RU2614349C1

RU2614349C1 - Independent circulation thermal electrical pump for heating systems

Info

Publication number: RU2614349C1
Application number: RU2015153022A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Ежов; Роман Сергеевич Дрожжин; Артем Викторович Брежнев
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2017-03-24

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: thermal electric pump comprises a feed pipeline (1) with thermoelectric unit (3), connected with electric wiring to an inverter (4), battery (5) and pump motor (6) mounted in pipeline (2). Block (3) consists of two semi-cylindrical shells with longitudinal slots in which ongitudinal ribs are inserted. Inside ribs over their entire length, zigzag rows are placed consisting of sequently plaved and interconnected thermionic converters consisting of a pair of segments made of different metals. The segments ends are flattened, tightly pressed against each other and located near the edges of the ribs pressed against the heating zone to the pipeline section (1) surface and in the cooling zone. The zigzag rows free ends of each rib pair at one end in the cooling zone are connected by bridges, and on the opposite are interconnected in the cooling zone through the condensers, forming thermoelectric sections. The condensers are connected through their bridges in series with each other, forming a thermoelectric unit provided with current terminals with the like charges, connected with wiring to inverter (4).

EFFECT: increased efficiency and reliability of the heating system.

8 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий. The present invention relates to a power system, and in particular to heat supply systems for residential, public and industrial buildings.

Известен циркуляционный насос системы отопления и/или кондиционирования, содержащей главный гидравлический контур и дополнительный гидравлический контур (систему отопления), имеющей по меньшей мере один циркуляционный насос для рабочей жидкости, приводимый в действие электродвигателем и управляемый электронным управляющим устройством на основе измерении основных параметров рабочей жидкости в системе отопления [Патент РФ №2377444, МПК F04D 15/00, F24D 19/10, 2009]. A circulation pump of a heating and / or conditioning system is known, comprising a main hydraulic circuit and an additional hydraulic circuit (heating system) having at least one circulating pump for a working fluid, driven by an electric motor and controlled by an electronic control device based on the measurement of the main parameters of the working fluid in a heating system [RF Patent No. 2377444, IPC F04D 15/00, F24D 19/10, 2009].

Недостатком известного циркуляционного насоса является невозможность его работы без подачи электроэнергии от постороннего источника, что уменьшает экономичесскую эффективность и надежность работы системы отопления в случае прекращения электроснабжения. A disadvantage of the known circulation pump is the impossibility of its operation without supplying electricity from an external source, which reduces the economic efficiency and reliability of the heating system in the event of a power outage.

Более близким к предлагаемому изобретению является термоэлектрический тепловой насос для бытового отопления, содержащий нагреваемый проточный теплообменник, батарею термоэлектрических модулей (термоэлектрический блок), установленный между вводящими и отводящими теплоноситель трубами к батарее отопления на двухтрубной системе отопления, причем в обоих теплообменниках установлены перегородки, которые разбивают поток теплоносителя и равномерно распределяют его по всему объему теплообменников, при этом регулирование температуры батареи отопления осуществляется при помощи биметаллического реле, устанавливаемого непосредственно на батарее отопления [Патент РФ №2367855, F25B 30/00, F25B 21/02, 2009]. Closer to the proposed invention is a thermoelectric heat pump for domestic heating, containing a heated flow-through heat exchanger, a battery of thermoelectric modules (thermoelectric unit), installed between the inlet and outlet heat transfer pipes to the heating battery on a two-pipe heating system, and in both heat exchangers are installed partitions that break heat carrier flow and evenly distribute it throughout the volume of heat exchangers, while controlling the temperature arei heating is carried out by means of a bimetallic relay, is mounted directly on the radiator [RF patent №2367855, F25B 30/00, F25B 21/02, 2009].

