Термоелектричний генератор для систем телеметрії

Корисна модель відноситься до термоелектричних джерел живлення і знайде застосування для перетворення теплової енергії згоряння органічного газового палива в електричну. Термогенератор призначений для живлення електричною енергією телеметричного обладнання газо- і нафтопроводів, бурильних установок, а також іншого аналогічного обладнання та пристроїв. Відомий термогенератор [1] для живлення систем телеметричного контролю свердловин у процесі буріння. Генератор містить корпус, у якому встановлено ізотопне або хімічне джерело тепла і термоелектричні модулі, які нагріваються від цього джерела тепла. Тепло від модулів відводиться потоком бурового розчину. Недоліком такого генератора є те, що він використовується тільки для живлення систем телеметрії бурових свердловин і працює тільки при прокачуванні бурового розчину, потоком якого відводиться тепло від холодної сторони термобатареї. У випадку використання ізотопного джерела тепла такий генератор є екологічно небезпечним. Відомий термогенератор [2] для живлення телеметричного обладнання, що містить гарячий радіатор, який прикріплюється до джерела тепла у вигляді геотермальної гарячої труби або труби, по якій рухається гаряча нафта, холодний повітряний теплообмінник та термоелектричні модулі, розташовані між ними. Недоліком генератора є низька потужність, зумовлена малим перепадом температур та суттєві втрати тепла, зумовлені складністю передачі тепла від труби до модуля. При збільшенні потужності генератора суттєво зростають його габаритні розміри. Відомий термогенератор [3] для автономного живлення електро- і радіоапаратури у експедиційних умовах. Генератор поміщений у корпус і складається з пальника полум'яного типу, холодного, гарячого теплообмінників і напівпровідникових термоелементів розташованих між теплообмінниками. Пальник розташований у нижній частині гарячого радіатора. Недоліком генератора є нестабільність параметрів і низька надійність при роботі на відкритому повітрі. За наявності вітру або осадів стабільність роботи пальника порушується. А в ряді випадків робота генератора припиняється внаслідок згасання пальника. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі є термогенератор [4], що містить пальниковий пристрій на органічному паливі, термоелектричні батареї з гарячим теплообмінником і холодним радіатором, камеру згоряння з витяжною трубою та пристрій для регулювання підігріву палива, що включає сильфони з легко киплячою рідиною. Генератор поміщений у корпус, що має отвори для надходження повітря. Недоліком генератора є складна конструкція, нестабільність роботи пальника, а відповідно вихідних електричних параметрів генератора при його експлуатації за складних кліматичних умов: вітер, опади і т. ін. Це зумовлено тим, що інжектор пальника, який знаходиться у корпусі безпосередньо біля отворів для надходження повітря, не захищений від неконтрольованого примусового надходження повітря. Це є причиною зміни складу газоповітряної суміші при поривах вітру і як наслідок нестабільної роботи пальника або повного згасання у випадку суттєвого відхилення складу горючої суміші від стехіометричного співвідношення. Тому актуальним є завдання створення термогенератора на газовому паливі, який має стабільні електричні параметри і високу надійність за умови автономної роботи як у закритих приміщеннях, так і на відкритому повітрі. Вказане завдання розв'язується тим, що термогенератор, який складається з корпусу, газового пальника, термоелектричних модулів і теплообмінників для підведення і відведення тепла, який відрізняється тим, що містить стабілізатор швидкості надходження повітря у камеру згоряння, при цьому гарячий теплообмінник генератора виконаний у вигляді окремих для кожного модуля радіаторів, симетрично розташованих по обидві сторони лінійного пальника таким чином, що їх оребрена частина знаходиться у потоці гарячих газів, а протилежна сторона - має тепловий контакт з модулем; холодний теплообмінник містить дві симетрично розташовані основи, одна сторона якої має виступи з площинами, на яких розміщені модулі, а друга - тепловий контакт з подвійними ребрами, кожна пара яких має суцільну основу. Відповідність критерію "новизна" запропонованому пристрою забезпечує та обставина, що заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному з об'єктів існуючого рівня техніки. У корисній моделі запропоновано нове рішення для термогенератора на газовому паливі, який складається з корпусу, газового пальника, термоелектричних модулів і теплообмінників для підведення і відведення тепла, яке полягає в тому, що термогенератор містить стабілізатор швидкості надходження повітря у камеру згоряння, при цьому гарячий теплообмінник генератора виконаний у вигляді окремих для кожного модуля радіаторів, симетрично розташованих по обидві сторони лінійного пальника таким чином, що їх оребрена частина знаходиться у потоці гарячих газів, а протилежна сторона - має тепловий контакт з модулем; холодний теплообмінник містить дві симетрично розташовані основи, одна сторона якої має виступи з площинами, на яких розміщені модулі, а друга - тепловий контакт з подвійними ребрами, кожна пара яких має суцільну основу. Тому ознака, яка не зустрічається ні в одному з аналогів - містить стабілізатор швидкості надходження повітря у камеру згоряння, при цьому гарячий теплообмінник генератора виконаний у вигляді окремих для кожного модуля радіаторів, симетрично розташованих по обидві сторони лінійного пальника таким чином, що їх оребрена частина знаходиться у потоці гарячих газів, а протилежна сторона - має тепловий контакт з модулем; холодний теплообмінник