Перетворювач теплової енергії

Реферат: Перетворювач теплової енергії містить корпус, пакет гарячих і холодних пластин, комутовані термоелектричні модулі, пристрій акумуляції і розподілу електроенергії. Термоелектричні модулі зібрані на несучому каркасі в перетворюючі пластини із спільною гарячою і холодною сторонами. UA 79154 U (12) UA 79154 U UA 79154 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області виробництва, перетворення і розподілу електричної енергії і може бути використана для прямого перетворення теплової енергії в електричну енергію, зокрема для утилізації тепла відпрацьованої пари теплоелектростанцій. В даний час енергію відпрацьованої пари передають у воду в конденсаторах, нагріту воду охолоджують в градирнях або відкритих ставках - охолоджувачах і, зрештою, тепло відходить в атмосферу. В той же час у зв'язку із зменшенням кількості і підвищенням цін енергоресурсів все більшого значення набуває вимога економії і якнайповнішого їх використання у виробництві електричної енергії. Найбільш близьким до технічного рішення, що заявляється, по технічній суті і результату, що досягається, є перетворювач теплової енергії - пластинчастий теплообмінник, що містить корпус, усередині якого встановлений пакет гарячих і холодних пластин відповідно з нагрівальним і охолоджуючим середовищами, між якими встановлені комутовані між собою термоелектричні модулі, сполучені з пристроєм акумуляції і розподілу електроенергії [патент РФ № 102252, МПК F28D 9/00, опубл. 20.02.2011], вибраний як найближчий аналог. В ньому, в порівнянні з відомими пластинчастими теплообмінниками, за рахунок установки між гарячими і холодними пластинами термоелектричних модулів розширені функціональні і експлуатаційні можливості: окрім своєї основної функції теплообміну, теплообмінник є самостійним, не пов'язаним з міською електромережею, альтернативним джерелом здобуття електричної енергії. Недоліком найближчого аналога є те, що велика частина тепла від гарячого теплоносія витрачається на обігрів, що зменшує його ефективність як генератора електричної енергії. Тому він має низький ККД, що дозволяє забезпечувати роботу лише електроприладів з низьким енергоспоживанням. Технічною задачею, на вирішення якої направлена пропонована корисна модель, є перетворення всієї доступної теплової енергії в електричну енергію з високим коефіцієнтом корисної дії. Поставлена задача вирішується тим, що у перетворювачі теплової енергії, що містить корпус, усередині якого встановлений пакет гарячих і холодних пластин відповідно з нагрівальним і охолоджуючим середовищами, між якими встановлені комутовані між собою термоелектричні модулі, сполучені з пристроєм акумуляції і розподілу електроенергії, згідно з корисною моделлю, термоелектричні модулі зібрані на несучому каркасі в перетворюючі пластини із спільною гарячою і холодною сторонами, які встановлені в пакеті між гарячими і холодними пластинами через один крок в зустрічній полярності. При цьому перетворювач має не менше двох комутованих корпусів. Простір між термоелектричними модулями при формуванні перетворюючої пластини заповнений теплоізолюючою речовиною. Гарячі пластини з нагрівальним середовищем підключені до системи відбору тепла і його подачі в електрогенератор, яка включає регулюючий теплообмінник, триходовий вентиль, насос, термодатчики і систему управління, а холодні пластини з охолоджуючим середовищем підключені до системи охолоджування і акумуляції теплової енергії, що включає термодатчики, насоси і теплову трубу. Перетворювач складається з двох або більше каскадів відбору і перетворення теплової енергії, зв'язаних між собою тепловими трубами. Для підвищення повноти використання теплової енергії і перетворення її в електричну, процес перетворення здійснюється в декілька каскадів. Для цього тепло з охолоджуючого середовища попереднього каскаду за допомогою теплової труби концентрується і передається нагрівальному середовищу наступного каскаду перетворення. Термоелектричні модулі, зібрані на несучому каркасі і формуючі перетворюючі пластини із спільною гарячою і холодною сторонами, дозволяють концентровано передавати теплову енергію в процес перетворення. Простір між окремими термоелектричними модулями, що неминуче виникає по технічних причинах при їх збірці в перетворюючі пластини, заповнюють теплоізоляційним матеріалом, що дозволяє уникнути втрат тепла за рахунок його передачі безпосередньо від гарячих пластин холодним, минаючи термоелектричні модулі. Наявність технічної системи забезпечення контрольованого і керованого відбору тепла і його подачі в перетворювач, а також системи забезпечення контрольованого і керованого охолоджування і акумуляції теплової енергії, оптимізує параметри і кількість тепла в процесі роботи кожного окремого елемента перетворювача. Крім цього, це дає можливість забезпечити оптимальний режим роботи кожного термоелектричного модуля і кожної перетворюючої пластини в цілому, що, у свою чергу, підвищує загальний ККД перетворювача. Наявність декількох каскадів перетворення тепла в електричну енергію дозволяє якнайповніше використовувати всю кількість теплової енергії. Оскільки охолоджуюче середовище після проходження робочого циклу нагрівається, то надлишкове в ній тепло 1 UA 79154 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 відбирається за допомогою теплової труби, концентрується і передається нагрівальному середовищу наступного каскаду перетворення. Таким чином охолоджуюче середовище попереднього каскаду і нагрівальне середовище наступного каскаду приводяться до заданих параметрів. Так досягається повне використання доступної теплової енергії. Пропонована корисна модель