Основными недостатками известного термоэлектрического теплового насоса является сложность и громоздкость его конструкции из-за наличия двух теплообменников с арматурой, невозможность регулирования температуры батарей отопления без подачи электроэнергии от постороннего источника, что уменьшает эффективность и надежность работы системы отопления в случае прекращения электроснабжения. The main disadvantages of the known thermoelectric heat pump are the complexity and bulkiness of its design due to the presence of two heat exchangers with fittings, the inability to control the temperature of the heating batteries without supplying electricity from an external source, which reduces the efficiency and reliability of the heating system in the event of a power outage.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности и надежности работы автономного циркуляционного термоэлектронасоса для системы отопления.The technical result of the invention is to increase the efficiency and reliability of the autonomous circulating heat pump for the heating system.

Технический результат достигается циркуляционным термоэлектронасосом для системы отопления, содержащим подающий и циркуляционный трубопроводы, термоэлектрический блок, насаженный на подающий трубопровод, соединенный электропроводкой с инвертором, аккумулятором и электродвигателем насоса, устроенного в циркуляционном трубопроводе, причем термоэлектрический блок состоит из двух полуцилиндрических кожухов с продольными щелями, снабженных торцевыми кольцами, продольными фланцами с крепежными отверстиями, закрывающих участок подающего трубопровода, с созданием между внутренней поверхностью полуцилиндров и наружной поверхностью участка трубопровода зазора шириной ∆, при этом в продольные щели полуцилиндрических кожухов вставлены продольные ребра, выполненные из гидростойкого диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, внутри которых по всей их длине помещены зигзагообразные ряды, состоящие из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей, каждый из которых состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены и плотно прижаты друг к другу и расположены вблизи кромки ребер, прижатых в зоне нагрева к поверхности участка и в зоне охлаждения, расположенных в окружающей среде, а именно, воздухе теплового пункта, свободные концы зигзагообразных рядов каждой пары ребер с одного торца в зоне охлаждения соединены перемычками, покрытыми слоем гидростойкого диэлектрического материала, а с противоположного торца свободные концы зигзагообразных рядов этих же пар в ребрах соединены между собой в зоне охлаждения через конденсаторы, покрытыми слоем гидростойкого диэлектрического материала, образуя теплоэлектрические секции, вышеупомянутые конденсаторы каждого полуцилиндрического кожуха через свои перемычки последовательно соединены между собой, образуя термоэлектрический блок, крайние конденсаторы которого снабжены токовыводами с одноименными зарядами, соединенными электропроводкой с инвертором.The technical result is achieved by a circulating thermoelectric pump for a heating system comprising a supply and circulation piping, a thermoelectric unit mounted on a supply piping connected by electrical wiring to an inverter, a battery and a pump motor arranged in a circulation pipeline, the thermoelectric unit consisting of two semi-cylindrical casings with longitudinal slots, equipped with end rings, longitudinal flanges with mounting holes covering the hearth a pipeline, with the creation of a gap Δ wide between the inner surface of the half-cylinders and the outer surface of the pipeline section, while longitudinal ribs made of hydrostatic dielectric material with high thermal conductivity are inserted into the longitudinal slits of the semi-cylindrical shells, inside of which zigzag rows consisting of placed in order and interconnected thermionic converters, each of which consists of a pair of segments made of different x metals M1 and M2, the ends of which are flattened and tightly pressed against each other and are located near the edges of the ribs pressed in the heating zone to the surface of the section and in the cooling zone located in the environment, namely, the air of the heating unit, the free ends of the zigzag rows of each pairs of ribs from one end in the cooling zone are connected by jumpers covered with a layer of hydrostatic dielectric material, and from the opposite end the free ends of the zigzag rows of the same pairs in the ribs are interconnected in the cooling zone through capacitors coated with a layer of hydrostatic dielectric material, forming thermoelectric sections, the aforementioned capacitors of each semi-cylindrical casing are connected in series through their jumpers, forming a thermoelectric unit, the extreme capacitors of which are equipped with current leads with the same charges connected by electrical wiring to the inverter.

