Термоелектричний генератор, що використовує тепло вихлопних газів двигуна внутрішнього згорання

Реферат: Термоелектричний генератор, що використовує тепло вихлопних газів двигуна внутрішнього згорання, містить термоелектричні генераторні модулі; гарячий теплообмінник, що розташований у потоці вихлопних газів двигуна і використовується для підведення тепла до термоелектричних генераторних модулів, холодні теплообмінники для відведення тепла від термоелектричних генераторних модулів. Для створення оптимальної робочої температури гарячих сторін термоелектричних генераторних модулів їх тепловий опір зростає вздовж потоку вихлопного газу. UA 71722 U (54) ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ ГЕНЕРАТОР, ЩО ВИКОРИСТОВУЄ ТЕПЛО ВИХЛОПНИХ ГАЗІВ ДВИГУНА ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРАННЯ UA 71722 U UA 71722 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області енергетики, зокрема до термоелектричних генераторів електричної енергії, і може використовуватися для перетворення теплової енергії вихлопних газів двигуна внутрішнього згорання в електричну. Відомі термоелектричні генератори, що використовують тепло вихлопних газів двигунів внутрішнього згорання для перетворення його в електричну енергію, зокрема патенти UA19090, UA 29866, UA 41771, UA 30391. Найближчим до запропонованої корисної моделі є термоелектричний генератор патент UA 41771, який використовує тепло вихлопних газів двигуна внутрішнього згорання, а охолоджується теплоносієм, що циркулює в системі охолодження двигуна. Він містить сукупність гарячих теплообмінників, термоелектричні модулі, рідинні та повітряні холодні теплообмінники, розташовані в одному корпусі. Недоліком такої конструкції є те, що вона не найбільш ефективним чином перетворює енергію вихлопного газу в електричну. Специфіка термоелектричного перетворення енергії полягає в тому, що коефіцієнт корисної дії перетворення енергії залежить від температури гарячої сторони термоелектричного модуля. Чим нижча ця температура, тим нижче коефіцієнт корисної дії. При проходженні через термоелектричний генератор гарячого газу термоелектричні модулі відводять частину тепла до холодного теплообмінника, відповідно теплова потужність гарячого газу вздовж напрямку його руху через генератор знижується і при використанні однакових термоелектричних модулів температура гарячої сторони наступного модуля є нижчою, ніж у попереднього. Відповідно є нижчим і коефіцієнт корисної дії. В основу корисної моделі поставлена задача створення термоелектричного генератора зі стабільними характеристиками, який найбільш ефективним чином буде перетворювати теплову енергію вихлопного газу двигуна внутрішнього згорання в електричну. Поставлена задача вирішується тим, що термоелектричний генератор, що використовує тепло вихлопних газів двигуна внутрішнього згорання, на основі генераторних термоелектричних модулів, гарячого теплообмінника, розташованого у потоці вихлопних газів, холодного теплообмінника для відведення тепла від термоелектричних генераторних модулів містить у своїй конструкції генераторні термоелектричні модулі, тепловий опір яких зростає вздовж потоку вихлопного газу. Така конструкція термоелектричного генератора дозволяє вирівняти температуру гарячих сторін термоелектричних генераторних модулів та підбором відповідних теплових опорів модулів наблизити її до оптимальної, при якій забезпечується найвищий коефіцієнт корисної дії модуля. Суть корисної моделі представлена на кресленнях. Фіг. 1 - схема термоелектричного генератора з термоелектричними модулями зі змінним тепловим опором. Фіг. 2 - залежності температури гарячого газу 6, гарячої сторони модулів 7 та теплового опору модулів 8 вздовж потоку гарячого газу для конкретного виконання термоелектричного генератора, що використовує тепло вихлопних газів дизельного двигуна. Типова схема термоелектричного генератора, наведеного на Фіг. 1, містить необхідний мінімум складових, необхідних для термоелектричного перетворення енергії вихлопного газу в електричну. Він складається з гарячого теплообмінника 1, який відбирає тепло у