RU208232U1 - Thermoelectric generator - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к оборудованию энергетических установок, генерирующих электроэнергию, и предназначена для использования на объектах газовой промышленности. Термоэлектрический генератор выполнен в виде корпуса 1, содержащего турбину 10, подвижный ротор 2, включающий постоянные магниты 7, и неподвижный несущий статор 3 с центральным отверстием и пазами, на котором установлены термоэлектрические элементы 4. Новым является то, что в центральное отверстие статора 3 установлена ферромагнитная труба 6, термоэлектрические элементы 4 установлены на плоских площадках только на внешней стороне статора 3, имеющей в сечении форму многогранника, при этом поверх термоэлектрических элементов 4 установлены радиаторы 5, выполненные в виде пластин с оребрением, а несущий статор 3 выполнен парамагнитным. Такое выполнение повышает эффективность и надежность работы устройства.The utility model relates to the equipment of power plants that generate electricity and is intended for use at gas industry facilities. The thermoelectric generator is made in the form of a housing 1 containing a turbine 10, a movable rotor 2, including permanent magnets 7, and a fixed bearing stator 3 with a central hole and grooves, on which thermoelectric elements 4 are installed. ferromagnetic tube 6, thermoelectric elements 4 are installed on flat areas only on the outer side of the stator 3, which has a polyhedral shape in cross section, while radiators 5 are installed on top of the thermoelectric elements 4, made in the form of plates with fins, and the bearing stator 3 is made paramagnetic. This implementation improves the efficiency and reliability of the device.

Description

Полезная модель относится к оборудованию энергетических установок, генерирующих электроэнергию, и предназначена для использования на объектах газовой промышленности.The utility model relates to the equipment of power plants that generate electricity and is intended for use at gas industry facilities.

В настоящее время для выработки электрической энергии при редуцировании сжатого газа широко используется эффект Ранка-Хилша и Зеебека.Currently, the Ranque-Hilsch and Seebeck effect is widely used to generate electrical energy during the reduction of compressed gas.

Известны устройства, в которых для выработки электроэнергии используются эффекты Зеебека (патент RU №2417337 С2, опубл. 24.03.2009), в котором описан способ электроснабжения автономно функционирующих газоредуцирующих объектов на основе эффектов Ранка Хилша и Зеебека. При реализации способа часть потока сжатого природного газа перед редуцирующим объектом отделяется от основного потока и направляется в энергоразделяющее устройство - вихревую трубу.There are known devices in which Seebeck effects are used to generate electricity (patent RU No. 2417337 C2, publ. 03.24.2009), which describes a method for supplying power to autonomously functioning gas-reducing facilities based on the Ranque Hilsch and Seebeck effects. When implementing the method, a part of the compressed natural gas stream in front of the reducing object is separated from the main stream and sent to an energy separating device - a vortex tube.

Недостатком этого технического решения является низкий коэффициент полезного действия вихревой трубы, вследствие чего невозможно достичь высокой разницы температур горячего и холодного газа, что приводит к снижению мощности электрического тока, вырабатываемого термоэлектрическим генератором.The disadvantage of this technical solution is the low efficiency of the vortex tube, as a result of which it is impossible to achieve a high temperature difference between the hot and cold gas, which leads to a decrease in the power of the electric current generated by the thermoelectric generator.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является Электрогенерирующее устройство на основе термоэлектричества и детандирования газа (патент RU на полезную модель №190354, МПК F17D 1/04, опубл. 28.06.2019). Это устройство включает в себя термоэлектрический генератор, снабженный стальным цилиндром, выполненным в виде короткозамкнутого витка и контактирующим с термоэлектрическими элементами цилиндрической формы, газовой турбиной, выполненной с возможностью вращения магнитного ротора в стальном цилиндре, и сопловым направляющим аппаратом перед лопатками газовой турбины.The closest to the claimed technical solution is a power generating device based on thermoelectricity and gas expansion (RU patent for utility model No. 190354, IPC F17D 1/04, publ. 06/28/2019). This device includes a thermoelectric generator equipped with a steel cylinder made in the form of a short-circuited loop and in contact with cylindrical thermoelectric elements, a gas turbine configured to rotate a magnetic rotor in a steel cylinder, and a nozzle guide vanes in front of the gas turbine blades.

