RU2575769C1

RU2575769C1 - Universal thermoelectric converter

Info

Publication number: RU2575769C1
Application number: RU2014144948/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Ежов; Наталья Евгеньевна Семичева; Сергей Владимирович Березин; Тагир Леронович Антагулов
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2016-02-20

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: converter comprises a housing made of dielectric material with high thermal conductivity finned on opposite sides with the parallel fins forming grooves between them, reinforced inside with the contour reinforcement which consists of a thermionic cells. The thermionic converters are paired parallel wire segments made of different metals M1 and M2, isolated from each other in length with a thin layer of dielectric material, welded at the ends to each other, forming rows. The rows are arranged so that the left and right parts of the welded ends of wire segments with the welded ends are arranged in layers of dielectric material of parallel ribs parallel to their lateral surface without touching it. The middle parts of the wire segments are arranged in an array of the dielectric material of the housing. The rows are interconnected with jumpers. The outermost wire segments of the outermost rows are connected to the single-pole collectors of electrical charges, which in turn are connected to an electric battery. In the grooves between the ribs a grid is placed, made of a material with high thermal conductivity.

EFFECT: increased efficiency of the converter.

10 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для утилизации возобновляемых, вторичных тепловых энергоресурсов и низкопотенциальной тепловой энергии природных источников, а именно для трансформации тепловой энергии в электрическую.The present invention relates to a power system and can be used for the disposal of renewable, secondary thermal energy and low-potential thermal energy of natural sources, namely, for the transformation of thermal energy into electrical energy.

Известна секция ресурсосберегающей системы энергоснабжения здания, представляющая собой термоэлектрический преобразователь, состоящий из прямоугольного корпуса, выполненного из материала-диэлектрика, крышка которого выполнена из материала с высокой теплопроводностью, а полость заполнена первым слоем материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, примыкающим к крышке, и вторым слоем материала-диэлектрика с низкой теплопроводностью, который примыкает к днищу корпуса, в котором помещена контурная арматура, состоящая из элементов термоэлектрического преобразователя, представляющих собой парные оголенные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2, спаянные на концах между собой, образуя зигзагообразные ряды, устроенные таким образом, что левые части проволочных отрезков с левыми спаянными концами согнуты под углом 90^° и располагаются в первом слое материала- диэлектрика, параллельно крышке секции, не касаясь ее, а правые части проволочных отрезков пропущены через второй слой материала-диэлектрика с низкой теплопроводностью и через отверстия в днище корпуса секции так, что частично проволочные отрезки с правыми спаянными концами выступают из его днища наружу, а крайние проволочные отрезки крайних зигзагообразных рядов соединены с однополюсными коллекторами электрических зарядов, которые, в свою очередь, соединены с электрическим аккумулятором [Патент РФ №2462568, МПК E04 Н1/00, F24D 5/10, 2012].A section of a resource-saving energy supply system of a building is known, which is a thermoelectric converter consisting of a rectangular casing made of dielectric material, the lid of which is made of material with high thermal conductivity, and the cavity is filled with a first layer of dielectric material with high thermal conductivity adjacent to the lid, and a second a layer of dielectric material with low thermal conductivity, which is adjacent to the bottom of the housing, which contains the contour reinforcement, consisting of elements the thermoelectric conversion element constituting the paired exposed wire segments made of different metals M1 and M2 are soldered at the ends together to form zigzag rows arranged such that the left part of the wire segments with left soldered ends bent at 90 ^° and disposed in the first a layer of dielectric material parallel to the cover of the section without touching it, and the right parts of the wire segments are passed through a second layer of dielectric material with low thermal conductivity and through holes in looking for the section housing so that partially wire segments with right-hand soldered ends protrude from its bottom to the outside, and the extreme wire segments of the extreme zigzag rows are connected to unipolar collectors of electric charges, which, in turn, are connected to an electric battery [RF Patent No. 2462568, IPC E04 H1 / 00, F24D 5/10, 2012].

