ТЕРМОГЕНЕРАТОРОМ

Изобретение относится к термоэлектрической энергетике, в частности к термоэлектрическим приборам, основанным на эффекте Зеебека, и может быть использовано в качестве отопительной установки на углеводородном топливе:

- в транспортных средствах, а именно в системах, предназначенных для отопления салона, подогрева и поддержания предпусковых температурных условий двигателей внутреннего сгорания в условиях отрицательных температур окружающей среды и может быть использовано во всех транспортных средствах, в том числе и для электрических транспортных средств (электрических автобусов) в качестве обогревателя кабины водителя / салона, тяговых батарей, которые не отдают необходимую энергию при отрицательных температурах, в качестве средства ускорения подготовки батарей для зарядки, в передвижных дизель-электростанциях, для отопления передвижных кемпингов, маломерных судов;

- для обогрева помещений и зданий.

Существующие автономные автомобильные отопители (подогреватели) на углеводородном топливе не являются, по сути, полностью автономными. Они потребляют от аккумулятора электроэнергию (100-200 Ватт в зависимости от модели отопителя), которая необходима для работы электробензонасоса, электропомпы, осуществляющей циркуляцию охлаждающей жидкости, и воздушного электронагнетателя, используемого для подачи воздуха в горелку. Основной недостаток данных устройств заключается в потреблении ими электроэнергии от аккумулятора в течение всего времени работы, которое существенно ограничивается резервной емкостью аккумуляторной батареи, необходимой для запуска двигателя внутреннего сгорания, и составляет от 30 минут до нескольких часов. При отрицательных температурах емкость аккумулятора уменьшается примерно линейно. Чем меньше температура, тем меньше остается емкости аккумулятора для работы существующих автономных отопителей. При отрицательных температурах самого аккумулятора, он плохо принимает заряд от генератора. Практически все типы аккумуляторов не берут заряд ниже -20°С. При заряде литий-ионного аккумулятора ниже -20°С происходит ускоренная их деградация, выход из строя. (Патенты РФ по поддержанию тепла аккумулятора за счет энергии батарей N2RU2589530, jsfoRU2611592)

При частом использовании отопителя, аккумуляторная батарея постепенно разряжается, так как не успевает восстановить емкость за время работы двигателя внутреннего сгорания от генератора. Аккумулятор необходимо в холодное время года периодически дополнительно подзаряжать от внешнего зарядного устройства в теплых условиях. Для электрических транспортных средств (электрических автобусов), в холодное время года, существует проблема уменьшения заряда тяговых аккумуляторных батарей (соответственно и выбега транспортного средства), так как необходим обогрев кабины водителя / салона, тяговых аккумуляторных батарей.

При обогреве помещений, зданий локальными отопительными установками для работы автоматики, циркуляционного насоса требуется внешний источник электроэнергии. В случае пропадания электроэнергии отопительная установка прекращает работу и здание охлаждается.

Известен термоэлектрический генератор питания устройств отопительных котлов (патент на изобретение Украины N2UA87034 от 03.09.2007), содержащий термоэлектрические модули, расположенные между холодным и горячим теплообменниками, и горелку на газовом или жидком органическом топливе, горячий теплообменник состоит из индивидуальных для каждого термоэлектрического модуля теплообменников, расположенных друг над другом по крайней мере в двух горизонтальных рядах, одна из поверхностей этих теплообменников содержит вертикальные ребра, расположенные в потоке горячих газов, поступающих отдельно от горелки, вторая поверхность имеет тепловой контакт с горячей стороной термоэлектрического модуля, холодный теплообменник выполнен в виде основания, имеет с одной стороны N плоскостей, с расположенными на них термоэлектрическими модулями, а с другой - ребра охлаждения, имеют тепловой контакт с циркулирующим в котле жидким теплоносителем.

Недостатками известного устройства являются:

- ограничение мощности отопителя, передаваемой от горелки в теплоноситель, из-за того, что весь тепловой поток проходит только через термогенераторные модули (далее ТГМ). Использование части теплового потока для генерации необходимой мощности электроэнергии с помощью ТГМ, а оставшейся части только для нагрева теплоносителя, не предусмотрено заявленной конструкцией;

- отсутствие датчика(ов) температуры горячей стороны ТГМ для автоматического контроля температуры, ее регулировки, защиты ТГМ от перегрева;

- отсутствие возможности выравнивания температуры горячей стороны для всех ТГМ при неравномерном нагреве теплообменника;

- не предусмотрено применение преобразователя напряжения с высоким КПД в среднем не менее 90%, который позволит работать в широком диапазоне изменения тепловой мощности и соответственно изменения выходного напряжения ТГМ ниже и выше номинального.