Недостатками этого устройства является то, что стальной цилиндр с двух сторон покрыт термоэлектрическими элементами - в данном случае корректно работают только термоэлектрические элементы на внешней стороне стальной трубы, поскольку с одной стороны их греет труба, а с другой охлаждает поток газа. Термоэлектрические элементы внутри трубы также получают нагрев от трубы, а вот охлаждение от потока газа практически отсутствует, так как там будет иметь место застойная зона. Помимо сказанного термоэлектрические элементы, как правило, имеют форму параллелепипеда и, потому, устанавливаться на цилиндрическую трубу могут только через дополнительные проставки, или термоэлектрические элементы будут не полностью прилегать к поверхности трубы, что также снизит эффективность работы, ввиду уменьшения площади прилегающей поверхности (площади теплопередачи). Следствием этого является низкий коэффициент полезного действия.The disadvantages of this device are that the steel cylinder is covered with thermoelectric elements on both sides - in this case, only thermoelectric elements on the outside of the steel pipe work correctly, since the pipe heats them on one side, and cools the gas flow on the other. Thermoelectric elements inside the pipe also receive heating from the pipe, but there is practically no cooling from the gas flow, since there will be a stagnant zone there. In addition to the above, thermoelectric elements, as a rule, have the shape of a parallelepiped and, therefore, they can be installed on a cylindrical pipe only through additional spacers, or thermoelectric elements will not completely adhere to the pipe surface, which will also reduce the efficiency due to a decrease in the area of the adjacent surface (heat transfer area ). The consequence of this is a low efficiency.

Технической задачей полезной модели является обеспечение наибольшей разницы температур между потоками холодного и горячего газа за счет увеличения площади теплопередачи.The technical task of the utility model is to ensure the greatest temperature difference between the cold and hot gas flows by increasing the heat transfer area.

Техническим результатом является увеличение эффективности работы устройства.The technical result is to increase the efficiency of the device.

Указанная задача решается за счет того, что термоэлектрический генератор выполнен в виде корпуса, содержащего турбину, подвижный ротор, включающий постоянные магниты, и неподвижный несущий статор с центральным отверстием и пазами, на котором установлены термоэлектрические элементы. Новым является то, что в центральное отверстие статора установлена ферромагнитная труба, а термоэлектрические элементы установлены на плоских площадках только на внешней стороне статора, имеющей в сечении форму многогранника, при этом поверх термоэлектрических элементов установлены радиаторы, выполненные в виде пластин с оребрением. Несущий статор выполнен парамагнитным.This problem is solved due to the fact that the thermoelectric generator is made in the form of a housing containing a turbine, a movable rotor including permanent magnets, and a stationary bearing stator with a central hole and grooves, on which thermoelectric elements are installed. The novelty is that a ferromagnetic tube is installed in the central hole of the stator, and the thermoelectric elements are installed on flat areas only on the outer side of the stator, which has a polyhedron shape in cross-section, while radiators made in the form of ribbed plates are installed on top of the thermoelectric elements. The supporting stator is paramagnetic.

В предложенной конструкции термоэлектрические элементы устанавливаются исключительно с внешней стороны статора, что гарантирует наибольшую эффективность их работы ввиду наибольшей разницы температур между поверхностью статора и потоком холодного газа. На цилиндрическую трубу устанавливается алюминиевый статор, имеющий плоские площадки для установки термоэлектрических элементов, что обеспечивает полное прилегание плоских поверхностей термоэлектрических элементов к поверхности алюминиевого парамагнитного статора, ввиду чего площадь теплопередачи будет максимальной, и, следовательно, теплопередача наиболее эффективной. Статор, выполненный из парамагнитного материала, ввиду свойств материала не меняет магнитную массу, а, следовательно, ротор не будет иметь переменный момент сопротивления вращению, что положительно сказывается на надежности конструкции. В силу того, что поверх термоэлектрических элементов установлены пластины с оребрением, происходит интенсификация передачи температуры газа к термоэлектрическим элементам.In the proposed design, thermoelectric elements are installed exclusively on the outer side of the stator, which guarantees the highest efficiency of their work due to the greatest temperature difference between the stator surface and the cold gas flow. An aluminum stator is installed on a cylindrical tube, which has flat areas for installing thermoelectric elements, which ensures full adherence of flat surfaces of thermoelectric elements to the surface of an aluminum paramagnetic stator, due to which the heat transfer area will be maximum, and, therefore, heat transfer is the most efficient. The stator, made of a paramagnetic material, does not change the magnetic mass due to the properties of the material, and, therefore, the rotor will not have a variable moment of resistance to rotation, which has a positive effect on the reliability of the structure. Due to the fact that plates with ribbing are installed on top of thermoelectric elements, intensification of the transfer of gas temperature to thermoelectric elements occurs.