Основными недостатками известной секции являются сложность конструкции корпуса секции термоэлектрического преобразователя, непосредственный контакт с наружным воздухом левых спаянных концов проволочных отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, которая, при наличии влаги в окружающем воздухе или на поверхности ограждения здания (например, при дождливой погоде), приводит к резкому уменьшению количества вырабатываемого термоэлектричества, что снижает его надежность и эффективность.The main disadvantages of the known section are the complexity of the design of the casing of the thermoelectric converter section, direct contact with the outside air of the left soldered ends of the wire segments made of different metals M1 and M2, which, in the presence of moisture in the ambient air or on the surface of the building enclosure (for example, in rainy weather) ), leads to a sharp decrease in the amount of generated thermoelectricity, which reduces its reliability and efficiency.

Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является термоэлектрический преобразователь термоэмиссионной системы электроснабжения здания, состоящий из прямоугольного полого корпуса, выполненного из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, армированного контурной арматурой, между крышкой и днищем которого имеется замкнутая воздушная полость, контурная арматура состоит из элементов, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2 и спаянные на концах между собой, образующие зигзагообразные ряды, устроенные таким образом, что левые и правые части проволочных отрезков со спаянными концами согнуты под углом 90^° и располагаются в слоях материала-диэлектрика крышки и днища, параллельно их поверхности, не касаясь ее, а средние части парных проволочных отрезков расположены в воздушной полости, крайние проволочные отрезки крайних зигзагообразных рядов соединены с однополюсными коллекторами электрических зарядов, которые, в свою очередь, соединены с электрическим аккумулятором [Патент РФ №2499107, МПК E04 C2/26, 2013].Closer in technical essence to the present invention is a thermoelectric converter of a thermionic power supply system of a building, consisting of a rectangular hollow body made of a dielectric material with high thermal conductivity, reinforced with contour reinforcement, between the cover and the bottom of which there is a closed air cavity, contour reinforcement consists of elements , representing a pair of wire segments made of different metals M1 and M2 and soldered at the ends between themselves d, forming zigzag rows arranged in such a way that the left and right parts of the wire segments with soldered ends are bent at an angle of 90 ^° and are located in the layers of dielectric material of the lid and bottom, parallel to their surface, without touching it, and the middle parts of paired wire segments located in the air cavity, the extreme wire segments of the extreme zigzag rows are connected to unipolar collectors of electric charges, which, in turn, are connected to an electric battery [RF Patent No. 2499107, IPC E04 C2 / 26, 2013].

Основным недостатком известного термоэлектрического преобразователя термоэмиссионной системы электроснабжения здания является зигзагообразная компоновка термоэмиссионных элементов с изгибом их спаев под углом 90^° и обусловленная этим малое количество термоэмиссионных элементов на единице его площади и низкая удельная производительность по выработке термоэлектричества, что снижает его эффективность.The main disadvantage of the known thermoelectric converter of the thermionic power supply system of the building is the zigzag arrangement of thermionic elements with a bend of their junctions at an angle of 90 ^° and the resulting small number of thermionic elements per unit of its area and low specific productivity for generating thermoelectricity, which reduces its efficiency.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности универсального термоэлектрического преобразователя, достигаемая путем изменения компоновки термоэмиссионных элементов внутри него и поверхности его корпуса.The technical result of the invention is to increase the efficiency of a universal thermoelectric converter, achieved by changing the layout of thermionic elements inside it and the surface of its body.

