Термоелектрична система з каталітичним джерелом тепла

Реферат: Термоелектрична система з каталітичним джерелом тепла містить каталізатор для безполум'яного згоряння органічного палива, ряд електрично з'єднаних термоелементів, електроізоляційну пластину з отворами, які співпадають з отворами у комутаційних пластинах термоелементів та радіатор для відведення тепла від термоелементів. Каталізатор розташований безпосередньо на гарячих спаях термоелементів. Між гілками термоелементів є вільні проміжки для проходження гарячого газу. Радіатор для відведення тепла від термоелементів має вигляд пластини, у тілі якої зроблено канали для протікання холодного теплоносія. На поверхні радіатора, яка має тепловий контакт з електроізоляційною пластиною, зроблено відкриті поздовжні канали для виходу продуктів згоряння палива. UA 79933 U (54) ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНА СИСТЕМА З КАТАЛІТИЧНИМ ДЖЕРЕЛОМ ТЕПЛА UA 79933 U UA 79933 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до приладів прямого перетворення теплової енергії згоряння органічного палива в електричну енергію. Запропонована термоелектрична система дозволяє розширити можливість практичного використання таких приладів, зокрема у приладобудуванні, електронній та інших галузях промисловості. Відомий термоелектричний пристрій, який складається з термоелектричного перетворювача, розташованого між гарячим і холодним радіаторами [1]. За гарячий радіатор використано каталітичне джерело тепла, що має тепловий контакт з торцями термоелементів і у якому здійснюється спалювання водню з виділенням тепла. У холодному радіаторі відбувається паровий риформінг метанолу, що протікає з поглинанням тепла і виділенням водню, який надходить для згоряння у каталітичне джерело тепла. Недоліком пристрою є низька ефективність передачі тепла від каталізатора до гарячої сторони термоелементів, зумовлена тим, що передача тепла здійснюється лише теплопровідністю у місцях контакту торців термоелементів з гарячим радіатором. Значна частина тепла втрачається з продуктами згоряння палива, які відводяться в навколишнє середовище. Окрім цього недоліком є використання метанолу, який є токсичною речовиною. Відомий термоелектричний генератор з каталітичним джерелом тепла, яке має тепловий контакт з гарячою стороною термоелектричних елементів. Відведення тепла здійснюється холодним радіатором [2]. Як і в попередньому випадку, недоліком цього пристрою є низька ефективність передачі тепла від каталізатора до термоелектричного перетворювача, зумовлена тим, що тепло, яке надійшло від каталізатора, поглинається тільки торцями гілок n- і р-типів, тобто частково. Більша частина тепла втрачається з продуктами згоряння палива. Відомий термоелектричний генератор, у якому каталізатор розташований безпосередньо на гарячій поверхні термоелектричного модуля [3]. Паливо надходить до торців каталізатора під невеликим тиском, а повітря для горіння надходить у пористий шар каталізатора шляхом природної дифузії. Відведення тепла здійснюється холодним пластинчастим радіатором, який одночасно нагріває паливо, що надходить до торців каталізатора. Недоліком описаного термоелектричного пристрою є недостатня ефективність теплообміну між шаром каталізатора і гарячою поверхнею термоелектричного модуля. Це зумовлено тим, що генероване каталізатором тепло поглинається тільки торцями гілок модуля. Основна частина генерованого тепла втрачається з продуктами згоряння органічного палива, які відводяться у навколишнє середовище. Відома термоелектрична система з каталітичним джерелом тепла, що містить каталізатор, який через теплопровідну пластину має тепловий контакт з термоелементами та пристрій для відведення тепла, який складається з радіатора і електричних вентиляторів для подачі холодного повітря [4]. Недоліком такої системи є великі втрати тепла, зумовлені малою площею теплоприймальної поверхні модулів порівняно з площею тепловіддаючої поверхні джерела тепла. Окрім цього суттєвими є також втрати тепла з продуктами згоряння палива, що в цілому призводить до зменшення ефективності термоелектричного перетворення енергії. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі є термоелектричний пристрій (модуль), який містить ряд термоелементів, гілки яких мають пори або канали з розташованими в них каталітичними речовинами, а в проміжках між гілками встановлено теплоізоляцію [5]. Холодний і гарячий радіатори виготовлені у вигляді колекторів з каналами для проходження газу. Між колекторами і комутаційними пластинами термоелементів розташовані електроізоляційні пластини з отворами для проходження газу. Недоліком наведеної корисної моделі є складність конструкції модуля та технології нанесення каталітичних речовин у пори і канали гілок термоелементів. Необхідність нанесення каталітичних речовин на внутрішню поверхню пор і каналів у гілках, з одного боку, обмежує вибір каталізаторів і термоелектричних матеріалів для таких застосувань, а з іншого - створює умови для хімічної взаємодії компонентів каталізатора з термоелектричним матеріалом, що призводить до дезактивації