Известен также термоэлектрический источник питания (патент на изобретение Украины N ₂ UA102303 от 28.11.2011) на основе источника тепла на углеводородном топливе, который состоит из горячего и холодного теплообменников, термоэлектрических модулей, расположенных между теплообменниками и вспомогательными устройствами подачи топлива и воздуха, горячий теплообменник источника питания имеет форму пустотелой цилиндрической или квадратной трубы, на одном из торцов которой последовательно расположены источник тепла для сжигания жидкого или газообразного топлива и вентилятор подачи воздуха, а второй торец соединен с газовым коллектором, на выходе которого установлена выхлопная труба; холодный теплообменник состоит из ряда жидкостных индивидуальных для каждого термоэлектрического модуля теплообменников, которые соединены в один гидравлический контур, содержащий циркуляционный насос и подключен к системе охлаждения автомобиля.

Недостатками известного устройства являются:

- ограничение мощности отопителя, передаваемой от горелки в теплоноситель, из-за того, что весь тепловой поток проходит только через термогенераторные модули (далее ТГМ). Использование части теплового потока для генерации необходимой мощности электроэнергии с помощью ТГМ, а оставшейся части только для нагрева теплоносителя, не предусмотрено заявленной конструкцией;

- отсутствие датчика(ов) температуры горячей стороны ТГМ для автоматического контроля температуры, ее регулировки, защиты ТГМ от перегрева;

- отсутствие возможности выравнивания температуры горячей стороны для всех ТГМ при неравномерном нагреве теплообменника;

- не предусмотрено применение преобразователя напряжения с высоким КПД, в среднем не менее 90%, который позволит работать в широком диапазоне изменения тепловой мощности и соответственно изменения выходного напряжения ТГМ ниже и выше номинального;

- радиатор охлаждения с полостями для прокачки жидкости осуществляет меньший отбор тепла с холодной стороны ТГМ, чем полностью погруженный в жидкость радиатор с ребрами, соответственно, температура холодной стороны ТГМ будет выше, а и без того малый КПД снизится;

- наличие сложной гидравлической системы охлаждения ТГМ, требующей изготовления полостей для прокачки жидкости в радиаторе, индивидуальный подвод к каждому радиатору подводящих и отводящих патрубков;

- при самостоятельной замене жидкости теплоносителя в полевых условиях возможно появление воздуха в части гидравлической системы охлаждения и паровых пробок, что приведет к перегреву ТГМ и выходу его из строя;

- большие габаритные размеры, масса.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является автомобильный обогреватель с термоэлектрическим источником питания (патент на полезную модель Украины N°UA72304 от 10.08.2012) на основе источника тепла на углеводородном топливе, содержащем камеру испарения и сгорания топлива, термоэлектрических модулей, теплообменников для подвода и отвода тепла от модулей, устройств для подачи топлива, воздуха и жидкого теплоносителя, горячий теплообменник изготовлен в виде трубы, один торец которой закрыт, а на втором торце последовательно установлены воздушный вентилятор и источник тепла с испарительной камерой и камерой сгорания, на внутренней поверхности горячего теплообменника сделано продольные ребра, а на внешний - плоскости, на которых расположены термоэлектрические модули, горячая сторона которых имеет тепловой контакт с этими плоскостями, а холодная сторона - с жидкостными теплообменниками, в которых циркулирует жидкий теплоноситель.

Недостатками прототипа являются:

- ограничение мощности отопителя, передаваемой от горелки в теплоноситель, из-за того, что весь тепловой поток проходит только через термогенераторные модули (далее ТГМ). Использование части теплового потока для генерации необходимой мощности электроэнергии с помощью ТГМ, а оставшейся части только для нагрева теплоносителя, не предусмотрено заявленной конструкцией;

- отсутствие датчика(ов) температуры горячей стороны ТГМ для автоматического контроля температуры, ее регулировки, защиты ТГМ от перегрева;

- отсутствие возможности выравнивания температуры горячей стороны для всех ТГМ при неравномерном нагреве теплообменника;

