Термоэлектрический генератор для систем телеметрии

Полезная модель относится к термоэлектрическим источникам питания и найдет применение для превращения тепловой энергии сгорания органического газового топлива в электрическую. Термогенератор предназначен для питания электрической энергией телеметрического оборудования газо- и нефтепроводов, бурильных установок, а также другого аналогичного оборудования и устройств.

Суть полезной модели в том, что термоэлектрический генератор, состоящий из корпуса, газовой горелки, термоэлектрических модулей и теплообменников для подвода и отвода тепла, содержит стабилизатор скорости поступления воздуха в камеру сгорания, при этом горячий теплообменник генератора выполнен в виде отдельных для каждого модуля радиаторов, симметрично расположенных по обе стороны линейной горелки таким образом, что их оребренная часть находится в потоке горячих газов, а противоположная сторона имеет тепловой контакт с модулем; холодный теплообменник содержит две симметрично расположенные основы, одна сторона которой имеет выступы с плоскостями, на которых размещены модули, а вторая - тепловой контакт с двойными ребрами, каждая пара которых имеет сплошную основу.

Полезная модель относится к термоэлектрическим источникам питания и найдет применение для превращения тепловой энергии сгорания органического газового топлива в электрическую. Термогенератор предназначен для питания электрической энергией телеметрического оборудования газо- и нефтепроводов, бурильных установок, а также другого аналогичного оборудования и устройств.

Известен термогенератор [1] для питания систем телеметрического контроля скважин в процессе бурения, содержащий корпус, в котором установлен изотопный или химический источник тепла и термоэлектрические модули, нагревающиеся от этого источника тепла. Тепло от модулей отводится потоком бурового раствора. Недостатком такого генератора является то, что он используется только для питания систем телеметрии буровых скважин и работает только при прокачке бурового раствора, потоком которого отводится тепло от холодной стороны термобатареи. В случае использования изотопного источника тепла такой генератор является экологически опасным.

Известен термогенератор [2] для питания телеметрического оборудования, содержащий горячий радиатор, который прикрепляется к источнику тепла в виде геотермальной горячей трубы или трубы, по которой движется горячая нефть, холодный воздушный теплообменник и термоэлектрические модули, расположенные между ними. Недостатком генератора является низкая мощность, обусловленная малым перепадом температур, и существенные потери тепла, обусловленные сложностью передачи тепла от трубы к модулю. При увеличении мощности генератора существенно увеличиваются его габаритные размеры.

Известен термогенератор [3] для автономного питания электро- и радиоаппаратуры в экспедиционных условиях. Генератор помещен в корпус и состоит из горелки пламенного типа, холодного, горячего теплообменников и полупроводниковых термоэлементов, расположенных между теплообменниками. Горелка размещена в нижней части горячего радиатора. Недостатком генератора является нестабильность параметров и низкая надежность при работе на открытом воздухе. При наличии ветра или осадков стабильность работы горелки нарушается, а в ряде случаев прекращается в результате затухания горелки.

Наиболее близким к предложенной полезной модели является термогенератор [4], содержащий горелочное устройство на органическом топливе, термоэлектрические батареи с горячим теплообменником и холодным радиатором, камеру сгорания с вытяжной трубой и устройство для регулирования подогрева топлива, включающее сильфон с легко кипящей жидкостью. Генератор помещен в корпус, имеющий отверстия для поступления воздуха.

Недостатком генератора является сложная конструкция, нестабильность работы горелки и, как следствие, выходных электрических параметров генератора при его эксплуатации в сложных климатических условиях: ветер, осадки и т.п. Это обусловлено тем, что инжектор горелки, находящийся в корпусе непосредственно возле отверстий для поступления воздуха, не защищен от неконтролированного принудительного поступления воздуха. Это является причиной изменения состава газовоздушной смеси при порывах ветра и, как следствие, нестабильной работы горелки или полного затухания в случае существенного отклонения состава горючей смеси от стехиометрического соотношения.

Поэтому актуальным является задание создания термогенератора на газовом топливе, имеющего стабильные электрические параметры и высокую надежность при условии автономной работы как в закрытых помещениях, так и на открытом воздухе.

Указанное задание решается тем, что термогенератор, состоящий из корпуса, газовой горелки, термоэлектрических модулей и теплообменников для подвода и отвода тепла, отличающийся тем, что содержит стабилизатор скорости поступления воздуха в камеру сгорания, при этом горячий теплообменник генератора выполнен в виде отдельных для каждого модуля радиаторов, симметрично расположенных по обе стороны линейной горелки таким образом, что их оребренная часть находится в потоке горячих газов, а противоположная сторона имеет тепловой контакт с модулем; холодный теплообменник содержит две симметрично расположенные основы, одна сторона которой имеет выступы с плоскостями, на которых размещены модули, а вторая - тепловой контакт с двойными ребрами, каждая пара которых имеет сплошную основу.

