Термоелектричний генератор з трубчастими теплообмінниками

Реферат: UA 95137 U UA 95137 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі перетворення теплової енергії в електричну, а саме до термоелектричних генераторів (ТЕГ), що використовують для свого функціонування рідини з невеликими перепадами температур. ТЕГ може бути використаний для перетворення в електричну теплової енергії океану. Відомі термоелектричні системи ОТЕС (Ocean thermal energy conversion) [1], що перетворюють теплову енергію океану в електричну. В таких системах ТЕГ розміщується на поверхні океану або на березі. Джерелом тепла для ТЕГ служить тепла морська вода, яка прокачується по трубопроводу насосом з поверхні океану. Стоком тепла служить холодна морська вода, яка прокачується з глибоководних шарів океану. Відомий ТЕГ для океану [2], який виконаний у вигляді набору термоелектричних блок-секцій, між якими циркулюють зустрічні потоки теплої і холодної води. При цьому блок-секції є герметичними одна відносно до одної, внаслідок чого, водяні потоки не перемішуються, а омивають відповідні грані блок-секцій, на яких розміщуються термобатареї. Таким чином, між термоелектричними елементами створюється перепад температур і вони генерують електричну енергію. За прототип вибрано ТЕГ для океану [3], особливістю якого є те, що джерелом тепла для ТЕГ служить тепла морська вода, яка прокачується по трубопроводу насосом з поверхні океану, стоком тепла служить холодна морська вода, яка прокачується з глибоководних шарів океану, а ТЕГ виконаний у вигляді сукупності теплообмінників для гарячої і холодної води, між якими розташовані термоелектричні модулі. При цьому теплообмінники з гарячими теплоносіями розташовані над теплообмінниками з холодними теплоносіями, а самі теплоносії протікають в протилежному напрямку один відносно одного. Теплообмінники в такому ТЕГ виготовлені у вигляді труб прямокутної форми. Недоліком вищеописаного прототипу та аналогів є те, що геометричні розміри їхніх теплообмінників не оптимізовані для випадку використання рідин з невеликими перепадами температур, такими як в океані. Використання теплообмінників прямокутної форми призводить до того, що значна кількість генерованої потужності втрачається на прокачування теплоносія. Це пов'язано великим гідравлічним опором таких теплообмінників. Задачею корисної моделі є усунення вказаного недоліку ТЕГ для підвищення ефективності генерації електричної енергії. Поставлена задача вирішується тим, що теплообмінники ТЕГ виконані у вигляді труб прямокутної форми ззовні та круглої форми всередині, внутрішній діаметр теплообмінників дорівнює 20 мм, а зовнішні прямокутні розміри дорівнюють 24 24 мм, довжини трубчатих теплообмінників дорівнюють 10,5 м, трубчасті теплообмінники разом з модулями між ними розділяються на секції зручної довжини (1-2 м), які з'єднуються між собою у послідовні водяні контури, термоелектричні модулі мають розміри 20 50 мм, причому товщина гілок у модулі складає 0,7 мм, для створення надійного теплового контакту та механічної міцності секції затискаються шпильками, які з'єднують крайні теплообмінники. У корисній моделі запропоноване нове рішення для ТЕГ, що перетворює теплову енергію рідин з невеликими перепадами температур, яке полягає в тому, що теплообмінники ТЕГ виконані у вигляді труб прямокутної форми ззовні та круглої форми всередині, що дозволяє зменшити гідравлічний опір в каналах, внутрішній діаметр теплообмінників дорівнює 20 мм, а зовнішні прямокутні розміри дорівнюють 24 24 мм, довжини трубчатих теплообмінників дорівнюють 10,5 м, трубчасті теплообмінники разом з модулями між ними розділяються на секції зручної довжини (1-2 м), які з'єднуються між собою у послідовні водяні контури, розміри модулів рівні 20 50 мм, причому товщина віток у модулі складає 0,7 мм, для створення надійного теплового контакту та механічної міцності секції затискаються шпильками, які з'єднують крайні теплообмінники. На фіг. 1 представлено схему ТЕГ: 1 - насос, що прокачує гарячий теплоносій, 2 - система підводу гарячого теплоносія, 3 - шпильки, що з'єднують крайні секції ТЕГ, 4 - система відводу гарячого теплоносія, 5 - система підводу холодного теплоносія, 6 - насос, що прокачує холодний теплоносій, 7 - секція ТЕГ, 8 - система відводу холодного теплоносія. На фіг. 2 представлено схему секції ТЕГ 7: 9 - теплообмінник для гарячого теплоносія, 10 теплообмінник для холодного теплоносія, 11 - термоелектричний модуль. На фіг. 3 представлено схему термоелектричного модуля 11: 12 - керамічна пластина, 13 комутаційна пластина, 14 - гілка з термоелектричного матеріалу на основі Ві-Те. ТЕГ, що використовує тепло рідин з невеликими перепадами температури, складається з певної кількості елементарних генераторних секцій 7 