каталізатора. В цілому це зменшує надійність і ресурс роботи такого пристрою. Тому актуальним і важливим є створення термоелектричної системи з каталітичним джерелом тепла, яка має просту конструкцію і підвищену надійність. Поставлена задача вирішується тим, що у термоелектричній системі з каталітичним джерелом тепла, яка містить каталізатор для безполум'яного згоряння органічного палива, ряд електрично з'єднаних термоелементів, електроізоляційну пластину з отворами, які співпадають з отворами у комутаційних пластинах термоелементів та радіатор для відведення тепла від термоелементів, каталізатор розташований безпосередньо на гарячих спаях термоелементів, при цьому між гілками термоелементів є вільні проміжки для проходження гарячого газу; радіатор для відведення тепла від термоелементів має вигляд пластини, у тілі якої зроблено канали для протікання холодного теплоносія, а на поверхні радіатора, яка має тепловий контакт 1 UA 79933 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 з електроізоляційною пластиною, зроблено відкриті поздовжні канали для виходу продуктів згоряння палива. 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 запропоноване нове рішення, яке полягає в тому, що у термоелектричній системі з каталітичним джерелом тепла, яка містить каталізатор для безполум'яного згоряння органічного палива, ряд електрично з'єднаних термоелементів, електроізоляційну пластину з отворами, які співпадають з отворами у комутаційних пластинах термоелементів та радіатор для відведення тепла від термоелементів, каталізатор розташований безпосередньо на гарячих спаях термоелементів, при цьому між гілками термоелементів є вільні проміжки для проходження гарячого газу; радіатор для відведення тепла від термоелементів має вигляд пластини, у тілі якої зроблено канали для протікання холодного теплоносія, а на поверхні радіатора, яка має тепловий контакт з електроізоляційною пластиною, зроблено відкриті поздовжні канали для виходу продуктів горіння палива. Тому ознака, яка не зустрічається ні в одному з аналогів - каталізатор розташований безпосередньо на гарячих спаях термоелементів, при цьому між гілками термоелементів є вільні проміжки для проходження гарячого газу; радіатор для відведення тепла від термоелементів має вигляд пластини, у тілі якої зроблено канали для протікання холодного теплоносія, а на поверхні радіатора, яка має тепловий контакт з електроізоляційною пластиною, зроблено відкриті поздовжні канали для виходу продуктів згоряння палива. Промислове використання запропонованої корисної моделі не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, його реалізація можлива на існуючих підприємствах приладобудівної та електронної промисловості. Суть запропонованої корисної моделі пояснюється кресленнями. На фіг. 1 показано зовнішній вигляд термоелектричної системи: вид зверху з частковим перерізом. На фіг. 2 показано зовнішній вигляд термоелектричної системи: вид знизу. На фіг. 3, 4 наведено вертикальний переріз системи у двох взаємно перпендикулярних площинах. Запропонована термоелектрична система складається з ряду термоелементів 1, гілки яких електрично з'єднані комутаційними пластинами по гарячій 2 і холодній 3 сторонах пристрою (фіг. 3, 4). Між гілками термоелементів є вільні проміжки для проходження гарячого газу. Впритул до гарячих комутаційних пластин 2 розташований каталізатор 4, який має вигляд пористої пластини-матриці, у об'ємі якої розміщені каталітичні речовини, активні у реакції безполум'яного згоряння газового або рідкого органічного палива. Впритул до нижнього торця каталізатора розташована перфорована пластина 5, яка ущільнює і захищає каталізатор від пошкоджень. На холодній стороні пристрою розташована електроізоляційна пластина 6, яка має отвори 7 для проходження газу, розташовані у проміжках між термоелементами та гілками термоелементів. Електроізоляційна пластина 6, термоелементи 1, каталізатор 4 розташовані у тонкостінній закритій камері 8, яка оснащена патрубком 9 для подачі до каталізатора паливо-повітряної суміші. Внутрішня поверхня камери 8 закрита шаром теплоізоляційного матеріалу 10. Відведення тепла від термоелектричних елементів 1 здійснюється радіатором 11, який має вигляд пластини, у тілі якої зроблено канали 12 для протікання холодного теплоносія. Канали 12 з'єднані колекторами 13, які оснащені патрубками 14 для входу і виходу холодного теплоносія. На нижній поверхні радіатора 11 для відведення тепла, яка має тепловий контакт з електроізоляційною пластиною 6, зроблено відкриті повздовжні канали 15 для виходу продуктів згоряння палива, які співпадають з проміжками між термоелементами. Канали 15 закінчуються плоскими патрубками 16 для відведення продуктів згоряння палива за межі термоелектричної системи. Термоелектрична система оснащена електричним нагрівником 17, який призначений для попереднього нагрівання каталізатора і запуску реакції безполум'яного горіння палива. Для під'єднання зовнішнього споживача електричної енергії система оснащена електричними контактами 18. Працює термоелектрична система наступним чином. Горюча паливо-повітряна суміш надходить через патрубок 9 до попередньо нагрітого каталізатора 4. Нагрівання каталізатора до температури початку реакції здійснюється за допомогою електричного нагрівника 17, вмонтованого у шар каталізатора. 