Соответствие критерию "новизна" предложенному устройству обеспечивает то обстоятельство, что заявленная совокупность признаков не содержится ни в одном из объектов существующего уровня техники.

В полезной модели предложено новое решение для термогенератора на газовом топливе, состоящего из корпуса, газовой горелки, термоэлектрических модулей и теплообменников для подвода и отвода тепла, которое заключается в том, что термогенератор содержит стабилизатор скорости поступления воздуха в камеру сгорания, при этом горячий теплообменник генератора выполнен в виде отдельных для каждого модуля радиаторов, симметрично расположенных по обе стороны линейной горелки таким образом, что их оребренная часть находится в потоке горячих газов, а противоположная сторона имеет тепловой контакт с модулем; холодный теплообменник содержит две симметрично расположенные основы, одна сторона которой имеет выступы с плоскостями, на которых размещены модули, а вторая - тепловой контакт с двойными ребрами, каждая пара которых имеет сплошную основу.

Поэтому признак, который не встречается ни в одном из аналогов - содержит стабилизатор скорости поступления воздуха в камеру сгорания, при этом горячий теплообменник генератора выполнен в виде отдельных для каждого модуля радиаторов, симметрично расположенных по обе стороны линейной горелки таким образом, что их оребренная часть находится в потоке горячих газов, а противоположная сторона имеет тепловой контакт с модулем; холодный теплообменник содержит две симметрично расположенные основы, одна сторона которой имеет выступы с плоскостями, на которых размещены модули, а вторая - тепловой контакт с двойными ребрами, каждая пара которых имеет сплошную основу - обеспечивает заявленному устройству необходимый "изобретательский уровень".

Суть предложенной полезной модели объясняется рисунками.

На фиг.1, 2 приведен вертикальный разрез термогенератора в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а на фиг.3 - горизонтальный разрез генератора.

Согласно предложенной полезной модели термогенератор (фиг.1, фиг.2) содержит горячий 1 и холодный 2 теплообменники, между которыми расположены термоэлектрические модули 3. Горячий теплообменник 1 состоит из отдельных для каждого модуля радиаторов, симметрично расположенных по обе стороны линейной горелки 4. Оребренная часть отдельных горячих радиаторов расположена в потоке горячих газов, а противоположная сторона имеет тепловой контакт с горячей стороной термоэлектрического модуля. Холодный теплообменник (фиг.3) содержит симметрично расположенные основы, одна сторона которых имеет выступы с плоскостями, на которых размещены термоэлектрические модули, а вторая - тепловой контакт с двойными ребрами 5, каждая пара которых имеет сплошную основу.

Линейная газовая горелка 4 расположена в нижней неоребренной части горячего теплообменника, которая одновременно является камерой сгорания. Горелка оснащена пусковым устройством 6, содержащим пилотную горелку, термопару и электрод пьезорозжигания.

К нижним торцам горячего теплообменника 1 прилегает стабилизатор 7 скорости поступления воздуха в камеру сгорания. Он содержит по крайней мере две горизонтально размещенные одна над другой пластины 8, каждая из которых имеет два ряда отверстий 9 и отдельный воздухопровод 10 в виде пустотелой прямоугольной трубы. Труба 10 расположена впритык к нижней пластине, причем нижняя пластина с отверстиями является одновременно верхней стенкой трубы 10. Ряды отверстий 9, смещенные друг относительно друга по горизонтальной линии на расстояние, равняющееся 2-3l, где l - ширина отверстия. Торцы горизонтального воздухопровода 10 стабилизатора скорости воздуха открыты и загнуты вверх под углом 90° (фиг.2).

В верхней части горячего теплообменника 1 расположена дымовая труба 11, входящая в газовый коллектор 12, посредине которого размещена пластина 13, предназначенная для уменьшения скорости потока воздуха в случае задувания ветра в верхнюю часть дымовой трубы 11.

Свободный объем между холодным и горячим теплообменниками заполнен тепловой изоляцией 14.

Газовая линейная горелка 4 и пусковое устройство соединены отдельным трубопроводом с газовой автоматикой 15 (фиг.2), которая контролирует горение газа и прекращает поступление газа к линейной горелке в случае затухания пилотной горелки. Подведение газа к автоматике осуществляется с помощью газопровода 16, на котором установлен газовый кран 17.