На фиг. 1 показан предлагаемый термоэлектрический генератор, продольный разрез;FIG. 1 shows the proposed thermoelectric generator, longitudinal section;

на фиг. 2 - то же, вид справа, поперечный разрез.in fig. 2 - the same, right side view, cross section.

Термоэлектрический генератор представляет собой корпус 1, содержащий турбину с подвижным ротором 2 и неподвижный несущий статор 3. Несущий статор 3 представляет собой парамагнитный корпус с центральным отверстием и набором пазов по всей внешней поверхности. Во внешних пазах корпуса установлены термоэлектрические элементы 4 и полностью прилегают к нему одной стороной. Вторая сторона термоэлектрических элементов покрыта радиаторами 5, также закрепленными на несущем статоре 3. Внутрь центрального отверстия статора установлена ферромагнитная труба 6. Внутри трубы располагается и может свободно вращаться ротор турбины 2, удерживающий постоянные магниты 7.Thermoelectric generator is a housing 1 containing a turbine with a movable rotor 2 and a fixed bearing stator 3. The bearing stator 3 is a paramagnetic body with a central hole and a set of grooves along the entire outer surface. Thermoelectric elements 4 are installed in the outer grooves of the housing and completely adjoin it on one side. The second side of the thermoelectric elements is covered with radiators 5, also fixed on the supporting stator 3. A ferromagnetic tube 6 is installed inside the central hole of the stator. Inside the tube, the turbine rotor 2, which holds the permanent magnets 7, is located and can rotate freely.

Принцип работы: рабочее тело (далее РТ) поступает во впускное отверстие изделия 8, проходит через сопловой аппарат турбины 9. В сопловом аппарате 9 (ввиду наличия разницы давлений между впускным 8 и выпускным 11 отверстиями основного корпуса) происходит расширение РТ и увеличение скорости движения РТ. РТ попадает на рабочее колесо турбины 10, приводя ротор 2 во вращательное движение. При вращении ротора постоянные магниты 7, установленные в отверстиях ротора, индуцируют вихревые токи в ферромагнитной трубе 6 статора. В результате действия вихревых токов труба статора нагревается. Посредством теплообмена между трубой 6 и термоэлектрическими элементами 4 со стороны статора последние нагреваются. Охлажденное в процессе расширения РТ протекает вдоль радиаторов 5 и охлаждает их, что приводит к охлаждению второй стороны термоэлектрических элементов. Вследствие разницы температур на поверхностях термоэлектрические элементы вырабатывают электрический ток.Principle of operation: the working fluid (hereinafter PT) enters the inlet of the product 8, passes through the nozzle apparatus of the turbine 9. In the nozzle apparatus 9 (due to the pressure difference between the inlet 8 and outlet 11 of the main body), the PT expands and the velocity of the PT increases. ... RT hits the turbine impeller 10, driving the rotor 2 into rotary motion. When the rotor rotates, permanent magnets 7 installed in the holes of the rotor induce eddy currents in the ferromagnetic stator tube 6. As a result of the action of eddy currents, the stator tube heats up. By means of heat exchange between the pipe 6 and the thermoelectric elements 4 from the stator side, the latter are heated. RT cooled during expansion flows along radiators 5 and cools them, which leads to cooling of the second side of thermoelectric elements. Due to the temperature difference on the surfaces, thermoelectric elements generate an electric current.

Такое выполнение термоэлектрического генератора повышает эффективность и надежность работы устройства. This implementation of the thermoelectric generator increases the efficiency and reliability of the device.

Claims (1)

Термоэлектрический генератор, выполненный в виде корпуса, содержащего турбину, подвижный ротор, включающий постоянные магниты, и неподвижный несущий статор с центральным отверстием и пазами, на котором установлены термоэлектрические элементы, отличающийся тем, что в центральное отверстие статора установлена ферромагнитная труба, термоэлектрические элементы установлены на плоских площадках только на внешней стороне статора, имеющей в сечении форму многогранника, при этом поверх термоэлектрических элементов установлены радиаторы, выполненные в виде пластин с оребрением, а несущий статор выполнен парамагнитным.A thermoelectric generator made in the form of a housing containing a turbine, a movable rotor including permanent magnets, and a stationary supporting stator with a central hole and grooves, on which thermoelectric elements are installed, characterized in that a ferromagnetic tube is installed in the central hole of the stator, thermoelectric elements are installed on flat areas only on the outer side of the stator, which has a polyhedron shape in cross-section, while radiators made in the form of ribbed plates are installed on top of the thermoelectric elements, and the supporting stator is made paramagnetic.

Images