- не предусмотрено применение преобразователя напряжения с высоким КПД, в среднем не менее 90%, который позволит работать в широком диапазоне изменения тепловой мощности и соответственно изменения выходного напряжения ТГМ ниже и выше номинального;

- радиатор охлаждения с полостями для прокачки жидкости осуществляет меньший отбор тепла с холодной стороны ТГМ, чем полностью погруженный в жидкость радиатор с ребрами, соответственно, температура холодной стороны ТГМ будет выше, а и без того малый КПД снизится;

- наличие сложной гидравлической системы охлаждения ТГМ, требующей изготовления полостей для прокачки жидкости в радиаторе, индивидуальный подвод к каждому радиатору подводящих и отводящих патрубков;

- при самостоятельной замене жидкости теплоносителя в полевых условиях возможно появление воздуха в части гидравлической системы охлаждения или паровых пробок, что приведет к перегреву ТГМ и выходу его из строя;

- большие габаритные размеры, масса;

- торцевая поверхность теплообменника не используется для установки ТГМ.

Задачей заявляемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков. Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в обеспечении равномерного распределения тепла от теплообменника, максимального градиента температур между холодной и горячей сторонами ТГМ (не менее 100 °С), повышение КПД термогенератора и обеспечение возможности существенного уменьшения его габаритов.

Для достижения указанного технического результата предлагается отопительная установка со встроенным термогенератором, содержащая камеру сгорания с источником воспламенения топлива, устройство подачи воздуха и топливный насос, соединенный с одной стороны с топливным баком двигателя, а с другой стороны с камерой сгорания, электронный блок управления, термогенераторные модули (ТГМ) с горячим и холодным спаями, электрически связанные через согласующий импульсный, стабилизирующий напряжение/ток DC-DC преобразователь и блок управления с аккумуляторной батарей, теплообменник нагрева ТГМ и теплообменник охлаждающей жидкости, датчики температуры, горения, соединенные с входами электронного блока управления, приводы топливного насоса, насоса охлаждающей жидкости, устройства подачи воздуха, электрически связанные с преобразователем напряжения термоэлектрического генератора с возможностью их регулирования, причем термогенераторные модули горячей стороной установлены на конструкции теплообменника ТГМ, представляющей собой емкость (резервуар) из теплопроводящих сплавов с теплопроводностью не менее 200 Вт/(м*К), с противоположной стороны термогенераторных модулей установлены радиаторы с жидкостным охлаждением, при этом, теплообменник снабжен датчиками температуры горячей стороны, связанными с электронным блоком управления, термогенераторные модули при этом выполнены низкотемпературными, кроме того, теплообменник ТГМ рассчитан на установку, по меньшей мере, одного термогенераторного модуля, нижняя поверхность которого находится в одной плоскости с поверхностью теплообменника ТГМ, а его верхняя поверхность лежит в одной плоскости с нижней поверхностью радиатора охлаждения, при этом на поверхности упомянутого теплообменника установлено, по меньшей мере, два ТГМ, а свободная поверхность теплообменника ТГМ залита материалом с низкой теплопроводностью, который одновременно обеспечивает герметизацию торцов ТГМ от попадания охлаждающей жидкости внутрь.

На поверхности теплообменника ТГМ модули могут быть установлены по периметру и с торца конструкции.

В качестве материала с низкой теплопроводностью может быть использован герметик толщиной не менее 3 мм с коэффициентом теплопроводности не более 0,1 Вт/(м*К). Так как основная часть тепловой мощности снимается с торца теплообменника, куда направлен прямой поток высокотемпературных горячих газов, то конструкция теплообменника должна быть выполнена по типу «глухой стакан» из теплопроводящих сплавов или тепловой трубы с теплопроводностью не менее 200 Вт/(м*К). На внутренней стороне могут быть выполнены ребра для улучшения теплообмена с потоком горячих газов. Толщина стенки металлического теплообменника должна обеспечивать равномерное распределение температур по теплообменнику, гарантировать отсутствие трещин около отверстий для крепления ТГМ. Наружная поверхность может быть многогранником для плоских ТГМ или другой формы совпадающей с поверхностью ТГМ. Далее описание конструкции приводится для плоских ТМГ.

Термогенераторные модули с радиаторами охлаждения располагаются на гранях многогранника с шириной площадки превышающий размер применяемого ТГМ и с торца теплообменника ТГМ.

В качестве охлаждающего теплоносителя применяются только жидкие теплоносители, имеющие высокую удельную теплоемкость.