На фиг. 1 представлены схема компановки циркуляционного термоэлектронасоса для системы отопления (АЦТЭН), на фиг. 2, 3 – общий вид и разрез термоэлектрического блока (ТЭБ), на фиг. 4–6 – разрезы ТЭБ, на фиг. 7, 8 – узлы соединения термоэлектрических секций (ТЭС).In FIG. 1 shows a layout diagram of a circulating thermal electric pump for a heating system (ATSTEN), in FIG. 2, 3 is a general view and section of a thermoelectric block (TEB), in FIG. 4–6 are sections of the fuel-thermopile, in FIG. 7, 8 - connection nodes of thermoelectric sections (TPP).

Предлагаемый циркуляционный термоэлектронасос для системы отопления (АЦТЭН) содержит подающий и циркуляционный трубопроводы 1 и 2, соответственно, термоэлектрический блок (ТЭБ) 3, насаженный на подающий трубопровод 1, соединенный электропроводкой с инвертором 4, аккумулятором 5 и электродвигателем (на фиг. 1-8 не показан) насоса 6, устроенного в циркуляционном трубопроводе 2, причем ТЭБ 3 состоит из двух полуцилиндрических кожухов 7 с продольными щелями 8, снабженных торцевыми кольцами 9, продольными фланцами 10 с крепежными отверстиями 11, закрывающих участок 12 подающего трубопровода 1, с созданием между внутренней поверхностью полуцилиндров 7 и наружной поверхностью участка 12 трубопровода 1 зазора 13 шириной ∆, причем в продольные щели 8 полуцилиндрических кожухов 7 вставлены продольные ребра 14, выполненные из гидростойкого диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, внутри которых по всей их длине помещены зигзагообразные ряды 15, состоящие, из размещенных по очередности и соединенных между собой термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 16. Каждый ТЭП 16 состоит из пары отрезков, выполненных из разных металлов М1 и М2, концы которых расплющены и плотно прижаты друг к другу и расположены вблизи кромки ребер 14, прижатых в зоне нагрева к поверхности участка 12 и в зоне охлаждения, расположенных в окружающей среде (воздухе теплового пункта), соответственно, свободные концы зигзагообразных рядов 15 каждой пары ребер 14 с одного торца в зоне охлаждения соединены перемычками 17, покрытыми слоем гидростойкого диэлектрического материала, а с противоположного торца свободные концы зигзагообразных рядов 15 этих же пар в ребрах 14 соединены между собой в зоне охлаждения через конденсаторы 18, покрытыми слоем гидростойкого диэлектрического материала, образуя теплоэлектрические секции (ТЭС) 19, причем конденсаторы 18 каждого полуцилиндрического кожуха 7 через перемычки 20 последовательно соединены между собой, образуя ТЭБ 3, крайние конденсаторы которого снабжены токовыводами с одноименными зарядами 21 и 22, соединенными электропроводкой с инвертором 4.The proposed circulation thermoelectric pump for the heating system (ATSTEN) contains the supply and circulation pipelines 1 and 2, respectively, a thermoelectric unit (TEB) 3, mounted on the supply pipe 1, connected by wiring to the inverter 4, the battery 5 and the electric motor (in Fig. 1-8 not shown) of a pump 6 arranged in a circulation pipe 2, wherein the thermopile 3 consists of two semi-cylindrical casings 7 with longitudinal slots 8, provided with end rings 9, longitudinal flanges 10 with mounting holes 11, closed of the feed pipe section 12, with the creation of a gap Δ of width 13 between the inner surface of the half-cylinders 7 and the outer surface of the pipe section 12 of the pipe 12, and longitudinal ribs 14 made of hydrostatic dielectric material with high thermal conductivity are inserted into the longitudinal slots 8 zigzag rows 15 are placed along their entire length, consisting of thermionic converters (TECs) arranged in order and interconnected 16. Each TEP 16 consists of a pair the segments of segments made of different metals M1 and M2, the ends of which are flattened and tightly pressed against each other and are located near the edges of the ribs 14, pressed in the heating zone to the surface of section 12 and in the cooling zone located in the environment (air of the heating unit), accordingly, the free ends of the zigzag rows 15 of each pair of ribs 14 from one end in the cooling zone are connected by jumpers 17 coated with a layer of hydrostatic dielectric material, and from the opposite end the free ends of the zigzag rows 15 of the same pa in the ribs 14 are interconnected in the cooling zone through capacitors 18 coated with a layer of hydrostatic dielectric material, forming thermoelectric sections (TPPs) 19, and the capacitors 18 of each semicylindrical casing 7 through jumpers 20 are connected in series, forming TEB 3, the extreme capacitors of which are provided current outputs with the same charges 21 and 22, connected by wiring to the inverter 4.