вихлопного газу двигуна та передає його термоелектричним модулям M1-MN, та холодних теплообмінників 3, які відводять тепло від термоелектричних модулів, патрубків 4 та 5, які використовуються для підведення вихлопних газів до генератора та відведення його у вихлопну систему. На Фіг. 2 показано типові залежності температури вихлопного газу 6, що проходить через термоелектричний генератор, температури гарячих сторін модулів 7 вздовж напрямку протікання вихлопного газу та тепловий опір термоелектричних модулів 8 вздовж напрямку протікання вихлопного газу для конкретного виконання термоелектричного генератора, що використовує тепло вихлопних газів дизельного двигуна. Робота термоелектричного генератора полягає в наступному. Термоелектричний генератор вмонтовується у вихлопну систему двигуна внутрішнього згорання з допомогою патрубків 4 та 5, через які потік гарячого газу надходить до генератора та знову відводиться до вихлопної системи. Потрапляючи у генератор потік гарячого вихлопного газу розігріває гарячий теплообмінник 1. Від гарячого теплообмінника 1 тепло передається термоелектричним модулям M1-MN. Відвід тепла від термоелектричних модулів здійснюється холодними теплообмінниками 3 та за їх допомогою передається у систему охолодження. Внаслідок наявності перепаду температур, створеного гарячими та холодними теплообмінниками, термоелектричні модулі генерують електричну енергію. 1 UA 71722 U 5 10 15 20 25 Через те, що при русі через теплообмінник 1 гарячий газ віддає частину тепла модулям, його температура і теплова потужність спадає, як показано на залежності 6. Так як перепад температури пропорційний тепловому опору модуля, то збільшуючи тепловий опір модулів вздовж напрямку протікання газу, як показано на залежності 8, можна досягнути рівномірного розподілу температури гарячих сторін модулів (залежність 7), при якій вони працюють з максимальним коефіцієнтом корисної дії. В конкретному варіанті виконання термоелектричного генератора, що використовує тепло вихлопних газів дизельного двигуна тепловий опір термоелектричних модулів можна керувати кількістю термоелементів у модулі. Робота прототипу описаного термоелектричного генератора вивчалася на стаціонарній дизельній установці, що має 6 циліндрів та відповідно 6 вихлопних каналів. Загальна теплова потужність вихлопного газу дизельної установки складала 40 кВт. Температура гарячого газу на виході з двигуна складала 470 °C. Спроектований термоелектричний генератор для одного вихлопного каналу містив 5 секцій вздовж напрямку протікання вихлопного газу. Кожна секція містила 18 термоелектричних модулів на основі Ві-Те. Тепловий опір модулів у кожній секції керувався кількістю термоелементів. За результатами комп'ютерної оптимізації ця кількість складала відповідно 56, 44, 32, 24, 18 термоелементів у модулях секцій 1-5. Такий термоелектричний генератор виробляє електричну потужність 240 Вт при температурі холодних теплообмінників 70 °C, а отже використовуючи тепло вихлопних газів усіх циліндрів можна отримати 1440 Вт електричної енергії. У порівнянні з термоелектричним генератором, в якому у секціях використовуються однакові термоелектричні модулі, запропонована модель генерує на 25 % більше електричної потужності. Таким чином запропонована модель термоелектричного генератора є ефективною та забезпечує найбільш оптимальне використання тепла вихлопних газів для генерації електричної енергії. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 Термоелектричний генератор, що використовує тепло вихлопних газів двигуна внутрішнього згорання, який містить термоелектричні генераторні модулі; гарячий теплообмінник, що розташований у потоці вихлопних газів двигуна і використовується для підведення тепла до термоелектричних генераторних модулів, холодні теплообмінники для відведення тепла від термоелектричних генераторних модулів, який відрізняється тим, що для створення оптимальної робочої температури гарячих сторін термоелектричних генераторних модулів їх тепловий опір зростає вздовж потоку вихлопного газу. 2 UA 71722 U Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3