2 UA 79933 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Горюча суміш надходить у пори каталітичної пластини і згоряє без полум'я з виділенням теплової енергії. Частина генерованої каталізатором теплової потужності надходить до гарячих торців термоелементів шляхом теплопровідності безпосередньо від каталізатора, а інша частина передається шляхом конвекції гарячих газів (продуктів реакції), які надходять у проміжки між термоелементами і гілками 1. Гарячі гази додатково віддають тепло, яке поглинається боковими поверхнями гілок і виходять охолоджені через отвори 7 електроізоляційних пластин у канали 15, зроблені на поверхні радіатора 11. Гази, які віддали тепло, видаляються через патрубки 16 у навколишнє середовище. Відведення тепла від холодної сторони термоелементів здійснюється радіатором 11, у каналах якого циркулює рідкий теплоносій. Внаслідок різниці температур між гарячою і холодною сторонами термоелементи генерують електричний струм. Таким чином, шляхом теплопровідності і додатково конвекції гарячих газів у запропонованій термоелектричній системі здійснюється максимальна передача тепла від каталізатора до гарячої сторони термоелементів. Наслідком цього є суттєво вища ефективність перетворення теплової енергії в електричну порівняно з пристроями, де поглинання тепла здійснюється тільки торцями термоелементів. При цьому зі збільшенням кількості гілок на одиницю площі теплоприймальної поверхні термоелектричного перетворювача загальна кількість тепла, поглинутого на гарячій стороні торцями і боковими поверхнями віток, зростає. Порівняно з прототипом конструкція запропонованої термоелектричної системи суттєво простіша. Конструкція дозволяє використовувати широкий спектр каталізаторів: волокнисті, керамічні, металічні, матриці з різними активними речовинами, розташованими у цих матрицях. При цьому виключається можливість хімічної взаємодії компонентів активної фази каталізатора з термоелектричним матеріалом, що в цілому підвищує надійність термоелектричної системи з каталітичним джерелом тепла і розширює можливість широкого використання таких систем у практиці. Джерела інформації: 1. Патент СА2781009, МКИ: H01L35/30. Electrical generator using the thermoelectric effect and two chemical reactions, i.e. exothermic and endothermic reactions, to generate and dissipate heat, respectively / Caroff Т., Coronel P., Gruss J.-A., Plissonnier M. (FR). - Опубл. 26.05.2011. 2. Патент WO2006021009, МКИ: B01J23/38; F23D14/18; H01L35/00. Nano-catalytic spontaneous ignition and method. / Hu Zhiyu, Boiadjiev Vassil, Thundat Tohmas G. (US) - Опубл. 23.02.2006. 3. Патент JP2003070275, МКИ: H01L35/28. Portable thermoelectric generator. / Tanaka Hideji; Esashi Masaki; Matoba Tsuneo (JP). - Опубл. 07.03.2003. 4. Патент KR20080086768. МКИ: H01L35/28. Generating system using catalytic heater. / Jung Kyung; Park Jung Tae; Lee Hae Hoon (KR). - Опубл. 26.09.2008. 5. Патент UA 72099. МКИ: H01L 35/00. Термоелектричний генераторний модуль / Михайловський В.Я., Струтинська Л.Т. (UA) - Опубл. 10.08.12. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Термоелектрична система з каталітичним джерелом тепла, яка містить каталізатор для безполум'яного згоряння органічного палива, ряд електрично з'єднаних термоелементів, електроізоляційну пластину з отворами, які співпадають з отворами у комутаційних пластинах термоелементів та радіатор для відведення тепла від термоелементів, яка відрізняється тим, що каталізатор розташований безпосередньо на гарячих спаях термоелементів, при цьому між гілками термоелементів є вільні проміжки для проходження гарячого газу; радіатор для відведення тепла від термоелементів має вигляд пластини, у тілі якої зроблено канали для протікання холодного теплоносія, а на поверхні радіатора, яка має тепловий контакт з електроізоляційною пластиною, зроблено відкриті поздовжні канали для виходу продуктів згоряння палива. 2. Термоелектрична система з каталітичним джерелом тепла за п. 1, яка відрізняється тим, що шар каталізатора, термоелементи і електроізоляційна пластина розміщені у тонкостінній закритій камері, яка оснащена патрубком для подачі паливо-повітряної суміші до каталізатора. 3. Термоелектрична система з каталітичним джерелом тепла за п. 1, яка відрізняється тим, що електроізоляційна пластина має додаткові отвори для проходження газу, розташовані у проміжках між термоелементами. 4. Термоелектрична система з каталітичним джерелом тепла за п. 1, яка відрізняється тим, що на поверхні радіатора для відведення тепла від термоелементів, яка має тепловий контакт з 3 UA 79933 U електроізоляційною пластиною, зроблено додаткові відкриті канали для виходу продуктів згоряння палива, які співпадають з проміжками між термоелементами. 4 UA 79933 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко 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