зручної довжини (1-2 м). Секції 7 являють собою теплообмінники для гарячого 9 і холодного 10 теплоносіїв, між якими знаходяться 1 UA 95137 U 5 10 15 20 25 30 35 термоелектричні модулі 11. Прокачування по теплообмінниках здійснюється за допомогою спеціальних пристроїв для підводу і відводу теплоносіїв 2, 4, 5, 8 та насосів 1, 6. Теплообмінники 9 та 10 виконані у вигляді труб прямокутної форми ззовні та круглої форми всередині. Комп'ютерні та експериментальні дослідження показали, що такі теплообмінники мають менший гідравлічний опір і це дозволяє зменшити потужність, яка необхідна для прокачування теплоносіїв. Внутрішній діаметр теплообмінників дорівнює 20 мм, а зовнішні прямокутні розміри дорівнюють 24 24 мм. Комп'ютерні розрахунки показують, що такі геометричні розміри теплообмінників дозволяють досягти максимальної потужності модулів при мінімальній затраті потужності на прокачування теплоносіїв. Кількість секцій вибирається такою, щоб сумарна довжина теплообмінника становила 10,5 м, при якій оптимально використовується тепло теплоносія. Секції для компактності розташовуються одна над одною по вертикалі, при цьому через сусідні теплообмінники протікає тепла та холодна рідина, а між ними розташовані термоелектричні модулі. Також секції розташовуються поряд одна за іншою по горизонталі, таким чином, створюючи тримірну конструкцію з теплообмінних труб та термоелектричних модулів, розташованих між ними. Ця конструкція, для створення надійного теплового контакту та механічної міцності, стягується шпильками 3. Термоелектричні модулі 11 (Фіг. 3) складаються з двох керамічних пластин 12, між якими знаходяться гілки 14 з термоелектричного матеріалу n- та р-типу на основі Ві-Те, які з'єднуються в електричне коло за допомогою комутаційних пластин 13. Поперечні розміри модуля становить 20 50 мм, причому висота гілки рівна 0,7 мм. Саме такі геометричні розміри дозволяють отримати максимальну генеровану потужність. Запропонований ТЕГ працює наступним чином. По теплообмінниках 9 та 10 в усіх секціях прокачується теплоносій за допомогою спеціальних пристроїв для підводу і відводу теплоносіїв 2, 4, 5, 8 та насосів 1, 6. Внаслідок цього, гаряча та холодна сторони термоелектричних модулів 11, мають різні температури. Це призводить до виникнення ефекту Зеєбека: у розімкнутому колі з'являється термоЕРС, а замкнутому колі протікає струм. Необхідну потужність генератора можна забезпечити шляхом напору відповідної кількості секцій в тримірну конструкцію. Таким чином, запропонована конструкція ТЕГ, у якій відсутні недоліки, характерні для найближчого аналога, дозволяє генерувати електроенергію, використовуючи невеликий перепад температур між двома теплоносіями. Джерела інформації: 1. Benson D.K., Jaydev T.S. Thermoelectric energy conversion. // Proc.3-rd Int. Thermoel. Convers. Arlington, Tex., 1980, N.Y., 1980. - P. 27-56. 2. Yuji Awashima, Haruki Yoshimoto Термоелектричний пристрій для генерації електроенергії та енергетична система що використовує цей пристрій. Патент US 2010/0243016 Α1. 3. Matsuura К., Rowe D.M., Koumoto K., Min G. Tsuyoshi A. Design optimization for a large scale, low temperature thermoelectric generator // Proc. ofthe 11 Int. Conf. onThermoel. 1992, USA, Texas, Arlington. - P. 10-16. 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 60 1. Термоелектричний генератор, що використовує для своєї роботи тепло рідин з невеликими перепадами температур, який складається з теплообмінників, що переносять тепло від циркулюючих по них рідин, пристроїв для відводу та підводу рідини до теплообмінників та термоелектричних модулів, виконаних із матеріалу на основі Ві-Те, розташованих між ними, який відрізняється тим, що теплообмінники виконані у вигляді труб прямокутної форми ззовні та круглої форми всередині. 2. Термоелектричний генератор за п. 1, який відрізняється тим, що внутрішній діаметр теплообмінників дорівнює 20 мм, а зовнішні прямокутні розміри дорівнюють 24 24 мм. 3. Термоелектричний генератор за п. 1, який відрізняється тим, що довжини трубчатих теплообмінників дорівнюють 10,5 м. 4. Термоелектричний генератор за п. 1, який відрізняється тим, що трубчасті теплообмінники разом з модулями між ними розділяються на секції зручної довжини (1-2 м), які з'єднуються між собою у послідовні водяні контури. 5. Термоелектричний генератор за п. 1, який відрізняється тим, що модулі мають розміри 20 50 мм, причому товщина віток у модулі складає 0,7 мм. 6. Термоелектричний генератор за п. 1, який відрізняється тим, що для створення надійного теплового контакту та механічної міцності секції затискаються шпильками, які з'єднують крайні теплообмінники. 2 UA 95137 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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