Предлагаемый АЦТЭН, представленный на фиг. 1–8, работает следующим образом. The proposed ACTHEN shown in FIG. 1–8, works as follows.

АЦТЭН устанавливается в процессе монтажа или реконструкции системы отопления, для чего два полуцилиндра 7 накладываются на участок 12 подающего трубопровода 1 в помещении теплового пункта и крепятся к нему посредством стяжки через крепежные отверстия 11 таким образом, чтобы между внутренней поверхностью полуцилиндров 7 и наружной поверхностью участка 12 трубопровода 1 оставался зазор шириной ∆ (ширина зазора ∆ выбирается из условия создания надежного контакта нижних кромок ребер 14 с наружной поверхностью участка 12 и устойчивости ребер 14). После монтажа полуцилиндров 7 в продольные щели 8 вставляются продольные ребра 14 таким образом, чтобы их нижние кромки соприкасались с наружной поверхностью участка 12 трубопровода 1, а их наружные торцы соединяют перемычками 17, 20 и конденсаторами 18, после чего токовыводы 21, 22 соединяют электропроводкой через инвертор 4 с аккумулятором 5 и электродвигателем (на фиг.1–8 не показан) насоса 6.ATSTEN is installed during the installation or reconstruction of the heating system, for which two half-cylinders 7 are superimposed on the section 12 of the supply pipe 1 in the premises of the heating unit and are attached to it by means of screed through the mounting holes 11 so that between the inner surface of the half-cylinders 7 and the outer surface of the section 12 pipe 1 there was a gap of width ∆ (the gap width ∆ is selected from the condition of creating reliable contact of the lower edges of the ribs 14 with the outer surface of the section 12 and the stability of the ribs 14 ) After installing the half-cylinders 7, longitudinal ribs 14 are inserted into the longitudinal slots 8 so that their lower edges are in contact with the outer surface of the section 12 of the pipeline 1, and their outer ends are connected by jumpers 17, 20 and capacitors 18, after which the current leads 21, 22 are connected by electrical wiring through an inverter 4 with a battery 5 and an electric motor (not shown in FIGS. 1-8) of the pump 6.