Термоэлектрический генератор вместе с автоматикой расположен в сплошном корпусе 18, нижняя и верхняя стенки которого имеют отверстия 19 (фиг.1, фиг.2) для поступления воздуха охлаждения генератора и воздуха, необходимого для сгорания топлива.

Работает генератор следующим образом.

Горючий газ по газопроводу 16 поступает к газовой автоматике 15. С помощью регулятора автоматики газ поступает сначала к пусковому устройству 6 и после зажигания пилотной горелки - к главной линейной горелке 4, где зажигается от пилотной горелки. Воздух, необходимый для сгорания топлива, поступает через отверстия 19 корпуса 18 к открытым торцам трубы 10. Дальше воздух через отверстия 9 поступает к инжектору линейной горелки 4, где образуется горючая смесь. Горячие продукты сгорания проходят через каналы радиатора 1 и отводятся дымовой трубой 11 в окружающую среду. Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, нагревает радиатор 1, проходит через термоэлектрические модули 3 и отводится холодным радиатором 2 путем естественной конвекции воздуха, поступающего через отверстия 19 нижней стенки корпуса 18, и выходит через отверстия верхней стенки.

В результате разницы температур между горячей и холодной сторонами термоэлектрические модули генерируют электрический ток.

Электрическая мощность генератора составляет 10-12 Вт при напряжении 24 В. Температура горячей стороны 270-280°С, холодной 50-60°С.

Термогенератор предложенной конструкции надежно работает на открытом воздухе в сложных климатических условиях. Ветер, осадки практически не влияют на стабильность горения топлива и, как следствие, на выходные электрические характеристики термоэлектрического генератора. Генератор может работать длительное время без обслуживания, поскольку не имеет подвижных частей.

Предложенный термогенератор может использоваться для питания электрической энергией систем телеметрии отдаленных объектов (газо- и нефтепроводов, буровых скважин,

экологического мониторинга) или другого аналогичного оборудования, разнообразного электронного оборудования, зарядки аккумуляторов и т.п. Повышенная надежность термогенератора существенно расширит его практическое использование для решения народнохозяйственных задач, что в целом повысит качество производственных условий.

Литература

1. Пат.RU 2235875 С2, МПК: Е21В 47/12. Термоэлектрический автономный источник питания / Гричашкин Г.А. (RU).- Опубл. 10.09.2004.

2. Pat. GB 14206 МПК: H01L 35/00, H01L 35/30. Thermoelectric power generator associated with oil pipelines / Chinery David (GB).- Опубл. 21.11.1984.

3. A.c.1686984 A1(SU.) МПК: H01L35/02. Термоэлектрический генератор / Е.Г.Покорный, О.П.Жердева, А.К.Никоненок, Л.М.Парпаров, Л.М.Цыпкина, И.Л.Шатунов (SU).- Опубл. 19.02.1990.

4. А.с.795357 А (SU). МПК: H01L 35/02. Термоэлектрический генератор / Ю.П.Вагулин, Ю.А.Калинин, Н.В.Коломоець, B.C.Макаров, В.П.Проценко (SU).- Опубл. 21.09.1979.

1. Термоэлектрический генератор, состоящий из корпуса, газовой горелки, термоэлектрических модулей и теплообменников для подвода и отвода тепла, отличающийся тем, что содержит стабилизатор скорости поступления воздуха в камеру сгорания, при этом горячий теплообменник генератора выполнен в виде отдельных для каждого модуля радиаторов, симметрично расположенных по обе стороны линейной горелки таким образом, что их оребреная часть находится в потоке горячих газов, а противоположная сторона имеет тепловой контакт с модулем; холодный теплообменник содержит две симметрично расположенные основы, одна сторона которой имеет выступы с плоскостями, на которых размещены модули, а вторая - тепловой контакт с двойными ребрами, каждая пара которых имеет сплошную основу.

2. Термоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что стабилизатор скорости поступления воздуха содержит по крайней мере две горизонтально расположенные одна над другой пластины, каждая из которых имеет два ряда отверстий и отдельный воздухопровод в виде пустотелой прямоугольной трубы, расположенной впритык к нижней пластине, причем нижняя пластина с отверстиями является одновременно верхней стенкой трубы.

3. Термоэлектрический генератор по п.2, отличающийся тем, что ряды отверстий в нижней и верхней пластинах стабилизатора скорости смещены относительно друг друга по горизонтальной линии на расстояние, которое равняется 2-31, где 1 - ширина отверстия.

4. Термоэлектрический генератор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что горизонтальный воздухопровод стабилизатора скорости воздуха содержит загнутые вверх под углом 90° открытые торцы.