Для улучшения теплоотвода радиатор охлаждения, установленный на холодной стороне ТГМ может иметь ребра охлаждения.

Поток холодной охлаждающей жидкости должен быть направлен в торец теплообменника ТГМ с последующим равномерным распределением потока вдоль граней многогранника.

ТГМ равномерно прижимают к теплообменнику ТГМ с помощью винтового соединения со специальными пружинами или другой конструкцией прижима обеспечивающей необходимое усилие прижатия.

Свободная поверхность теплообменника ТГМ заливается специальным материалом с низкой теплопроводностью для следующий целей:

- обеспечить герметизацию торцов ТГМ от попадания охлаждающей жидкости внутрь (до сих пор для герметизации ТГМ использовали специальный чехол из тонкого листа нержавейки, который создавал дополнительное тепловое сопротивление и сильно уменьшал КПД, такой чехол существенно увеличивает габариты термогенератора);

- направить основной тепловой поток через ТГМ;

Для улучшения агдезии при заливке герметиком, ТГМ могут располагать на специальных площадках теплообменника и радиатора, выступающих над плоскостью, имеющие размер применяемого ТГМ. Эти площадки должны быть выполнены в соответствии с требованиями к плоскости и шероховатости предъявляемыми для установки ТГМ. Остальная поверхность теплообменника и радиаторов охлаждения имеет повышенную шероховатость. ТГМ на многограннике располагаются с торца и на гранях последовательно друг за другом в потоке охлаждающей жидкости. Так как поток охлаждающей жидкости течет последовательно, начиная с торца, то температура охлаждающей жидкости после прохождения каждого радиатора увеличивается и соответственно уменьшается эффективность ТГМ за счет уменьшения разности температур между холодной и горячей стороной. Скорость нагрева охлаждающей жидкости зависит в основном от мощности теплового потока через ТГМ и скорости протекания охлаждающей жидкости, теплоемкости охлаждающей жидкости. Если скорость нагрева охлаждающей жидкости превышает заданные допуски, то может быть применена параллельная подача охлаждающей жидкости с торца и каждой грани теплообменника ко второму и последующим рядам ТГМ. Форма рубашки охлаждения в месте подачи дополнительного потока охлаждающей жидкости должна иметь увеличенное сечение, чтобы уменьшить гидростатическое давление ниже давления подачи дополнительного потока.

Увеличение числа установленных ТГМ, при необходимости, в конкретной конструкции может достигаться за счет увеличения числа граней теплообменника ТГМ и расположения дополнительных ТГМ с торца теплообменника при увеличении диаметра теплообменника.

Для более устойчивой работы термогенератора в разных режимах от малого до полного во всем диапазоне тепловой мощности могут быть применены следующие решения:

а) расчет необходимого числа ТГМ в термогенераторе для генерации заданной мощности на заданное напряжение производится по вырабатываемой тепловой мощности в минимальном режиме и с минимально допустимым градиентом температур для данной конструкции;

б) для согласования значений изменения выходного напряжения ТГМ ниже и выше номинального во всем диапазоне тепловой мощности устанавливается импульсный, стабилизирующий напряжение/ток DC-DC преобразователь с управлением от блока управления, с КПД, в среднем не менее 90%.

в) необходимая площадь теплообменника, используемая для подогрева охлаждающей жидкости до требуемой температуры после прохождения через термогенератор, рассчитывается исходя из общей тепловой мощности, которую должен обеспечить подогреватель (отопитель), а тепловая мощность, отдаваемая термогенератором, рассчитывается из количества установленных ТГМ, их тепловых характеристик, и передачей тепла через теплоизолирующий герметик.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На фигуре 1 представлена отопительная установка со встроенным термогенератором в разрезе, на фигуре 2 представлен воздушный отопитель, в основе конструкции которого лежит отопительная установка со встроенным термогенератором, где:

1 - аккумуляторная батарея;

2 - блок управления;

3 - пульт управления;

4 - топливный бак;

5 - топливный насос;

6— импульсный DC-DC преобразователь;

7— нагнетатель воздуха;

8 - камера сгорания;

9 - циркуляционный насос;

10 - датчик температуры холодного жидкостного теплоносителя;

11 - всасывающий патрубок охлаждающей жидкости;

12 - корпус;

13 - теплообменники нагрева охлаждающей жидкости;

14 - герметик;

15 - теплообменники нагрева ТГМ;