При движении горячей воды в подающем трубопроводе 1 с температурой t_Г (например, t_Г=95⁰С) в помещении теплового пункта с температурой воздуха t_С (например, t_С=20⁰С) создается значительная разность температур между температурой наружной поверхности трубопровода 1 t_П и температурой воздуха (t_П- t_С). В результате разности температур t_П– t_С происходит теплообмен между горячей водой, движущейся по трубопроводу 1 и окружающим воздухом, нагреваются и охлаждаются зоны нагрева и охлаждения продольных ребер 14, расположенные в зазоре между участком 12 и полуцилиндрическими кожухами 7, внутри которых помещены спаянные двухслойные расплющенные концы ТЭП 16, выполненные из металлов М1 и М2, расположенные параллельно поверхности участку 12 трубопровода 1. Конструкция двухслойных концов ТЭП 16 позволяет увеличить количество переходящего тепла за счет повышенной площади их контакта с зонами нагрева и охлаждения и высокой площади контакта слоев самих металлов М1 и М2, соединенных между собой (например, спайкой), Кроме того, процесс теплообмена от материала ребер 14 к спаям металлов М1 и М2 ТЭП 16 интенсифицируется за счет передачи его теплопроводности, скорость которой при высоком значении коэффициента теплопроводности значительно выше, чем скорость передачи тепла за счет конвекции [И. Н. Сушкин. Теплотехника. – М.: «Металлургия», 1973, с. 195–198]. В результате теплообменных процессов создается разность температур между спаянными двухслойными расплющенными, плотно прижатыми друг к другу, соединенными между собой концами ТЭП 16, выполненными из металлов М1 и М2, расположенными в кромках ребер 14 и противоположными им спаянными концами этих же отрезков металлов М1 и М2, расположенных в зигзагообразных рядах 15. Создаваемая разность температур между зонами нагрева и охлаждения вызывает эмиссию электронов во всех ТЭП 16 и, соответственно, возникновение в зигзагообразных рядах ТЭС 15 термоэлектричества [С.Г. Калашников. Электричество. – М: «Наука», 1970, с. 502–506]. Полученное термоэлектричество каждой пары зигзагообразных рядов 15, соединенных попарно между собой перемычками 17, образующих ТЭС 19, направляется в конденсаторы 18, соединенные с холодными свободными концами двух конечных ТЭП 16 каждой ТЭС 19, которые аккумулируют его. При этом все конденсаторы 18 соединены между собой последовательно через перемычки 20, поэтому термоэлектричество предыдущих ТЭС 19 не проходит через последующие ТЭС 19, а движется только через последовательно соединенные конденсаторы 18, что существенно снижает потери мощности на преодоление сопротивлений электричеству при прохождении по многочисленным ТЭП 16. Эффективная работа конденсаторов 18 обеспечивается также тем, что они постоянно охлаждаются в зоне охлаждения окружающим воздухом. Полученное электричество ТЭБ 3 через токовыводы 21, 22 поступает в инвертор 4, где создается требуемое напряжение и сила тока, и подается в аккумулятор 5 и электродвигатель (на фиг. 1–8 не показан) насоса 6.When hot water moves in the supply pipe 1 with a temperature t _Г (for example, t _Г = 95 ⁰ С) in the room of a heating unit with an air temperature t _С (for example, t _С = 20 ⁰ С), a significant temperature difference is created between the temperature of the outer surface of the pipeline 1 t _P and air temperature (t _P - t _C ). As a result of the temperature difference t _P - t _C , heat exchange occurs between hot water moving along the pipe 1 and the surrounding air, the heating and cooling zones of the longitudinal ribs 14, located in the gap between the section 12 and the half-cylindrical casings 7, inside which are soldered two-layer the flattened ends of the TEC 16, made of metals M1 and M2, located parallel to the surface of the section 12 of the pipeline 1. The design of the two-layer ends of the TEC 16 allows you to increase the amount of heat transfer per There is an increased area of their contact with the heating and cooling zones and a high contact area of the layers of the metals M1 and M2 themselves, interconnected (for example, by soldering). In addition, the heat transfer process from the material of the ribs 14 to the joints of the metals M1 and M2 of TEC 16 is intensified due to transfer of its thermal conductivity, the speed of which at a high value of the coefficient of thermal conductivity is much higher than the rate of heat transfer due to convection [I. N. Sushkin. Heat engineering. - M.: Metallurgy, 1973, p. 195–198]. As a result of heat exchange processes, a temperature difference is created between the welded two-layer flattened, tightly pressed to each other, interconnected by the ends of the TEC 16, made of metals M1 and M2, located in the edges of the ribs 14 and opposite the welded ends of the same metal segments M1 and M2, located in zigzag rows 15. The created temperature difference between the heating and cooling zones causes the emission of electrons in all TEC 16 and, accordingly, the appearance of thermoelectric power in the zigzag rows of TEC 15 ektrichestva [SG Kalashnikov. Electricity. - M: "Science", 1970, p. 502-506]. The resulting thermoelectricity of each pair of zigzag rows 15 connected in pairs by jumpers 17 forming TPP 19 is sent to capacitors 18 connected to the cold free ends of two end TEC 16 of each TPP 19, which accumulate it. In this case, all capacitors 18 are interconnected in series through jumpers 20, therefore, the thermoelectricity of previous TPPs 19 does not pass through subsequent TPPs 19, but only moves through series-connected capacitors 18, which significantly reduces power losses for overcoming resistance to electricity when passing through multiple TECs 16. The effective operation of the condensers 18 is also ensured by the fact that they are constantly cooled in the cooling zone by ambient air. The obtained electricity of thermopile 3 through current outputs 21, 22 enters the inverter 4, where the required voltage and current are created, and fed to the battery 5 and the electric motor (not shown in Figs. 1–8) of the pump 6.