містить дві симетрично розташовані основи, одна сторона якої має виступи з площинами, на яких розміщені модулі, а друга - тепловий контакт з подвійними ребрами, кожна пара яких має суцільну основу - забезпечує заявленому пристрою необхідний "винахідницький рівень". Суть запропонованої корисної моделі пояснюється рисунками. На фіг. 1, 2 наведено вертикальний переріз термогенератора у двох взаємно перпендикулярних площинах, а на фіг. 3 - горизонтальний переріз генератора. Згідно запропонованої корисної моделі термогенератор (фіг. 1, фіг. 2) містить гарячий 1 і холодний 2 теплообмінники, між якими розташовані термоелектричні модулі 3. Гарячий теплообмінник 1 складається з окремих для кожного модуля радіаторів, симетрично розташованих по обидві сторони лінійного пальника 4. Оребрена частина окремих гарячих радіаторів розташована у потоці гарячих газів, а протилежна сторона має тепловий контакт з гарячою стороною термоелектричного модуля. Холодний теплообмінник (фіг. 3) містить симетрично розташовані основи, одна сторона яких має виступи з площинами, на яких розміщені термоелектричні модулі, а друга - тепловий контакт з подвійними ребрами 5, кожна пара яких має суцільну основу. Лінійний газовий пальник 4 розташований у нижній неоребреній частині гарячого теплообмінника, яка одночасно є камерою згоряння. Пальник оснащений пусковим пристроєм 6, який містить пілотний пальник, термопару та електрод п'єзозапалу. До нижніх торців гарячого теплообмінника 1 прилягає стабілізатор 7 швидкості надходження повітря у камеру згоряння. Він містить принаймні дві горизонтально розміщені одна над одною пластини 8, кожна з яких має два ряди отворів 9 і окремий повітропровід 10 у вигляді пустотілої труби прямокутного перерізу. Труба 10 розташована впритул до нижньої пластини, причому нижня пластина з отворами є одночасно верхньою стінкою труби 10. Ряди отворів 9 зміщені один відносно одного по горизонтальній вісі на віддаль, яка дорівнює 2-3l, де l ширина отвору. Торці горизонтального повітропроводу 10 стабілізатора швидкості повітря відкриті і загнуті вгору під кутом 90° (фіг. 2). У верхній частині гарячого теплообмінника 1 розташована димова труба 11, яка входить у газовий колектор 12, посередині якого розміщена пластина 13 призначена для зменшення швидкості потоку повітря у випадку задування вітру у верхню частину димової труби 11. Вільний об'єм між холодним і гарячим теплообмінниками заповнений тепловою ізоляцією 14. Газовий лінійний пальник 4 і пусковий пристрій з'єднані окремим трубопроводом з газовою автоматикою 15 (фіг. 2), яка контролює горіння газу і припиняє надходження газу до лінійного пальника у випадку згасання пілотного пальника. Підведення газу до автоматики здійснюється за допомогою газопроводу 16, на якому встановлено газовий кран 17. Термоелектричний генератор разом з автоматикою розташований у суцільному корпусі 18, нижня і верхня стінки якого мають отвори 19 (фіг. 1, фіг. 2) для надходження повітря охолодження генератора та повітря, необхідного для згоряння палива. Працює генератор наступним чином. Горючий газ по газопроводу 16 надходить до газової автоматики 15. За допомогою регулятора автоматики газ надходить спочатку до пускового пристрою 6 і після запалювання пілотного пальника газ надходить до головного лінійного пальника 4, де запалюється від пілотного пальника. Повітря необхідне для згоряння палива надходить через отвори 19 корпусу 18 до відкритих торців труби 10. Далі повітря через отвори 9 надходить до інжектора лінійного пальника 4, де утворюється горюча суміш. Гарячі продукти згоряння проходять через канали радіатора 1 і відводяться димовою трубою 11 у навколишнє середовище. Тепло, що виділилось при згорянні палива, нагріває радіатор 1, проходить через термоелектричні модулі 3 і відводиться холодним радіатором 2 шляхом природної конвекції повітря, яке надходить через отвори 19 нижньої стінки корпусу 18 і виходить через отвори верхньої стінки. Внаслідок різниці температур між гарячою і холодною сторонами термоелектричні модулі генерують електричний струм. Електрична потужність генератора складає 10-12Вт при напрузі 24В. Температура гарячої сторони 270-280°С, холодної 50-60°С. Термогенератор запропонованої конструкції надійно працює на відкритому повітрі за складних кліматичних умов. Вітер, опади практично не впливають на стабільність горіння палива, а відповідно і на вихідні електричні характеристики термоелектричного генератора. Генератор може працювати тривалий час без обслуговування, оскільки не має рухомих частин. Запропонований термогенератор може використовуватись для живлення електричною енергією систем телеметрії віддалених об'єктів (газо- та нафтопроводів, бурових свердловин, екологічного моніторингу) або іншого аналогічного обладнання, різноманітного електронного обладнання, зарядки акумуляторів і т. ін. Підвищена надійність термогенератора суттєво розширить його практичне використання для розв'язання народногосподарських задач, що в цілому підвищить якість виробничих умов. Джерела інформації 1. Пат. RU 2235875 С2, МПК: Е21В47/12. Термоэлектрический автономный источник питания /Гричашкин Г.A. (RU). - Опубл. 10.09.2004. 2. Pat. GB 14206 МПК: H01L35/00, H01L35/30. Thermoelectric power generator associated with oil pipelines /Chinery David (GB). - Опубл. 21.11.1984. 3. A.с. 1686984 A1 (SU) МПК: H01L35/02. Термоэлектрический генератор /Е.Г. Покорный, О.П. Жердева, А.К. Никоненок, Л.М. Парпаров, Л.М. Цыпкина, И.Л. Шатунов (SU). - Опубл. 19.02.1990. 4. А.с. 795357 A (SU). МПК: H01L35/02. Термоэлектрический генератор /Ю.П. Вагулин, Ю.А. Калинин, Н.В. Коломоець, B.C. Макаров, В.П. Проценко (SU). - Опубл. 21.09.1979.