Технический результат достигается универсальным термоэлектрическим преобразователем, содержащим корпус, выполненный из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, оребренный с противоположных сторон параллельными ребрами, образующими между собой пазы, изнутри армированный контурной арматурой, которая состоит из термоэмиссионных элементов, представляющих собой парные параллельные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2, изолированные друг от друга по длине тонким слоем материала-диэлектрика, спаянные на концах между собой, образующие ряды, устроенные таким образом, что левые и правые части спаянных концов проволочных отрезков со спаянными концами располагаются в слоях материала-диэлектрика параллельных ребер, параллельно их боковой поверхности, не касаясь ее, а средние части проволочных отрезков расположены в массиве материала-диэлектрика корпуса, ряды соединены между собой перемычками, крайние проволочные отрезки крайних рядов соединены с однополюсными коллекторами электрических зарядов, которые, в свою очередь, соединены с электрическим аккумулятором, причем в пазах между ребрами размещена решетка, состоящая из рамки с продольными полосами, зеркально отражающая пазы корпуса, выполненная из материала с высокой теплопроводностью.The technical result is achieved by a universal thermoelectric converter containing a housing made of a dielectric material with high thermal conductivity, ribbed on opposite sides by parallel ribs forming grooves between them, internally reinforced by contour reinforcement, which consists of thermionic elements, which are paired parallel wire segments made of different metals M1 and M2, isolated from each other along the length of a thin layer of dielectric material, soldered to ends together, forming rows arranged in such a way that the left and right parts of the soldered ends of the wire segments with soldered ends are located in the layers of dielectric material of parallel ribs, parallel to their side surface, without touching it, and the middle parts of the wire segments are located in the array of material - dielectric of the case, the rows are interconnected by jumpers, the extreme wire segments of the extreme rows are connected to unipolar collectors of electric charges, which, in turn, are connected to the electric eskim battery, wherein in the grooves between the ribs of the lattice is placed, consisting of a frame with longitudinal strips, the slots specularly reflecting body made of a material with high thermal conductivity.

На фиг. 1-10 представлен предлагаемый универсальный термоэлектрический преобразователь (УТЭП). На фиг. 1 - общий вид в сборе, на фиг. 2, 3 - разрезы УТЭП без решетки, на фиг. 4, 5 - основной узел УТЭП и его разрез без решетки, на фиг. 6-8 - решетка УТЭП и ее разрезы, на фиг 9, 10 - основной узел УТЭП и его разрез с решеткой.In FIG. 1-10 presents the proposed universal thermoelectric converter (UTEP). In FIG. 1 is a general view of the assembly, in FIG. 2, 3 - sections of UTEP without a lattice, in FIG. 4, 5 - the main unit of the UTEP and its section without a lattice, in FIG. 6-8 - UTEP lattice and its sections, Figs. 9, 10 - UTEP main assembly and its section with a lattice.

Предлагаемый универсальный термоэлектрический преобразователь (УТЭП) содержит корпус 1, выполненный из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, оребренный с противоположных сторон параллельными ребрами 2, образующими между собой пазы 3, изнутри армированный контурной арматурой 4, которая состоит из термоэмиссионных элементов 5, представляющих собой парные параллельные проволочные отрезки 6 и 7, выполненные из разных металлов М1 и М2, изолированные друг от друга по длине тонким слоем материала-диэлектрика, спаянные на концах между собой, образующие ряды 8, устроенные таким образом, что левые и правые части спаянных концов проволочных отрезков 6 и 7 со спаянными концами располагаются в слоях материала-диэлектрика ребер параллельных ребер 2, параллельно их боковой поверхности, не касаясь ее, а средние части проволочных отрезков 6 и 7 расположены в массиве материала-диэлектрика корпуса 1, ряды 8 соединены между собой перемычками 9, крайние проволочные отрезки 6 и 7 крайних рядов 8 соединены с однополюсными коллекторами электрических зарядов 10 и 11 (размещение коллекторов 10, 11 на фиг. 1-10 показано условно), которые, в свою очередь, соединены с электрическим аккумулятором (на фиг. 1-10 не показан), причем в пазах 3 размещена решетка 12, состоящая из рамки 13 с продольными полосами 14, зеркально отражающая пазы 3 корпуса 1, выполненная из материала с высокой теплопроводностью.The proposed universal thermoelectric converter (UTEP) contains a housing 1 made of a dielectric material with high thermal conductivity, ribbed on opposite sides by parallel ribs 2, forming grooves 3 between them, internally reinforced by contour reinforcement 4, which consists of thermionic elements 5, which are paired parallel wire segments 6 and 7, made of different metals M1 and M2, isolated from each other along the length of a thin layer of dielectric material, soldered at the ends of in themselves, forming rows 8, arranged in such a way that the left and right parts of the soldered ends of the wire segments 6 and 7 with soldered ends are located in the layers of dielectric material of the ribs of parallel ribs 2, parallel to their side surface, without touching it, and the middle parts of the wire segments 6 and 7 are located in the array of dielectric material of the housing 1, rows 8 are interconnected by jumpers 9, extreme wire segments 6 and 7 of the extreme rows 8 are connected to unipolar collectors of electric charges 10 and 11 (placement of collectors 10, 11 in FIG. 1-10 shown conditionally), which, in turn, are connected to an electric battery (not shown in FIGS. 1-10), and in the grooves 3 there is a lattice 12 consisting of a frame 13 with longitudinal stripes 14, mirroring the grooves 3 of the housing 1 made of a material with high thermal conductivity.

