, near the edge of the tooth of the ribs and the outer surface of the coolant pipe, respectively.