ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ НА ОРГАНИЧЕСКОМ ТОПЛИВЕ

ТЭГ, работающие на органическом топливе, были первыми в мире промышленными устройствами такого рода. Родиной их является Советский Союз. Достаточно назвать «партизанский котелок», в дне которого размещалась термобатарея, нагреваемая от костра и охлаждаемая кипящей водой. Кстати, этот достаточно простой и очень эффективный способ отвода тепла почему-то забыт в последующих конструкциях ТЭГ.

«Партизанский котелок» был разработан в 1942 г., состоял из термобатарей ZnSb — константан и при разности температур 250—300° С обеспечивал к. п. д. 1,5—2%. При усовершенствовании его разработаны генераторы ГГК-.2, ТГК-3 и ТГУ-2, в которых использовалось тепло керосиновой лампы для нагрева термобатарей из ZnSb — константана. Мощность первых двух установок составляла 3 вг (эл.), а ТГУ-2-15 вг(эл.). Назначение их — электропитание радиоприемника «Родина» и радиостанции «Урожай». Эти ТЭГ долгие годы изготавливались серийно и к настоящему времени являются единственными, по которым можно проследить усовершенствование технологии массового изготовления и экономический эффект. Нужно указать, что покупная цена ТГК-3, равная 20 руб., или 7 руб/вт, до сих пор является наименьшей для всех известных ТЭГ.

В последние годы наибольшее распространение получили ТЭГ на органическом топливе для станций катодной защиты, так как в них используются газо- или нефтепродукты. Катодная защита предохраняет магистральные газо- и нефтепроводы и радиорелейные линии от коррозии путем подачи на металлические трубы отрицательного потенциала, препятствующего окислению железа. Они приносят большой экономический эффект, так как увеличивают срок службы труб, а использование ТЭГ для этой цели резко уменьшает расход рабочего времени на обслуживание магистрали.

Один из вариантов — ТЭГ-50 мощностью 50 вт(эл.) при напряжении 8 в. Инфракрасная горелка, работающая на природном газе, расположена в центре устройства и поддерживает температуру горячих спаев термобатарей 350—400° С. Тепло отводится естественной конвекцией, что увеличивает общие габариты устройства, но придает ему известную универсальность. Несколько моделей ТЭГ-50 эксплуатировалось в одном из районов УССР, причем одна установка надежно защищала 40 км газопровода при средней влажности почвы.

Более мощная модель такого типа — ТЭГ-300 мощностью 300 вт(эл.). Установка состоит из четырех индивидуальных колонок. Каждая колонка имеет мощность 75 вт(эл.) и состоит из инфракрасной горелки, к которой через теплоприемник примыкают термобатареи. Тепло от холодных спаев отводится ребрами охлаждения. Термобатарея каждой колонки состоит из 384 термоэлементов из ZnSb (р-тип) и константана. Такое устройство агрегата создает перепад температур от 400 на горячем спае до 130° С на холодном, что обеспечивает к. п. д. термобатареи ~2%. Колонки ТЭГ-300 могут быть включены как параллельно, так и последовательно, что увеличивает напряжение от 4 до 24 в соответственно. Топливом для горелок служит природный газ, подводимый от магистрали газопровода или от баллонов. Расход топлива 0,8 м3/ч. Общий к. п. д. установки 1%. ТЭГ-300 успешно прошел испытания в течение многих тысяч часов.

Для этих же целей в США было изготовлено 19 ТЭГ, позволяющих провести широкую проверку их пригодности в качестве источников энергоснабжения для станций катодной за­щиты. ТЭГ мощностью 15 вт(эл.) установлен в ноябре 1961 г. на линии трубопровода, где были изучены его энергетические и экономические характеристики. После этого были установлены: один ТЭГ мощностью 4, три — по 15 и остальные — по 8 вг(эл.). Они обслуживали 90 миль трубопровода в Канзасе при токе 2,2 а, 50 миль — в Небраске при токе 2,5 а и 50 миль — в Вайоминге при токе 1,5 а, Эти исследования показали, что стоимость каждого ТЭГ 10 долларов в месяц и они эффективны на труднодоступных линиях газопроводов.