В основу работы предлагаемого УТЭП положено следующее. Так как контурная арматура 4 изготовлена из парных проволочных отрезков 6 и 7, выполненных из разных металлов М1 и М2, спаянных на концах между собой, то при нагреве (охлаждении) одних спаянных концов проволочных отрезков 6 и 7 термоэмиссионных элементов 5 с одной стороны и охлаждении (нагреве) противоположных им спаянных концов, на них устанавливаются разные температуры и в зоне контакта (спае) металлов М1 и М2 происходит термическая эмиссия электронов, в результате чего в рядах 8 появляется термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. - М.: «Наука», 1970, с. 502-506].The proposed UTEP is based on the following. Since the contour reinforcement 4 is made of paired wire segments 6 and 7, made of different metals M1 and M2, soldered at the ends between each other, when heating (cooling) one of the soldered ends of the wire segments 6 and 7 of the thermionic elements 5 on one side and cooling (heating) of the soldered ends opposite to them, different temperatures are set on them and in the contact zone (junction) of the metals M1 and M2, thermal emission of electrons occurs, as a result of which thermoelectricity appears in rows 8 [S.G. Kalashnikov. Electricity. - M .: "Science", 1970, p. 502-506].

УТЭП работает следующим образом. При соприкосновении ребер 2 одной стороны корпуса 1 с холодной средой, а ребер 2 противоположной стороны корпуса 1 с горячей средой (ребра 2 выполнены из материала с высокой теплопроводностью и в них размещены спаи проволочных отрезков 6 и 7 термоэмиссионных элементов 5 УТЭП), спаи термоэмиссионных элементов 5 с одной стороны охлаждаются, а с противоположной стороны корпуса 1 нагреваются, на них устанавливаются разные температуры, происходит процесс передачи тепла от горячей среды к холодной. При этом одновременно с процессом теплопередачи в результате разности температур охлажденных и нагретых спаянных концов проволочных отрезков 6 и 7, выполненных из металлов М1 и М2 термоэмиссионных элементов 5 в рядах 8, появляется термоэлектричество, которое через однополюсные коллекторы электрических зарядов 10 и 11 поступает в электрический аккумулятор (на фиг. 1-10 не показан), откуда подается потребителю. При этом, если горячая или холодная среда представляют собой твердое тело, на сторону корпуса 1, соприкасающегося с ним, в пазы 3 вставляется решетка 12 и теплопередача от твердого тела к спаям термоэмиссионных элементов 5 происходит через материал с высокой теплопроводностью продольных полос 14 решетки 12 и материал также с высокой теплопроводностью ребер 2 корпуса 1, минуя дополнительное сопротивление промежуточного слоя, создаваемого газовой или жидкой средой, что увеличивает значение коэффициента теплопередачи.UTEP works as follows. When the fins 2 of one side of the housing 1 come into contact with the cold medium, and the fins 2 of the opposite side of the housing 1 with the hot medium (the fins 2 are made of a material with high thermal conductivity and they contain junctions of wire segments 6 and 7 of the thermionic elements 5 of UTEP), junctions of thermionic elements 5, on the one hand, they are cooled, but on the opposite side of the housing 1 they are heated, different temperatures are set on them, and heat is transferred from the hot medium to the cold. In this case, simultaneously with the heat transfer process, as a result of the temperature difference of the cooled and heated soldered ends of the wire segments 6 and 7, made of metals M1 and M2 of the thermionic elements 5 in rows 8, thermoelectricity appears, which through single-pole collectors of electric charges 10 and 11 enters the electric battery (not shown in FIGS. 1-10), from where it is supplied to the consumer. Moreover, if the hot or cold medium is a solid body, a lattice 12 is inserted into the grooves 3 of the body 1 in contact with it and the heat transfer from the solid to the junctions of the thermionic elements 5 is transmitted through the material with high thermal conductivity of the longitudinal strips 14 of the lattice 12 and the material is also with high thermal conductivity of the ribs 2 of the housing 1, bypassing the additional resistance of the intermediate layer created by a gas or liquid medium, which increases the value of the heat transfer coefficient.