16 - радиаторы охлаждения;

17 - ТГМ;

18 - датчик температуры теплообменника нагрева ТГМ;

19 - свеча зажигания;

20 - датчик горения;

21 - всасывающий патрубок нагнетателя воздуха;

22 - патрубок вывода охлаждающей жидкости;

23 - датчик температуры горячего жидкостного теплоносителя;

24 - патрубок выхлопных газов;

25 - жидкостный теплоноситель;

26 - шланг подачи охлаждающей жидкости на радиатор охлаждения

27 - радиатор охлаждения;

28 - дополнительный внешний корпус воздушного канала;

29 - нагнетающие лопасти вентилятора наддува;

30 - передний обтекатель;

31 - задний обтекатель;

32 - термоизолирующее покрытие.

Отопительная установка содержит теплообменники для нагрева охлаждающей жидкости (13) и нагрева ТГМ (15), внутри которого расположена камера сгорания (8) со свечой зажигания (накаливания) (19), нагнетатель воздуха (7), всасывающий патрубок нагнетателя (21), патрубок выхлопных газов (24), всасывающий патрубок охлаждающей жидкости (1 1), патрубок вывода охлаждающей жидкости (22). На поверхности теплообменника (15), горячими спаями к ней, размещены ТГМ (17), на противоположной поверхности которых, на холодных спаях, установлены радиаторы охлаждения (16). Гидро и тепло изоляция ТГМ (17) и свободных поверхностей теплообменника нагрева ТГМ (15) осуществляется специальным герметиком (14). Теплообменник нагрева ТГМ (15) снабжен датчикам температуры (18), а камера сгорания (8) - датчиком горения (20). Температуру жидкостного теплоносителя (25) контролирует датчик температуры на входе (10) и датчик на выходе (24). Устройство заключено в корпус (12). Топливный насос (5) из топливного бака подает топливо в камеру сгорания (8). Циркуляционный насос (9) производит циркуляцию жидкостного теплоносителя. Свеча зажигания (накаливания) (19), выходы всех датчиков температур (10), (23), датчика горения (20) связаны с электронным блоком управления (2), управляющим всем процессом с помощью пульта управления (3). Выходы от ТГМ через согласующий импульсный, стабилизирующий напряжение/ток DC-DC преобразователь подаются на электронный блок управления (2). Подзарядка аккумуляторной батареи (1) осуществляется также по программе электронного блока управления (2).

Описанное устройство может быть использовано в качестве основы конструкции воздушного отопителя, используемого для обогрева помещений и зданий. Автономный воздушный отопитель, дополнительно к конструкции отопительной установки, содержит шланг 26 подачи охлаждающей жидкости на радиатор охлаждения 27. Дополнительный внешний корпус воздушного канала 28, нагнетающие лопасти вентилятора наддува 29, передний 30 и задний 31 обтекатели, термоизолирующее покрытие 32.

Установка со встроенным термогенератором работает следующим образом.

Включение устройства и вывод его на рабочий режим происходит аналогично, как и в известных устройствах, за счет электроэнергии аккумуляторной батареи (1), управляемой электронным блоком (2) через пульт управления (3). Сначала запускается нагнетатель воздуха (7), затем включается топливный насос (5), который подает топливо из топливного бака (4) в камеру сгорания (8), где первоначальный поджог топлива осуществляют с помощью свечи зажигания (свечи накаливания) (19). Выключение свечи накаливания (19) (зажигания) осуществляют по команде с электронного блока управления (2) после установления устойчивого горения в камере сгорания (8), которое определяют по показаниям датчика горения (20). Регулирование требуемой температуры теплоносителя (25) и температуры теплообменника ТГМ (15) для обеспечения оптимальной работы ТГМ (17) осуществляют с помощью электронного блока управления (2) на основании заданной пульту управления (3) температуры с учетом показаний датчиков температуры (18) нагреваемой среды путем изменения количества подаваемого топлива в камеру сгорания 8, количеством нагнетаемого воздуха нагнетателем (7), скоростью прокачки теплоносителя (25) через теплообменник (15) на основании показаний датчиков (23,10). Выходы от ТГМ (15) через согласующий импульсный, стабилизирующий напряжение/ток DC-DC преобразователь подаются на электронный блок управления (2).

Анализ патентной и научно-технической литературы не выявил технических решений с подобной совокупностью существенных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» заявляемого изобретения.

Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».