Почти одновременно были созданы фирмой «Висконсин» ТЭГ на пропане мощностью 8 вг(эл.) для катодной зашиты газопровода длиной 5 миль, а фирмой «ЗМ»— ТЭГ на пропане мощностью 4 вг(эл.) для питания радиотелефонной станции.

Для питания автоматической радиорелейной станции был создан ТЭГ, работающий на пропане. Он состоит из газовой горелки, обогревающей горячие спаи плоской термо­батареи, тепло которой отводится охлаждающими ребрами. Пропан содержится в специальном баллоне, давление которого для подачи в горелку дросселируется двумя клапанами. ТЭГ вырабатывает ток 05 а при напряжении ~12 в. Стоимость его эксплуатации — 0,05 доллар/сутки.

Для катодной защиты газового трубопровода Монтана—Дакота длиной 3335 миль также был опробован ТЭГ на органическом топливе. Его конструктивная схема аналогична ТЭГ ТГК-3 и ТЭГ-300. Газовая горелка, находящаяся в центре, обогревает горячие спаи термобатареи, тепло от которой снимается охлаждающимися ребрами. Для опытной эксплуатации был изготовлен ТЭГ мощностью 8 вт(эл.) при токе ~2 а.

Главный критерий пригодности установки — ее ресурс, равный 11 лет. Но при работе станции катодной защиты 50 миль газопровода мощность его за 3 года упала от 8,9 вт(эл.) при напряжении 3,3 в и токе 2,7 а до 6,2 вг(эл.) при напряжении 3,1 в и токе 2 а. Фирмой «Дженерал инструмент» также был разработан ТЭГ для катодной защиты, работающий на природном газе. Модификации установки имели мощность 4 и 50 вг(эл.). Фирмой «ЗМ» созданы два ТЭГ мощностью 100 и 200 вг(эл.). Обе установки могут работать на пропане, бутане или природном газе. Напряжение их может изменяться в зависимости от схемы включения термомодулей и составлять 6, 12 или 24 в.

Фирмой «Вестингауз» изготовлены два ТЭГ мощностью 20 и 35 вт (эл.), работающие на пропане, бутане или природном газе. Напряжение генераторов 6 в. Термобатарея состоит из 12 модулей. ТЭГ фирмы «Манпак» предназначен для питания станций службы пошды и работал от пропановой горелки. Его термобатарея состояла из 278 термоэлементов полезной мощностью 260 вт (эл.) при напряжении 27 б и к. п. д. 6,9%. Для энергоснабжения автоматических метеостанций, находящихся в море, был создан ТЭГ, работающий от сжигания пропана, мощностью 5 вт (эл.) и весом 240 кГ.

Интересен ТЭГ, предназначенный для зарядки аккумуляторных батарей и энергопитания ламп. В его конструкции была использована схема SNAP-3. Расположенная в центре газовая горелка со всех сторон окружена термоэлементами из РЬТе. Тепло от термоэлементов отводится охлаждающими ребрами. С торцов установка закрыта изоляцией и герметич­ными крышками. Термобатарея состоит из 102 термоэлементов. Отдельная ветвь элемента имеет длину 20 и диаметр 4 мм.

Заполнение термоэлементами площади горения составляет 32%). При температуре горячего спая 500° С ТЭГ вырабатывал мощность 10 вт(эл.). К. п. д. горелки равен 67%. Испытания этого генератора с электронагревателем позволили получить зависимость к. п. д. и полезной мощности термобатарей от температуры горячего спая при температуре холодного спая 35° С. К. п. д. термобатареи достаточно высок и достигает 6—7% при 500°С, а к. п. д. всей установки ~5%.