ілюструється кресленнями, на яких схематично представлений один з варіантів реалізації пропонованого перетворювача. На фіг. 1 представлено розміщення в корпусі 1 гарячих 2, холодних 3 і перетворюючих 4 пластин. Гаряча сторона перетворюючих пластин 4 позначена на кресленні штрихуванням. На фіг. 2 представлена зібрана на несучому каркасі 5 перетворююча пластина 4, в якій термоелектричні модулі 6 розташовані в однаковій полярності і утворюють спільну гарячу і холодну сторону пластини. Простір між окремими термоелектричними модулями 6 при їх збірці в перетворюючі пластини заповнено теплоізоляційним матеріалом 7, що дозволяє уникнути втрат тепла за рахунок його передачі безпосередньо від гарячих пластин холодним, минувши термоелектричні модулі. На фіг. 3 представлена схема відбору тепла і подачі його в перетворювач, яка включає регулюючий теплообмінник 8, триходові вентилі 9, насос 10, термодатчики 11 і систему управління 12. Наявність такої системи забезпечення контрольованого і керованого відбору тепла і його подачі в перетворювач дозволяє оптимізувати параметри і кількість тепла в процесі роботи кожного окремого елемента перетворювача. На фіг. 4 представлена схема забезпечення контрольованого і керованого охолоджування і акумуляції теплової енергії, яка включає термодатчики 13, насос 14 і теплову трубу 15. Наявність такої системи дає можливість забезпечити оптимальний режим роботи кожного термоелектричного модуля і кожної перетворюючої пластини в цілому. На фіг. 5 представлена схема відбору теплової енергії декількома каскадами перетворювачів, на якій позначені перший 16, другий 17 і третій 18 каскадів відбору і передачі тепла. Перетворювач теплової енергії, що заявляється, працює наступним чином. Через регулюючий теплообмінник 8 тепло від технологічного теплоносія передається в нагрівальне середовище. Нагрітий теплоносій надходить в гарячі пластини 2, на стінках яких він конденсується, віддаючи тепло, і стікає в накопичувач. При цьому кількість нагрітого теплоносія, що подається в кожну пластину, регулюється відповідним триходовим вентилем 9, який управляється системою управління 12 на підставі сигналів, що надходять від термодатчиків 11. Холодні пластини 3 охолоджуються шляхом подачі охолоджуючого середовища насосом 14. Охолоджуюче середовище циркулює по замкнутому контуру, в який включена теплообмінна сорочка холодної сторони теплової труби 15. При цьому температура охолоджуючого середовища вимірюється до і після робочого циклу термодатчиками 13. Таким чином, тепло від гарячих пластин 2 передається до гарячої сторони перетворюючих пластин 4 і відбирається з холодного боку перетворюючих пластин 4 холодними пластинами 3. Завдяки розміщенню перетворюючих пластин 4 через крок в зустрічній полярності кожна гаряча пластина 2 нагріває гарячі сторони двох перетворюючих пластин 4 і, відповідно, кожна холодна пластина 3 охолоджує холодні сторони двох перетворюючих пластин 4. Це дозволяє збільшити кількість перетворюючих пластин 4 в об'ємі корпусу 1 перетворювача і зменшити непродуктивні втрати тепла і, відповідно, збільшити ККД перетворювача. Другим фактором, що збільшує ККД перетворювача, є можливість цілеспрямованого регулювання подачі теплової енергії в гарячих пластинах 2 і відбір тепла з холодних пластин 3, що забезпечує роботу термоелектричних модулів, зібраних в перетворюючі пластини 4, в оптимальному температурному режимі. Передача тепла від попереднього каскаду до подальшого здійснюється за допомогою теплових труб 15. Таким чином, охолоджуюче середовище попереднього каскаду і нагрівальне середовище наступного каскаду приводиться до заданих параметрів. Так досягається повне перетворення доступної теплової енергії в електричну енергію. Хоча тут показаний і описаний варіант, який визнаний кращим для здійснення корисної моделі, що заявляється, фахівцям в даній галузі техніки буде зрозуміло, що можна здійснювати різноманітні зміни і модифікації, і елементи можна замінювати на еквівалентні, не виходячи при цьому за межі об'єму домагань за цією корисною моделлю. 2 UA 79154 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 1. Перетворювач теплової енергії, що містить корпус, усередині якого встановлений пакет гарячих і холодних пластин відповідно з нагрівальним і охолоджуючим середовищами, між якими встановлені комутовані між собою термоелектричні модулі, сполучені з пристроєм акумуляції і розподілу електроенергії, який відрізняється тим, що термоелектричні модулі зібрані на несучому каркасі в перетворюючі пластини із спільною гарячою і холодною сторонами, які встановлені в пакеті між гарячими і холодними пластинами через один крок в зустрічній полярності. 2. Перетворювач за п. 1, який відрізняється тим, що має не менше двох комутованих корпусів. 3. Перетворювач за п. 1, який відрізняється тим, що простір між термоелектричними модулями при формуванні перетворюючої пластини заповнений теплоізолюючою речовиною. 4. Перетворювач за п. 1, який відрізняється тим, що гарячі пластини з нагрівальним середовищем підключені до системи відбору тепла і його подачі в електрогенератор, яка включає регулюючий теплообмінник, триходовий вентиль, насос, термодатчики і систему управління. 5. Перетворювач за п. 1, який відрізняється тим, що холодні пластини з охолоджуючим середовищем підключені до системи охолоджування і акумуляції теплової енергії, що включає термодатчики, насоси і теплову трубу. 6. Перетворювач за п. 1, який відрізняється тим, що складається з двох або більше каскадів відбору і перетворення теплової енергії, зв'язаних між собою тепловими трубами. 3 UA 79154 U 4 UA 79154 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 5