Величина разности электрического потенциала и силы тока на токовыводах 21, 22 зависит от разности температур на спаях металлов М1 и М2, их характеристик, количества ТЭП 16 в ТЭС 19 и их числа в ТЭБ 3. При необходимости устанавливают несколько ТЭБ 3. Требуемые напряжение U и силу тока I в зависимости от расхода горячей воды и величины разности температур (t_П– t_С) регулируют в инверторе 4. Полученное электричество используется для работы насоса 6 и, например, для автоматизации работы теплового пункта (на фиг. 1-8 не показан).The magnitude of the difference in electric potential and current strength at current leads 21, 22 depends on the temperature difference on the junctions of metals M1 and M2, their characteristics, the number of TECs 16 in TES 19 and their number in TEC 3. If necessary, install several TEC 3. Required voltage U and the current strength I, depending on the flow of hot water and the magnitude of the temperature difference (t _P - t _C ) is regulated in the inverter 4. The resulting electricity is used to operate the pump 6 and, for example, to automate the operation of the heating station (not shown in Fig. 1-8 )

Таким образом, конструкция предлагаемого АЦТЭН обеспечивает возможность автономной работы системы отопления без подключения к электрической сети, а конструкция ТЭБ 3 (источник ЭДС) позволяет заменять вышедшие из строя ТЭП и ТЭС на действующей системе отопления и снизить его электрическое сопротивление, что повышает надежность и эффективность установки.Thus, the design of the proposed ACTPP provides the possibility of autonomous operation of the heating system without being connected to the electric network, and the design of the thermopile 3 (EMF source) allows you to replace the failed TEP and TPP on the existing heating system and reduce its electrical resistance, which increases the reliability and efficiency of the installation .

Claims

An autonomous circulation thermoelectric pump for a heating system, comprising a supply and circulation pipes, a thermoelectric unit, an electric pump arranged in a circulation pipe, characterized in that the thermoelectric unit is mounted on the supply pipe and consists of two semi-cylindrical casings with longitudinal slots provided with end rings, longitudinal flanges with mounting holes covering the portion of the supply pipe, creating between the inner surface of the half-cylinders and the outer the surface of the gap pipeline section with a width of ∆, while longitudinal ribs made of a hydrostatic dielectric material with high thermal conductivity are inserted into the longitudinal slits of the semicylindrical shells, inside of which zigzag rows consisting of arranged in sequence and interconnected thermionic transducers are placed from a pair of segments made of different metals M1 and M2, the ends of which are flattened and tightly pressed against each other and are located near the edge of the edges ep, pressed in the heating zone to the surface of the section of the supply pipe and in the cooling zone in the environment, while the free ends of the zigzag rows of each pair of ribs from one end in the cooling zone are connected by jumpers, from the opposite end the free ends of the zigzag rows of the same pairs in the fins are interconnected in the cooling zone through capacitors, forming thermoelectric sections, the capacitors of which are connected in series by other jumpers, while all jumpers and condos The nanocouplers are coated with a layer of hydrostatic dielectric material, and the extreme capacitors of the thermoelectric block are equipped with current outputs with the same charges connected by wiring through the inverter to the battery and pump motor.