Величина разности электрического потенциала на коллекторах 10 и 11 и сила электрического тока зависит от характеристик пар металлов М1 и М2, из которых изготовлены проволочные отрезки 6 и 7, числа их пар в рядах 8 и их числа в УТЭП, разности температур на противоположных спаянных концах элементов М1 и М2 и количества УТЭП в случае их компоновки в одну теплообменную поверхность. Полученный электрический ток из одиночного УТЭП можно использовать для подзарядки мобильных телефонов, айфонов, плэйеров и тому подобных устройств в условиях отсутствия электроснабжения (например, при кипячении воды на костре, поместив его на дно емкости с подогреваемой водой или положив его на освещаемый солнцем участок льда или снега). При компоновке множества УТЭП в одну теплообменную поверхность полученный электрический ток можно использовать для самых различных целей (освещения зданий, горячего водоснабжения, зарядки автомобильных аккумуляторов, электроснабжения космических и подводных аппаратов и пр.), при условии наличия сред или поверхностей с различными температурами.The magnitude of the difference in electric potential on the collectors 10 and 11 and the strength of the electric current depends on the characteristics of the pairs of metals M1 and M2 from which the wire segments 6 and 7 are made, the number of their pairs in rows 8 and their number in UTEP, the temperature difference at the opposite soldered ends of the elements M1 and M2 and the amount of UTEP in case of their assembly into one heat-exchange surface. The resulting electric current from a single UTP can be used to recharge mobile phones, iPhones, players, and similar devices in the absence of power supply (for example, when boiling water on a fire, placing it on the bottom of a container with heated water or putting it on a piece of ice illuminated by the sun or snow). When assembling multiple UTEPs into one heat-exchange surface, the obtained electric current can be used for a wide variety of purposes (lighting buildings, hot water supply, charging car batteries, powering space and underwater vehicles, etc.), provided that there are environments or surfaces with different temperatures.

Таким образом, предлагаемый УТЭП обеспечивает как в летнее, так и зимнее время, получение электрической энергии в различных количествах, которую можно использовать для различных целей.Thus, the proposed UTEP provides both in summer and winter time, the production of electric energy in various quantities, which can be used for various purposes.

Claims

A universal thermoelectric converter, including a housing made of a material with a high thermal conductivity dielectric, in which contour reinforcement is placed, consisting of thermionic elements, which are paired wire segments made of different metals M1 and M2, welded together at the ends, forming rows, interconnected by jumpers, the extreme of which are connected to unipolar collectors of electric charges, connected, in turn, to an electric battery, distinguishing In that the casing is made of parallel ribs ribbed from opposite sides, forming grooves between each other, inside the casing the thermionic elements of reinforced contour reinforcement are paired parallel wire segments insulated from each other along the length by a thin layer of dielectric material, the left and right parts of the welded ends the wire segments are located in the layers of the dielectric material of the ribs parallel to the ribs, parallel to their side surface, without touching it, the middle parts of the wire cut s are arranged in an array, the dielectric material housing, and in the grooves between the ribs of the lattice is placed, consisting of a frame with longitudinal strips, the slots specularly reflecting body made of a material with high thermal conductivity.