ТЭГ фирмы «Вестингауз» работал от керосиновой горелки и имел мощность около 5 квт(эл.). Термобатарея состояла из двух панелей, расположенных вокруг топки. Охлаждение осуществлялось проточной водой. ТЭГ предлагался для экспериментальных целей в качестве прообраза для реакторных морских установок.

Во Франции был изготовлен ТЭГ для энергоснабжения телеграфных станций. Источником тепла в нем служила газовая горелка, работающая на пропане или бутане. Термобатарея охлаждалась естественной конвекцией при помощи специальных ребер. Мощность установки составляла 50 вг(эл.) при напряжении 12,5 в и токе 4 а. Вес генератора равен 30 кГ при общих габаритах 40х25х30 сл.

Два ТЭГ, созданные в Англии, предназначены для станций катодной защиты. Они работают на природном газе, пропане или бутане, имеют мощность 100 и 200 вт(эл.) и успешно эксплуатируются на нефтепроводе в Ливии с 1966 г., защищая участок длиной 64 км при токе 15,6 а.

Новым в области применения ТЭГ следует считать их приспособление для питания электрооборудования автомобилей и тракторов (и других машин с двигателями внутреннего сгорания) при использовании тепла отработанных газов двигателей. В этом случае ТЭГ работает совместно с аккумулятором, и кроме повышения к. п. д. двигателя при использовании части тепла отработанных газов он может заменить обычные генераторы постоянного тока на автомобилях. При этом ТЭГ должен обладать довольно высокой мощностью 350— 500 ег(эл.) В целях исследования таких ТЭГ в качестве первых проработок была исследована работа термомодуля при разных температурных режимах работы двигателя. Для термоэлементов использовались стандартные низкотемпературные материалы. Термомодуль закреплялся на выхлопной трубе одноцилиндровой дизельной установки мощностью 6 л. с. При этом измерялись температура на термоэлементе и э. д. с.

Энергетические характеристики измерялись на имитирующем двигатель стенде в определенных температурных режимах. В результате был получен к. п. д. термоэлемента 5,5% при разности температур 246° С. Э. д. с. термомодуля составляла 73 мв, а его мощность 0,08 вт(эл.). В ходе работы было показано, что успешное решение этой проблемы требует интенсификации теплопередачи на горячем спае путем, искусственной турбулизации потока и уменьшения переходных контактных сопротивлений теплоконтактного пакета. Указано также, что внедрение таких ТЭГ в промышленность требует получения материалов с высокой добротностью в интервале температур от комнатной до 800° С.

К этой же группе следует отнести ТЭГ, работающие за счет тепла отработанных газов реактивных двигателей, возможность

создания которых принципиально была показана в работе. Особенностью и преимуществом таких аппаратов следует считать их малое время работы — порядка нескольких минут (в цитируемой работе указано 30 сек). При этом показано, что при перепаде температур ~500° С можно получить удельную мощность до 140 вт/кГ.

Основной недостаток всех созданных ТЭГ на органическом топливе — очень низкий к. п. д. вследствие большого уноса тепла продуктами сгорания. От его повышения в первую очередь зависит более широкое применение ТЭГ в энергетике, причем в основу решения должен лечь, очевидно, принцип создания крупных парогенераторов, где вопросы теплоуноса разработаны, наиболее, экономично.

В заключение следует отметить очень широкие области применения ТЭГ на органическом топливе и возможность успешной замены ими энергоустановок других типов при мощностях до 1—10 квт (эл.).

Дата публикации: 18.05.2012

Похожие записи:

• Альтернативная энергетика
• Перспективы создания биоэнергетической индустрии переработки сельскохозяйственных отходов
• Расширение области применения возобновляемых источников энергии и биотехнологий в рамках частно-государственно партнёрства
• Энергоэффективность и альтернативная энергетика одна из основных точек роста российской экономики в целом
• Перспективы использования виэ в томской области
• Об управлении ростом «культурной биогеохимической» (по вернадскому) или «цивилизационной» энергии человечества в 21-м веке